等通道轉(zhuǎn)角擠壓研究現(xiàn)狀

摘要：等通道抓轉(zhuǎn)角擠壓（ECAP）技術(shù)是一種通過對材料進(jìn)行劇烈塑性變形而獲得超細(xì)晶材料的方法，文章首先對國內(nèi)外ECAP技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了介紹，接著對其變形方法、變形后的顯微組織及性能進(jìn)行了總結(jié)，最后對其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：等通道轉(zhuǎn)角擠壓；塑性變形；ECAP；超細(xì)晶材料；顯微組織 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TG376 文章編號：1009-2374（2015）24-0031-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.015

近幾十年來，通過劇烈塑性變形制備亞微米和納米級超細(xì)晶材料，改善材料的物理性能和綜合機(jī)械性能的方法得到了廣泛的研究和關(guān)注。在金屬的塑性變形過程中，晶粒會發(fā)生變形和破碎，大量晶粒具有某些晶向上的擇優(yōu)取向后會形成織構(gòu)，從而使材料的某些性能發(fā)生變化。傳統(tǒng)的塑性變形由于受到變形量的限制，其對晶粒想的細(xì)化作用較為有限。劇烈塑性變形（Severe Plastic Deformation，SPD）技術(shù)，因其可在材料外形尺寸改變不大的基礎(chǔ)上獲得很大的變形量，克服了傳統(tǒng)變形方法導(dǎo)致的材料厚度及直徑尺寸的大幅度減少，不適用于結(jié)構(gòu)件的弊端。

1 ECAP技術(shù)研究的材料

等通道轉(zhuǎn)角擠壓法首先由Segal和他的合作者在20世紀(jì)70、80年代提出，在20世紀(jì)90年代Valiev利用該技術(shù)獲得了超細(xì)晶的鋁合金材料，引起了世界范圍內(nèi)材料研究者對ECAP技術(shù)的興趣；隨后，人們利用該技術(shù)對包括純金屬，如Cu、Al、Ti等；合金，如H62黃銅，Ti-6Al-4V，Al-Mg，Zn-Al，Al-Zn-Mg-Cu超高強(qiáng)鋁合金等合金，以及金屬基復(fù)合材料在內(nèi)的多種材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，材料的性能都有不同程度的提高。目前，ECAP技術(shù)已經(jīng)由單純的學(xué)術(shù)研究向工業(yè)應(yīng)用方向發(fā)展。

2 ECAP的變形方式及晶粒細(xì)化機(jī)理

等通道轉(zhuǎn)角擠壓（ECAP）是使棒料在一定的擠壓力作用下通過兩軸線成一定夾角的通道，使棒料發(fā)生純剪切變形（如圖1所示）。

在經(jīng)過N次擠壓后，材料的總應(yīng)變量為：

式中，N為擠壓的道次；φ為模具的拐角，ψ為模具的外角，如圖1所示，為，的情況。

等通道角變形細(xì)化組織時，坯件經(jīng)過通道的方向和次數(shù)是重要的參數(shù)，目前主要有四種途徑，A途徑是指每次通過模具時坯件的取向不變；BA途徑是指每次通過模具時坯件的取向旋轉(zhuǎn)90°，連續(xù)兩次通過模具時旋轉(zhuǎn)方向相反；BC途徑是指每次通過模具時坯件的取向旋轉(zhuǎn)90°，連續(xù)兩次通過模具時旋轉(zhuǎn)方向相同；C途徑是指每次通過模具時坯件的取向旋轉(zhuǎn)180°，如圖2所示。

在剪切力的作用下，粗大晶粒被粉碎成為一系列具有小角晶界的亞晶，亞晶沿著一定方向拉長形成帶狀組織，隨變形程度的進(jìn)一步增加，最終使亞晶轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂写蠼蔷Ы绲牡容S晶，從而獲得超細(xì)晶材料。

3 ECAP技術(shù)對材料晶粒細(xì)化的影響因素

經(jīng)過多道次ECAP變形后的金屬，晶粒尺寸會有明顯的減小，晶粒的最終情況取決于模具拐角φ、擠壓方式、擠壓溫度以及擠壓速度等多個因素。

3.1 模具拐角的影響

由式（1）可知，在相同的擠壓道次時，較小的拐角φ可以獲得較大的應(yīng)變量，當(dāng)拐角較大時，雖然可以通過增加擠壓道次的方法來獲得與較小拐角相同的應(yīng)變量，但其最終難以獲得大角晶界，產(chǎn)生超細(xì)晶粒。Nakashima K采用φ值分別為90°、112.5°、135°、157.5°的模具對純鋁進(jìn)行研究，通過改變擠壓道次保證獲得相同的應(yīng)變量，最終只有以90°和112.5°的拐角的擠壓在應(yīng)變量為4時能夠產(chǎn)生大角晶界，其中，以90°拐角擠壓時最容易產(chǎn)生大角晶界。

