道路转角挤压材料发展

与传统材料相比，超细晶（亚微米和纳米晶组织）材料具有良好的物理性能，优异的力学性能，如高的强度与塑性的匹配，以及相对较低温度下的高应变速率加工超塑性［1－6］。特别是在电子工业中的应用开发受到人们广泛的关注，已成为当前材料领域研究的热点之一。目前人们把相当大的兴趣放在用大塑性变形（Severe　Plastic　Deformation—SPD）方法加工金属材料的潜力上。SPD就是给材料施加大的塑性变形，通过强烈剪切变形过程，使得位错密度剧增并重排，晶粒破碎、扭转，再经过回复和再结晶，从而得到均匀的超细晶粒，晶粒尺度达到亚微米甚至纳米级别。与传统热机械处理方法相比，SPD方法能够得到更小的晶粒尺寸。SPD主要包括球磨法、高压扭转（High　Pressure　Torsion，HPT）法、轧制、辊压、等通道转角挤压（Equal　Channel　Angular　Pressing，ECAP）法，以及表面纳米化方法等。同其他方法相比，ECAP具有以下的优点：避免了球磨研磨过程中带入的异物杂质，且不存在超细微粉冷压合成制备超细晶材料中的微空隙［1，3－4］，可有效制备三维大尺寸致密超细晶块体材料；由于挤压变形过程中不改变材料的横截面形状与面积，所以工作压力较低，可实现大应变条件下材料的反复定向、均匀剪切变形，获得均匀的超细晶组织。目前，许多学者利用该方法对金属材料进行了大量的组织性能试验研究［1－3，5］，以及计算机数值模拟等工作。笔者结合近年来金属材料等通道转角挤压的研究状况，介绍了等通道转角挤压的技术原理、工艺路线对晶粒细化的影响以及ECAP材料的显微组织特性和性能特点。

1　ECAP技术原理及其发展

ECAP是Segal于1972年提出的一种在材料中施加大的塑性剪切应变得到亚微米、纳米组织，以提高材料性能的一种加工方法。从20世纪90年代开始，由于人们对超细晶材料和纳米材料的广泛关注，ECAP方法得到广泛的研究和应用。ECAP工艺是把良好的坯料，放到截面尺寸相同的2个相交的通道中去，通过施加压力把坯料从一个通道挤压到另一个通道，直至挤出坯料。试样在通过转角的地方发生纯剪切变形，剧烈变形产生高密度位错，位错重排形成亚晶界分割原始晶粒，在通道挤出过程中，高的形变储能促使亚晶界向大角度晶界转化，生成微细晶粒得到亚微米或纳米级的材料，从而提高材料的性能。在挤压过程中，出入通道试样的截面形状和尺寸基本不变，可以重复操作，应用合适的应变量来获得优异的组织晶粒细化效果。ECAP方法的原理如图1（a）［6］所示。ECAP模具由2个截面均为A、以Φ（Φ＝2φ）角相交的通道构成，压力P与应变增量Δε均与通道夹角和材料变形抗力有关：两通道的内交角Ф＝90°时，一次挤压应变最大。且在原料不经旋转的多道次挤压条件下，随着挤压道次N的增加，累计应变增量和单道次应变增基于ECAP，还开发了S型等通道转角挤压（即S－ECAP法）以及双等通道转角挤压。S－ECAP［8］法是在等径通道内设置2个大小相同、方向相反的侧向挤压角θ，棒材通过第1个侧向挤压角经剪切变形而倾斜，再经第2个侧向挤压角恢复为与原始棒材方向一致，以此累积高的剪切变形。双等通道转角挤压法［9］是2次挤压之间工件没有旋转，其与S－ECAP的区别在于第2次侧向挤压是在第1次的基础上沿原挤压角继续剪切变形，从而获得很大的塑性变形量。

