高强度超细晶金属材料塑性行为及增塑研究进展

强度和塑性是金属结构材料最重要的力学性能指标,金属高性能化的关键是在高强度水平下保证良好的塑性,然而两者往往不能兼顾。在众多强化方法中,晶粒细化长期以来被认为是强化金属最理想的手段,在传统晶粒尺寸范围,细化晶粒既可以显著提高材料的强度,又能改善材料的塑韧性。因此,近几十年来超细晶/纳米晶金属得到了广泛研究和发展,出现了以大塑性变形(SPD)、先进形变热处理(ATMP)技术为代表的超细晶制备方法,所得晶粒可以细化到亚微米或纳米尺度,金属性能大大提高。然而,大量研究证实当晶粒细化到亚微米或纳米尺度时金属强度提高但塑性显著下降,与传统的细晶强化规律不符。对此,国内外学者进行了很多研究,试图阐明其机理、揭示晶粒超细化导致塑性降低的物理本质。此外,由于细化晶粒方法受到塑性的限制,新的高强度水平下增强塑性的方法成为钢铁材料高性能化的研究热点。针对塑性下降的事实,为了进一步提高超细晶金属材料性能,研究者开展了许多增强塑性的工作,获得了较好的效果,但仍存在一些不足。关于金属晶粒超细化导致塑性降低的普遍共性现象,目前广泛认可的理论主要有晶界捕获(吸收)位错的动态回复理论、位错运动湮灭理论、高初始位错密度以及位错源缺失机制等。前三者都主要关注超细晶金属材料低(无)加工硬化能力,并将其归结为延伸率降低所致。主要是因为低(无)加工硬化使材料在变形早期发生塑性失稳或局部变形从而表现出低塑性。超细晶金属增塑研究主要体现在增塑方法和机理方面,目前,增塑方法主要有(1)形成纳米孪晶;(2)获得粗晶-细晶双峰组织;(3)利用相变诱发塑性/孪生诱发塑性(TRIP/TWIP)效应;(4)引入铁素体软相;(5)利用纳米第二相粒子等。这些增塑方法的主要机理是利用组织结构的改变提高超细晶金属的加工硬化能力以维持良好的均匀塑性变形以及利用组织相变提高塑性。本文归纳了常用的超细晶金属制备方法,综述了超细晶金属材料塑性降低的研究进展,总结了超细晶金属增塑的研究结果,分析了目前研究中存在的不足,探讨了超细晶金属增强增塑的发展趋势,以期为超细晶金属塑性降低理论及增强增塑研究提供参考。     

镁合金搅拌摩擦加工技术的研究进展

大塑性变形是在块体金属变形过程中引入极大的应变量,能在有效细化金属晶粒的同时显著提高材料的强度与塑性。搅拌摩擦加工作为一种新型大塑性变形加工技术,在镁合金微观结构改性、细晶超塑性合金制备和镁基材料高性能化等方面有良好的应用前景。鉴于当前高性能镁合金的发展需求,对搅拌摩擦加工的技术特点、镁基材料加工后的显微组织及力学性能等方面的研究进展做了较详尽的综述,并展望了其工业应用前景。     

累积叠轧工艺对AZ31镁合金板材组织和性能的影响

采用累积叠轧工艺对AZ31 镁合金薄板进行剧塑性变形,研究了累积叠轧变形过程中镁合金板材的组织及性能演变.实验结果表明,累积叠轧可以有效细化AZ31镁合金板材的晶粒组织,显著改善室温延伸率,是制备大尺寸、高性能细晶镁合金板材的一种有效、经济而且可以实现工业化生产的技术.累积叠轧5道次后AZ31镁合金板材组织均匀,晶粒尺寸为1～2μm左右,晶粒细化源于大的累积变形及表面剪切变形;室温抗拉强度和延伸率可达到349MPa和22.46%,可归因于晶粒细化对镁合金强度和塑性的改善.累积叠轧板材的道次间的加热使ARB组织粗化,减小了累积叠轧过程中晶粒持续细化的效果.     

细化晶粒对钛合金超塑性的影响

钛合金是一种重要的结构材料,晶粒尺寸对其超塑性能有着显著的影响,细晶或超细晶是钛合金在低温或高应变速率条件下获得优异超塑性性能的重要组织条件.概述了国内外钛合金细晶超塑性技术的研究进展,介绍了目前常用的制备细晶钛合金的方法(如大塑性变形法及氢处理技术)及其超塑性性能,展望了钛合金细晶超塑性技术未来的发展趋势.通过晶粒的细化,钛合金超塑性能及成形效率得到了极大提高,有利于实际生产中降低工具损耗和生产成本,为钛合金超塑成形技术的进一步推广和应用奠定了基础.     

