材料特种制备新技术

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1、人卿•性变形技术(SPD)制备超细晶材料的研究现状1前言随着现代工业和科学技术的发展，不断提高钢铁和有色金属材料的综合性能，减少结构件口重，已成为制造业亟待解决的问题。根据经典的HallPetch关系，金属材料的强度与其晶粒大小成反比。因此，晶粒细化作为捉高金属材料强度的冇效方法之一，获得了广泛关注。近年，超细晶(包括亚微米级和纳米级)金属材料更是由丁•其表现出的一系列有别于传统材料的优异的物理、力学和成形性能而引起了科学家们的广泛关注⑴。大塑性变形是一种有效的制备超细晶乃至纳米晶结构材料的方法，己广泛应川于各种金属材料的制备屮，不仅改善了其他超细晶材料制备

2、方法存在的问题，同时拓宽了传统缈•性加工技术的应用领域，使传统材料的性能获得人幅度的提高与改善；SPD材料表现出优良的力学性能、独特的物理和化学性能、优异的超犁性，这在实际应用屮是极具吸弓f力的，并使其越来越受到人们的重视。冃前，通过SPD法取得了纯金属、合金、钢、金属问化合物和复合材料等的超细晶或纳米结构，并在实际应用中不断得到认町，如采用ECAP制备获得的钛合金螺钉已应川于汽车及航天工业，这些零件可以满足高强度、高韧性、高疲劳性能的要求,从而不仅延长零件的使用寿命，并町节约资源，降低成本，实现对持续发展。2超细晶体金属材料的制备方法大体积超细晶金属材料的

3、制备方法主要可以分为两类。第一类，是把用不同技术制得的原子、分了、离子或纳米颗粒等超微粉体进行致密化。超微粉体的制备方法主要冇怡性气氛中的气相冷凝法、电沉积以及高能球磨法等。这类方法虽然是多数超细品材料组织和性能研究的基础，但这些方法在发展屮还存在一些难以解决的问题，如致密化后的残留孔洞、制粉或粉体团聚过程中的污染、所获试样的儿何尺寸增人和这些方法的工业应用等。第二类，是对现有粗晶材料进行剧烈塑性变形,使其获得稳定的超细晶组织，即剧烈塑性变形ti(SeverePlasticDeformation,SPD)。SPD法具有许多独特的优点，如不存在超微粉体的制备过

4、程，不易引入杂质；适用范围宽,可以制备大体积无残留孔洞试样，并且具有工业应用的可能性。基于笫二类方法的这些独特优点，笫一类方法存在的问题，可以由第二类方法予以解决。大塑性变形技术简称(SPD)具冇强烈的晶粒细化能力问以直接将材料的内部组织细化到亚微米乃至纳米级，已被国际材料学界公认为是制备块体纳米品粒伏小JHOOnm)和超细晶材料(晶粒大小为lOOnm-lpm)的最冇前途的方法，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H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，以提高零件的牛

5、产效率和开拓难变形材料如镁合金等的加匸制备新途径。众所周知，在低温情况下采用大的形变，如冷轧或冷拔，可极大地细化金属组纵但用这种方法难以使晶粒细化到超细晶，并且所获得的组织一般为网状位错结构式亚结构，其晶界是小角度混乱収向。但纳米组织应是主要含有大角度品界颗粒型的超微品组纵因此採用SPD法制备大体积超细品材料必须满足以下要求。(1)能够在材料内部获得具有大角度晶界的超细晶结构。只有这样，材料的性能才能出现质的变化。(2)整个试样中的超细晶结构应该是均匀的，这是获得稳定性能的必要条件。(3)试样虽然经历了剧烈的塑性变形，但是试样不应有机械损伤或裂纹。在这一原则

6、的指导下，大塑性变形工艺得到了迅猛发展；等通道转角挤压(ECAE),扭转(HPT),循环挤压(CE)或往复挤压(CEC),人挤压比挤压(HRE),累积轧制(ARB),快速凝同加粉末冶金等。应用人塑性变形技术，已经成功地制备了纯金属、合金、钢、金属间化合物、陶瓷基复合材料、金属基复合材料、半导体等的细晶材料。3现有的SPD法及其制备原理3.1等通道转角挤压(ECAE)等通道转角挤压是一种通过对块体材料施加剧烈的塑性形变总接细化其内部组织，制备具有人角度晶界的块体纳米材料的方法。这一方法可使材料在册性变形时不改变试样断面,因而它建立了重复形变的可能性。目前，等通

7、道转角挤压技术已经成为剧劇性成形技术屮发展最为快速的技术z—,已被用于制备超细晶甚至纳米晶块体材料中。其原理是将试样在一定挤压力下通过两个轴线相交且截而尺寸相等并成一定角度的通道，将试样在一定挤压力下发工纯剪切变形，进而达到细化品粒的目的，等通道转角示意图如图1所示。试样经IV道次挤压变形后其累积等效理论应变量为f2cot(0/2+69/2)+cocosec(ii//2+co/2)]刊一-—1式中：屮为模具内角；co为模具外角；n为挤压道次。当屮=90°C时，(o=0,n=l时，从式⑴可知，其累积应变£=1」5,经n道次变形后，其累积应变为各。等通道转角挤压

8、变形细化组织时，挤压路径和挤压道次是试样变形过程中的