2　ECAP材料的组织性能

2．1　ECAP对材料组织的影响ZHANG　Jing等［10］研究了纯铝在ECAP挤压过程的微观组织演变，经过一次挤压变形后，部分原始晶界沿剪切变形方向伸直，等轴晶粒经剪切变形后以片层结构沿特定剪切方向排列，晶粒内部可观察到大量尺寸约1μm的亚晶。随挤压次数的增加，亚晶尺寸分布的均匀性增加，且亚晶形貌趋于等轴状，在4道次之后，亚晶择优取向逐渐消失。YANGXi－rong等［11］研究了纯钛经过4道次ECAP工艺，原始晶粒尺寸由28μm细化到250nm，在伸长率不同的同时，强度显著提升。杨钢等［12－13］研究了Twip钢和304奥氏体不锈钢经过ECAP后组织特征，304奥氏体不锈钢在ECAP过程发生形变诱导马氏体相变，新相α′在原始粗大奥氏体晶粒的形变孪晶或ε相富集处形核，相变遵循K－S关系。而Twip钢ECAP变形过程在原始粗大的5～20μm退火孪晶组织中产生细小的10～35nm的形变孪晶，因形变孪晶的相互交割以及位错在形变孪晶界的大量塞积而产生很高的加工硬化率，抗拉强度从585MPa增至810MPa，而伸长率由80．5％显著下降为3．5％。再分别经过850和1　000℃退火，形变孪晶长大至1～5或8～32μm，并获得更为优异的综合力学性能。ECAP工艺有A、Ba、Bc和C等加工路径，定义路径A为在每次重复操作中工件不旋转地放入通道中，定义路径Ba为在每次重复操作中工件按顺时针、逆时针交替旋转90°，定义路径Bc为在每次重复操作中工件按顺时针方向旋转90°，定义路径C为在每次重复操作中工件旋转180°。ECAP加工路径对显微组织有很大的影响。高纯铝经A、B和C等不同挤压路线挤压后，亚晶尺寸均可细化至0．4～0．5μm。路线B变形过程中剪切面与方向多，有利于形成等轴晶结构，其中路径Bc还有助于消除挤压一次后形成的拉长纤维状组织，促进亚微米尺寸晶粒结构的形成。对于面心立方金属，其滑移面｛111｝之间夹角为70．5°，在各种挤压路径中，相邻挤压道次的剪切面交角越接近70．5°，则细化效果越明显［14］。经过ECAP多道次挤压后，由于金属累积变形量大，形变储能高，导致再结晶临界温度降低，即在相对较低温度下即可发生再结晶，从而细化其组织［15］。如纯铜经路线Bc在室温下挤压8道次后，在120℃恒温退火，即可发生静态再结晶。高纯铝经过多次挤压后，在室温下即可发生再结晶，而金属铝常规变形后的静态再结晶温度约300℃。

2．2　ECAP对材料性能的影响随着挤压道次的增加，高纯铝硬度和强度提高，尤以第1次挤压后增量最为明显，随着挤压道次进一步增加，硬度和抗压强度增幅趋势减缓，当累积真应变超过3～4后，硬度趋于饱和或略有下降［16］。经ECAP挤压与适当热处理后，7050和2224铝合金力学性能显著提高，7050合金抗拉强度可达到616MPa，伸长率为17％，2224合金的抗拉强度可达到618MPa，伸长率为12％［17］。纯铜经ECAP后具有高的屈服强度，挤压温度越高，试样硬度和屈服强度越低，如纯铜经路线Bc分别在室温和100℃下挤压8道后，其硬度分别为140和128kg／mm2，屈服强度分别为380．2和350．6MPa［18］。经上述两种工艺制备的超细晶铜合金在阶梯升温和等温退火的低温热处理过程中，随温度上升或时间延长，都会出现硬度的下降。随退火时间的增加，室温挤压试样屈服强度降低，而塑性提高。这是由于纯铜经ECAP后，所产生的大角度晶界分布不均匀，且纯铜的层错能低，位错不易发生交滑移和攀移，从而使得回复过程软化程度不足，不能使材料释放内部过高的形变储能，所以在低温等温退火过程，通过静态再结晶来消除剧烈的加工硬化，从而造成屈服强度降低和塑性改善。LIU　Zu－yan［19］等人用有限元对S型等通道以及变通道挤压进行了有限元模拟，其变通道挤压的原理示意图见图2，变通道挤压的变形压力比普通S型等通道挤压的压力大，但是它有利于低塑性材料的塑性加工。

