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1.3 层错能在剧烈剪切变形时对晶粒细化的影响
基于等通道角挤压晶粒细化技术, 研究不同材料在相同工艺条件下为什么其晶粒演化过程会出现较大的差异, 提出晶体结构与层错能在等通道角挤压过程中的剧烈剪切变形对纳米/ 超细晶粒组织塑性变形及晶粒细化机制的影响。试验采用中低层错能的面心立方晶格纯铜和中高层错能的体心立方晶格中碳钢作为试验材料, 挤压工艺采用冷挤压和B c 工艺路径。试验结果表明, 中高层错能的体心立方晶格金属是以交滑移和位错分割方式使晶粒细化; 中低层错能的面心立方晶格金属是以位错分割和孪生方式使晶粒细化。金属层错能越高, 剧烈剪切变形时交滑移作用越大, 晶粒细化的速度也越快。体心立方结构的钢在等通道角挤压四道次后可获得均匀的纳湘超细晶粒组织, 而面心立方结构的铜挤压八道次后才可获得均匀的超细晶粒组织。
细化晶粒是改善内部结构、提高材料服役性能最有效的途径。传统的晶粒细化处理工艺虽可成功地将晶粒细化到10μm的数量级, 但很难进一步将其细化到1 μm以下, 于是提出了各种新的晶粒细化工艺, 其中等通道角挤压工艺(Equal-channelangular extrusion/pressing,ECAE/ECAP) 是目前被业化应用前景的技术之一。其工作原理是具有相同挤压时, 与通道形状一致, 且配合、润滑良好的试样放入其中一个通道, 在压力作用下, 试样从另一个通道挤出, 试样在经过通道的转角处产生强烈纯剪切变形。等通道角挤压工艺的特点是在不改变材料形状和断面的条件下, 可使材料连续不断地产生剧烈剪切变形, 以获得亚微米级甚至纳米级材料, 来提高材料的综合性能。
迄今为止, 对于ECAP 文献记录的研究都集中在fee金属上, 例如铝和铜及其合金, 对于钢的研究也仅限于低碳钢[2, 8-10] , 国内对于ECAP 的研究也大多集中在数值模拟及仿真上, 对于在相同模具中挤压不同的材料即在相同的变形程度条件下, 为什么有的材料晶粒细化速度快, 有的材料晶粒细化速度慢, 到目前为止还没有相关报道。在ECAP过程中, 晶粒演化机制与材料的晶格类型、晶格层错能、加工工艺参数等有很大的关系。本文通过试验, 力图从晶格层错能的角度阐述为什么不同材料会有不同的晶粒细化速度。试验选用工业最常用的中碳钢(即两相组织)作为bee 研究材料, 紫铜作为fee 研究材料, 在相同的工艺条件下, 分析由于层错能的原因, 而导致了变形机制的变化, 从而影响了组织演化过程和晶粒细化速度, 为工艺研究提供理论依据。
1.3.1 中、低层错能纯铜材料在ECAP中的组织演化
图1列出了纯铜经ECAP二、三、四、八、十四道次后的显微组织演化过程的SEM照片。试样经过一道次ECAP后，原始的等轴晶粒组织被拉长，形成织构组织，部分晶粒内出现了大量的滑移带，在纯剪切作用下，各晶粒内部的滑移方向有所不同。当采用Bc路径进行以后各道次挤压时，试样要向同一个方向旋转90°，此道次的剪切方向就与前一道次的剪切方向相交90°，使前一道次所形成滑移带与本道次产生的滑移带发生了交互作用。由于纯铜的层错能较低，有相当大的部分位错分解为层错，这些层错不能产生交滑移，使得位错运动限制在一定的滑移面上，导致位错在滑移面上排列，构成位错林，位错林与位错林交割形成位错网，呈现出如图1a、1b所示的位错带在一定区域里相互平行的形貌。随位错密度的增加，滑移变得愈来越困难，此时会在局部产生应力集中，诱发形变孪生，出现了孪生与位错滑移共同协调的变形机制。在位错分割与孪生分割的共同作用下，三道次后，分割的滑移林局部破裂，形成亚晶（图1b），ECAP四道次后，一个完整的、尺寸为40—60μm的晶粒会完全破碎，如图1c所示，形成具有大角度晶界的细小晶粒，晶粒尺寸约为1μm左右。随后各道次ECAP时，晶粒演化机制与前几道相似，只是这些细小晶粒内存有大量位错，位错运动受到晶界的阻碍，滑移变得更加困难，会在晶界的两边停留下来。当切应力达到一定值时，晶界另一侧相邻晶粒中的位错开动，并在晶界处与异号位错反应，使晶界厚度增加，在晶内位错移动的同时会更多地发生晶粒转动，使应力集中得到松弛。因此，四道次ECAP后，晶粒细化的速度会大大地降低。图1d、1e所示分别为ECAP八道次、十四道次的显微组织照片，其晶粒尺寸分别约为0.5μm和0.3μm。