3.2 擠壓方式的影響

如上文所述，對材料進(jìn)行ECAP變形時，可以采用不同的變形路徑，其晶粒細(xì)化程度也不相同。一般來說， 按BC路徑進(jìn)行擠壓變形時，晶粒在三個方向上都可獲得較大的變形，從而獲得最佳的細(xì)化效果。如邊麗萍等在對Al-10Mg-4Si合金進(jìn)行ECAP研究時發(fā)現(xiàn)，按BC路徑擠壓8道次后，合金的顯微組織由約為259nm的α-Al等軸晶和約356nm的Mg2Si顆粒組成；而經(jīng)過2A+4BA+2A路徑擠壓8道次后，α-Al晶粒被細(xì)化成平均尺寸約為的等軸晶，Mg2Si被細(xì)化成長約，直徑約370nm的棒狀，尺寸明顯大于按BC路徑擠壓8道次后的晶粒。

4 ECAP對材料力學(xué)性能的影響

4.1 對強(qiáng)度、硬度的影響

在一般情況下，對材料進(jìn)行塑性變形，隨變形程度的增加，材料會發(fā)生加工硬化，即出現(xiàn)強(qiáng)度、硬度升高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象，也即是所謂的加工硬化現(xiàn)象。同樣，經(jīng)過多道次ECAP變形后，材料的強(qiáng)度、硬度也都會有顯著提高，例如退火態(tài)的純銅，其硬度為78.7HV、屈服強(qiáng)度為161MPa，經(jīng)多道次的ECAP變形后，其硬度可達(dá)185.3HV、屈服強(qiáng)度可達(dá)449MPa；退火態(tài)的1060鋁，其硬度為45.2HV、抗拉強(qiáng)度為90.2MPa，經(jīng)8道次的ECAP變性后，其硬度可達(dá)78.2HV、抗拉強(qiáng)度可達(dá)261MPa。

4.2 對材料塑性的影響

大部分材料在經(jīng)過ECAP變形后，相對于其他塑性變形方法，其塑性均會有一定程度的提高，如姜巨福等對AZ91D鎂合金進(jìn)行ECAP變形后發(fā)現(xiàn)，材料的延伸率由變形前的3.8%增加到變形后的10.5%，表現(xiàn)出良好的超塑性；徐德鵬在對1060鋁合金進(jìn)行不同道次ECAP變形后發(fā)現(xiàn)，1060鋁合金的延伸率在第一道次下降最多，由32%下降至16.6%，從第二到第五道次延伸率穩(wěn)定下降，而第五道次之后延伸率基本不變。

5 ECAP的應(yīng)用前景

在傳統(tǒng)的塑性變形中，隨著變形程度的增加，材料的導(dǎo)電性和耐蝕性都會大幅度下降，而石鳳健等在進(jìn)行純銅的反復(fù)墩壓實(shí)驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，純銅的導(dǎo)電率隨墩壓次數(shù)的增多而緩慢下降，經(jīng)15道次墩壓后純銅的導(dǎo)電率為91.7%IACS，相對于退火態(tài)純銅的導(dǎo)電率97.6%IACS下降了約6%，但其抗拉強(qiáng)度可達(dá)459.1MPa較退火態(tài)純銅的198.5MPa提高了131.3%；硬度由退火態(tài)的682.1MPa提高到1358.3MPa，提高量約為100%，這表明，可以通過劇烈塑性變形制備出具有較高強(qiáng)度、硬度，并有良好導(dǎo)電性的材料。ECAP技術(shù)作為一種通過劇烈塑性變形而獲得超細(xì)晶材料的技術(shù)，如何通過擠壓或拉拔的方法獲得高強(qiáng)度高導(dǎo)電性的銅線，以便應(yīng)用于高鐵等有劇烈摩擦場所的供電，是今后重要的研究課題。

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作者簡介：王斌（1980-），男，山東青島人，青島理工大學(xué)講師，在職研究生，研究方向：機(jī)械工程。

（責(zé)任編輯：陳 倩）