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超細(xì)晶和納米晶材料制備技術(shù)
  發(fā)布時(shí)間:2016年01月29日 點(diǎn)擊數(shù):

技術(shù)背景

  單純依賴某一兩種強(qiáng)化機(jī)制來提升材料的綜合性能是十分有限的,將多種機(jī)制有機(jī)組合,不僅能充分挖掘材料的性能,也是材料科學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

大塑性變形( severe plastic deformation,SPD)

  在金屬的成形過程中將超大塑性應(yīng)變應(yīng)用于一定體積的金屬中以獲得超細(xì)晶材料的過程,其本質(zhì)是細(xì)晶強(qiáng)化。通過大的塑性變形使材料的位錯(cuò)密度增加,形成位錯(cuò)壁,將位錯(cuò)壁轉(zhuǎn)化為大角度晶界,從而獲得超細(xì)晶組織以及控制形成不同的織構(gòu)。該技術(shù)已經(jīng)在制備各種超細(xì)晶材料領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

發(fā)展歷史

  20 世紀(jì)70 年代初期,前蘇聯(lián)科學(xué)家Segal 教授及其合作者最早提出并研究了獲得純剪切變形的等通道轉(zhuǎn)角擠壓技術(shù),即ECAP (EqualChannel Angular Pressing) 技術(shù),將其作為制取超細(xì)晶( 亞微米晶和納米級(jí)晶粒組織) 材料的新方法在各國(guó)得到進(jìn)一步的研究和應(yīng)用.

  Valiv 等在1989 年發(fā)明了HPT( High Pressure Torsion) 技術(shù).

  Saito 等在1998 年發(fā)明了ARB( Accumulative Roll Bonding) 技術(shù).

SPD材料制備方法共同特征:

  (l) 形成了具有大角晶界的細(xì)化晶粒結(jié)構(gòu); (2) 為了保證性能的穩(wěn)定, 在整個(gè)材料內(nèi)部或材料表層形成均勻一致的納米結(jié)構(gòu); (3) 樣品經(jīng)過了很大的塑性變形, 但是不能產(chǎn)生機(jī)械損傷或裂紋。可以看出, 只有采用特殊的加載方式以及合適的時(shí)間, 在較低溫度下使常規(guī)塊體材料或其表層產(chǎn)生劇烈塑性變形才能達(dá)到上述要求。

等通道角擠壓( Equal Channel AngularExtrusion,ECAE)

  ECAE 技術(shù)是由前蘇聯(lián)科學(xué)家Vladimir Segal在1977 年提出。ECAE 是由兩個(gè)相交的等徑通道和一個(gè)沖頭組成,由于變形前后試樣的截面尺寸沒有發(fā)生變化,因而可以進(jìn)行多次擠壓變形,進(jìn)而增加累計(jì)轉(zhuǎn)角剪切應(yīng)變,具有顯著的晶粒細(xì)化和弱化織構(gòu)的效果。

循環(huán)擠壓( Cyclic Extrusion Compression,CEC)

  CEC 由Richert 和Richert 最早提出并發(fā)展起來的一種SPD 方式。CEC 模具是由上下兩個(gè)沖頭和一個(gè)圓柱形模具組成,圓柱型模具具有上下兩個(gè)等直徑d0的腔體且采用小直徑dm截面相連接,每一道次CEC 變形均包含擠壓和壓縮兩個(gè)變形階段,將試樣放入通道經(jīng)過N 次循環(huán)擠壓達(dá)到與原始試樣尺寸相同的任意的大應(yīng)變變形量,如通過15 道次變形可累計(jì)應(yīng)變高達(dá)23.5,極大的促使鎂合金發(fā)生充分的DRX,達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。

高壓扭轉(zhuǎn)( High Pressure Torsion,HPT)

  高壓扭轉(zhuǎn)( HighPressure Torsion,HPT) 是一種有效改善組織結(jié)構(gòu)的SPD 技術(shù),HPT 的工作原理如圖4所示,由一個(gè)圓盤薄板試樣放置于基體和壓頭之間,在壓頭上通過靜水壓力施加幾個(gè)GPa 的壓強(qiáng),同時(shí)基體旋轉(zhuǎn),使得試樣在基體和壓頭之間同時(shí)承受壓力和旋轉(zhuǎn)扭矩的影響而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)剪切變形,發(fā)生充分的DRX,進(jìn)而細(xì)化晶粒。

疊軋合技術(shù) (Accumulative Roll Bonding, ARB)

  日本學(xué)者Saito 等提出了一種新的制備納米結(jié)構(gòu)材料的大塑性變形方法——疊軋合技術(shù)。在ARB中,軋制件經(jīng)過多次裁剪、堆疊、軋制, 由此獲得大塑性變形,經(jīng)ARB變形的Al-Mg 合金(晶粒尺寸為280 nm)的延伸率高達(dá)220 %;IF 鋼(晶粒尺寸為420nm)的拉伸強(qiáng)度達(dá)到870 MPa,是原始材料強(qiáng)度的3倍多。此外,采用ARB 還可以制備塊體納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

技術(shù)局限性

  實(shí)際上,相比較于傳統(tǒng)加工技術(shù)與材料,盡管SPD 制備的超細(xì)晶金屬材料有較好的機(jī)械和物理性能,但其在結(jié)構(gòu)材料方面的應(yīng)用仍然很有限.原因在于: 首先,雖然有大量的學(xué)者著力于對(duì)SPD 和超細(xì)晶材料的研究,但仍然以學(xué)術(shù)研究為主,缺乏超細(xì)晶材料制備過程的工業(yè)實(shí)現(xiàn)意識(shí)。其次,超細(xì)晶材料制備往往受限于模具,制備尺寸大的( 大型) 工業(yè)零件十分困難且成本高。最后,普遍而言,SPD 方法工藝過程復(fù)雜,成本較高,目前還難以與現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)相匹配。

--本文摘自《金屬材料科學(xué)與技術(shù)》

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