大塑性变形制备块体超细晶材料的概述.pdf

大塑性变形技术(SPD)制备块体

超细晶/纳米晶材料的概述

摘要：从制备块体超细晶/纳米晶角度引出了大塑性变形技术，重点概述了等径

角挤压、高压扭转、累积叠轧焊等技术；同时分析了SPD材料的强度与超塑性

等性能特征，并对其未来发展做出了展望。

关键词：超细晶；大塑性变形；等径角挤压；高压扭转；超塑性

1前言

根据晶粒尺度的不同，通常将材料分为：粗晶材料（晶粒大于1μm）；超细

[1]

晶材料（晶粒大小在0.1μm到1μm之间）；纳米晶材料（晶粒小于100nm）。

晶粒大小是影响多晶金属材料性能的重要因素，由亚微米级晶粒组成的超细晶/

纳米晶金属材料由于具有很小的晶粒尺寸和独特的缺陷结构，在室温下不仅具有

高的强度、硬度和耐磨性，而且还具有良好的塑性和韧性，在一定的温度范围内

还具备超塑性，在磁性材料、催化剂、半导体等方面具有广阔的应用前景。因此，

制备大尺寸、无污染、无微孔隙且晶粒尺寸细小均匀的块体超细晶/纳米晶材料

一直是人们研究的热点。机械化合金加压成块法、电沉积法、非晶晶化法和剧烈

塑性变形(SeverePlasticDeformation,SPD)等都可以制备块体超细晶/纳米晶材料，

[2]

其中SPD被认为是最有希望实现工业化生产的有效途径之一。

SPD具有强烈的晶粒细化能力，可以直接将材料的内部组织细化到亚微米乃

[3]

至纳米级，其主要的变形方式是剪切变形。组织细化的主要目的在于：1)充分

挖掘材料的潜能，获得满足军事和日益发展的航空航天等领域对高强高韧材料的

需求；2)在较高温度下提高材料的超塑性能力，以提高零件的生产效率和开拓难

变形材料如镁合金等的加工制备新途径。Valiev教授认为，采用SPD方法制备

[4]

超细晶／纳米结构金属应该满足多项条件：1)大塑性变形量；2)相对低的变形

温度；3)变形材料内部承受高压。在这些原则的指导下，大塑性变形工艺得到了

迅猛发展，出现了一系列的制备工艺：等通道转角挤压(ECAE)、高压扭转(HPT)、

往复挤压(CEC)、累积轧制(ARB)、大挤压比挤压(HRE)、超音喷丸(USSP)等。

2大塑性变形技术

2.1等径角挤压（ECAE）

ECAE技术最早是在80年代初期由Sgeal等人[5]提出，用以获得材料的纯剪

切变形；90年代后该技术主要制备纳米晶和超细晶材料。与传统的塑性成形工

艺相比，ECAE技术有其特殊性：一方面，因为ECAE技术使用模具的工作部分

是互相交错成一定角度且横截面积相等的两个挤压通道，因而在样品的横截面积

不发生改变的前提下，可以实现同一样品的重复挤压引入更大的塑性应变量；另

一方面，采用ECAE技术能够将材料的晶粒组织细化到微米、超细晶甚至纳米

晶范围。ECAE变形虽然具备有强烈的细化晶粒的能力，但是一般只能制备晶粒

尺寸为1μm左右，极限大约在0.7μm左右的镁合金，且ECAE变形后虽然镁合

金塑性改善较为明显，但是合金的屈服强度却有所下降，这是因为在ECAE挤

压过程中所形成织构对材料的弱化作用超过了晶粒细化的强化作用，而且晶粒细

[6]

化又激活了更多滑移系的结果。等径角挤压的原理如图l所示，每次挤压所获

得的变形量与模具通道内的两个交角(内角ɸ，外角ψ)有关。当ɸ=90°，ψ=0°时，

[7]

每道次的真应变可以达到1.15。等通道转角挤压技术(ECAE)的特点在于：1)

可以制备大体积试样；2)常见有3种不同的挤压路径，采用的挤压试样横截面为

圆形或方形，直径或方形对角线一般不超过20mm；3)可以加工塑性差的材料，

需采用较高温度或者较大的转角；4)不能连续变形，但可以通过设计成U形和L

形循环等通道挤压来改善。等通道转角挤压技术也被成功地应用于塑性变形能力