3　ECAP工艺的应用和展望

ECAP通过强烈的剪切塑性变形可获得大的累积应变量，从而获得超细晶组织，同时，通过改变ECAP的加工路径，可以获得具有不同晶粒形状的组织结构，从而改善其各种性能。目前，ECAP工艺的主要研究和应用的领域有如下几方面［20］。1）扩大超塑性材料的应用范围，尤其是改善其获得超塑性的变形温度和应变速率范围。大部分超塑性材料均要求有较高的变形温度和很低的应变速率。通过ECAP方法可以降低得到超塑性的工作温度，如Cu－Zn－Sn合金的低温超塑性［21］；可以得到较高应变速率下的超塑性，如Al－3Mg－0．2Se合金，晶粒可细化至0．2μm，在温度为400℃应变速率0．001s－1下伸长率可超过1　000％，应变速率敏感因子0．3［22］，Al－5．5Mg－2．2Li－0．12Zr原始晶粒0．8μm，在400℃应变速率1s－1下伸长率可达950％，同时仍然具有良好的热稳定性［23］。超塑性成型对于复杂零件加工具有独特的优势，但高的变形温度和低的应变速率限制其在工业中的应用。通过ECAP工艺，使得部分材料在有较高应变速率和相对较低的变形温度下仍然能够具有超塑性特性，从而有利于超塑性成型在工业领域的广泛的应用。2）提高材料的强度及低温韧性。Al、Mg以及钛合金等材料通过ECAP工艺操作后，其强度可以提高1倍左右。同时在一定程度上提高了材料的韧性，改善了可加工性。对于晶体结构为hcp的Mg、Ti及其合金，必须在一定的温度下进行ECAP操作，否则会出现试样断裂的现象，因而限制了细化晶粒提高强度的作用。Vladimir等［24］研究采用ECAP结合其他细化晶粒的加工方法，如ECAP＋挤压法等，通过多种变形工艺的复合，使得难变形金属材料在相对较高温度下变形仍然可以获得细晶组织，从而改善了难变形材料的性能，尤其是加工成形性能，这对于拓宽hcp结构的Mg、Ti及其合金等塑性较差材料的应用范围是很有利的。此外，对于结构金属材料，如先进汽车用双相钢（Dual　phasesteel，DP钢），Sona等人［25］采用ECAP将双相组织中铁素体基体从19μm细化至1μm，马氏体也从9μm细化至1μm，相应的抗拉强度从840MPa提升至978～1　044MPa，且在强度明显上升的同时，伸长率并未下降而是略有升高，并还保留了低的屈强比特征和显著的初始加工硬化率，也就是说，超细晶粒双相钢能够具有明显优于常规组织的强度和塑性的匹配和能量吸收性，这也可为高碰撞能量吸收性汽车零件制造提供了一种有效方法。3）ECAP工艺可以提高材料的疲劳特性。通过S－N曲线观察，0．2μm超细晶铜在所有应力范围内的疲劳寿命均高于35μm粗晶铜；0．3μm超细晶Al－Mg合金的疲劳极限与退火态35μm粗晶组织相比没有提高，但高应力区的疲劳寿命大幅提高；0．3μm超细晶钛与35μm粗晶钛相比，其疲劳极限从238MPa提高到380MPa，相当于粗晶钛的屈服强度，故疲劳寿命的提高是非常显著的。

4结论

ECAP工艺可以获得均匀的超细晶材料，从而使其具有优异的综合性能。通过合理的模具参数设计和变形路径选择，等通道转角挤压工艺在超塑性材料制备、难变形金属材料成形和高疲劳特性材料加工等领域有很大的应用价值。而对于钢铁材料，尤其是先进汽车用钢中DP钢乃至TWIP钢等高能量吸收材料的成形与加工也有较广的应用前景。