多向限制变形和直接轧制1050工业纯铝机构与特性研究

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1、多向限制变形和直接轧制1050工业纯铝机构与特性研究第1章绪论本文研究的对象是在日用品中获得广泛使用的1050工业纯铝，本课题通过一种新型的加工技术(多向限制变形技术)，研究制备超细晶材料，其研究内容涉及到多向限制变形工业纯铝板的力学性能、微结构、织构，以及变形工业纯铝的再加热行为。1.1纯铝概述工业纯铝指的是纯度为99.0％～99.9％的铝，中国的标准纯度是98.8％～99.7％的铝。三层液电解法和偏析法是国际上应用最为广泛的两种提纯技术。现在应用广泛的方法是三层液法，但偏析法在省电、能耗、环保方面更有优势，

2、且偏析法是一种物理提纯技术，整个过程中除了会在熔炼过程中产生的气体和粉尘外，不会产生其他有毒有害气体，十分符合在环保方面的要求。1.2金属材料的强化方法金属的强化大多数是通过在有缺陷的晶体中阻止位错的运动，包括固溶强化[1]、加工硬化[2]、弥散强化[3]和细晶强化[4-6]等。对金属材料性能有重要影响的组织结构，晶粒尺寸等因素，都可以通过传统加工方法改变[7]。Embury和Fisher[8]1966年，在室温通过使用拉拔珠光体钢丝的方法，获得了具有极高抗拉强度的细钢丝(d=0.07mm)，但只能通过拉拔的方

3、法才能获得这种材料，且断面收缩率要求大于90％。尽管生产条件要求苛刻，但该材料的强度和塑性大大超过了其他强化方法的能力范围。上世纪90年代初，Valiev等人提出了制备超细晶材料的新方法：强烈塑性变形(SPD,SeverePlasticDeformation)方法[9-13]，SPD方法通过剧烈变形使样品积累足够的的能量，进而使材料的组织发生改变，最终使材料细化。SPD方法揭开了国际材料界通过使用新的工艺方法制备纳米晶材料的热潮。1.3超细晶超细晶[14-17]材料是指晶粒尺寸在0.01-1μm范围内的材

4、料，由于晶粒尺寸细小，导致晶界数量众多，且超细晶材料具有数量众多的不完整晶界，缺陷密度很高。这些缺陷包括晶格畸变、位错、不规则排列的小平面或台阶。透射电镜中观察到的混乱晶界是由严重畸变造成的，晶界能量非常高，这种晶界大多数是非平衡态[18]。已证实的非平衡态理论是由Valiev等人在探讨晶界和位错的相互作用时提出的。细晶材料中的大量晶界都处于热力学非稳态，在外界条件适合时将会由不稳定的非稳态向稳态转变，发生晶粒长大、相变、固溶脱溶等。传统的观念认为物质的主体是晶体的有序排列，而晶体中的缺陷被认为是次要的。Gel

5、tier(德国物理学家)假设物质的主体是缺陷的情况下，这种物质的情况会是什么样子，经过研究，获得了双组元材料(晶态组元:晶界组元=1:1)，晶态组元排列是有序的，但晶界组元含有大量缺陷，有序排列被破坏，Geltier认为超细晶材料是由原子有序排列和无序界面组合而成的，纳米材料由于尺寸细小，因此它们具有大量的界面。材料界对此展开了广泛探讨，目前对超细晶材料的结构大致有三种不同理论[19]：(1)完全无序说(Geltier)，Geltier把晶粒晶界假设拥有较为开放的结构，具有随机性的排列，原子间距大，原子密度较低

6、，不论长程还是短程都是无序的。(2)有序说(Saegel)，这种理论认为超细晶晶粒晶界处的结构单元是短程有序的，晶界处原子有一定的有序度，局部能量的最低状态是通过阶梯式移动实现的。(3)有序无序说(叶恒强、吴希俊)，这种理论认为超细晶晶界受到多因素的制约，如晶粒取向等，具有不确定性，在有序和无序之间转换。1.4晶粒细化的方法近年来，为了得到具有优良力学性能或具有高速、低温超塑性特性材料为目的的材料组织超细化研究十分活跃。其中制备块体纳米和超细晶材料的大塑性变形法(SPD法)，被国际材料界公认为是最有前途的方法之

7、一[20]。制备超细晶材料的方法有很多，任何只要能制备出超细晶多晶体的方法在理论上都是可行的，如果制备过程中有相变发生，则需要在相形成过程中增大形核率。到现在为止，制备超细晶的方法数量众多，主要包括：粉末冶金、机械合金化、物理气相沉积、循环热处理、电沉积、SPD、热机械处理法[21-27]等，其中的SPD方法能够制备出较大块材料并且工艺相对简单、成本低廉而引起科学家的重视。SPD法是通过在常温下对材料进行强烈塑性变形，当变形量累计到足够大时，就可能获得超细晶材料。传统的超细晶材料制备方法由于过程复杂、成本高、数

8、量和体积有限等缺点，因此实验室只能制备少量样品用于科学研究。机械合金化制备超细晶材料的方法，在纳米粉体的加压成型过程中会遇到纳米粉体形成团簇和细小晶粒长大的问题。并且这些难题在传统方法制备超细晶材料是无法回避且难以解决的。第2章实验材料和方法2.1实验材料本课题研究采用的材料是由哈尔滨东轻铝业有限公司生产的1050工业纯铝热轧板，热轧板的厚度为13.5mm，其化学成分如下表2-1。2.