预时效对变形镁合金组织与力学性能的影响

与铸造镁合金相比,变形镁合金可获得更高的强度、更好的延展性以及更多样化的力学性能,从而满足多样化镁合金结构件的应用需求.但由于变形镁合金绝对强度低、塑性变形能力差,其应用范围受到了极大的限制.近期研究发现,对变形镁合金进行预时效处理能够显著提高合金的综合力学性能,因此总结和归纳预时效对变形镁合金的影响具有重要的理论参考价值和实践指导意义.预时效是在塑性加工前进行时效处理的一种时效方法,预时效处理可通过欠时效、峰值时效和过时效等工艺调控析出相的大小、形状、分布和位向,析出相在后续的加工变形过程中具有改善材料组织与性能的重要作用.预时效提供的析出相,在后续塑性加工变形过程中为动态再结晶提供形核核心,促进动态再结晶,细化晶粒,激活非基面滑移,弱化基面织构,且晶界析出相可显著抑制晶粒长大,有效阻碍位错运动,也可使位错累积增多,小角度晶界增多.此外,增加析出相含量能减小晶粒尺寸,抑制{1012}拉伸孪晶的形核和长大,增加{1011}压缩孪晶和{1011}-{1012}双孪晶含量,这些孪晶增加了动态再结晶的形核核心,改变了晶粒取向,进而大幅提高了合金的强度、屈服应力和峰值应力,同时也保证了合金的延展性,极大地改善了镁合金的综合力学性能.本文针对Mg-Al系、Mg-Zn系、Mg-Sn系和Mg-RE系等四系合金,总结分析了预时效对变形镁合金组织与性能的影响,着重从压缩、拉伸、挤压和轧制等变形工艺角度进行综述,为制备综合力学性能优良的镁合金提供参考.此外,本文指出了预时效变形镁合金在未来的发展动态和研究重点.     

变形镁合金晶粒细化及热处理后的组织和性能

通过变形方法细化晶粒提高镁合金塑性.大挤压比(100:1)可获得细晶镁合金挤压薄板,其晶粒尺寸为2.5-12.5μm;大挤压比+轧制确保合金获得平均晶粒尺寸小于5μm的细晶镁合金薄板.通过优化再结晶退火制度使合金具有最佳的组织结构和良好的力学性能.在523K保温20min后细晶(晶粒尺寸小于12.5μm)镁合金板材具有良好的热拉深性能,能成功拉深出质量完好的筒形件,而晶粒尺寸大于25μm,出现不良的热拉深现象.     

连续变断面循环挤压与等通道转角挤压技术的工艺特征及其应用

分别论述了等通道转角挤压法与连续变断面循环挤压法这两种大塑性变形方法的工艺原理、工艺流程、模具结构、变形特征以及累积应变量与模具结构参数之间的关系;并系统介绍了这两种方法在制备纯铝、镁合金及钛合金细晶材料方面的应用,明确了连续变断面循环挤压法与等通道转角挤压法均是细化合金组织,提高材料强度、塑性等综合性能的有效途径。通过分析对比,提出这两种大塑性变形方法各自的优势和存在的问题,以及未来的发展方向。     

等通道转角挤压制备超细晶材料的研究与发展

等通道转角挤压(Equal channel angular pressing,ECAP)是大塑性变形制备超细晶材料的方法之一,具有大晶粒尺寸的材料可以在室温下挤压达到超细晶尺度。从ECAP模具参数、工艺条件影响因素、模具及制备方法改进、细化机理、制备的超细晶材料组织稳定性及性能方面进行总结,并结合部分研究结果可知,ECAP模具正在不断被优化和改进,复合挤压技术不断出现,目前已实现超细晶材料的连续ECAP挤压制备技术。等通道转角挤压的晶粒细化主要是由于剪切力的作用和第二相粒子的作用,ECAP晶粒细化机理及组合工艺的研究是目前研究的热点。超细晶材料在不同领域的应用对其性能提出的更高要求,对其大塑性变形制备技术本身也是挑战。     

大塑性变形制备超细晶/纳米晶Al-Mg铝合金的研究进展

近年来,大塑性变形(SPD)制备具有先进结构和功能的超细晶和纳米晶Al-Mg铝合金的研究取得了很大进展。SPD后,合金的晶粒显著细化、位错密度提高及有非平衡晶界和晶界偏析形成,这些微观结构导致合金的强度、硬度大幅提高。然而,SPD合金的塑性普遍较低。综述了SPD制备的Al-Mg铝合金在结构和性能方面的一些最新研究成果。     

准晶相增强高性能镁合金的研究进展

综述了准晶相增强镁合金的制备方法,以及准晶相增强Mg-Zn-Y、Mg-Zn-Al的微观组织和性能特点,介绍了准晶相增强镁合金在国内外的研究及应用进展状况.已有的研究结果表明,钱合金中准晶相的存在对提高合金的室温和高温强度、改善合金塑性有明显作用.     

热轧工艺对AZ31镁合金组织和性能的影响

目的研究大变形量热轧、累积叠轧和普通热轧3种不同加工工艺及后续热处理对AZ31镁合金的组织及室温力学性能的影响。方法将均匀化处理后的AZ31原始样品采用大变形热轧、累积叠轧和普通热轧3种不同加工工艺制备成板材,并进行了后续热处理。利用EBSD技术和力学性能测试,解释了其组织和性能的关系。结果剧烈塑性变形工艺及适宜的热处理工艺,可使AZ31镁合金保持高强度的同时还可兼顾优良的室温延伸率。大变形量热轧工艺制备的AZ31镁合金板材的细晶组织及室温拉伸性能,可与累积叠轧等传统剧烈塑性变形工艺相媲美,屈服强度达到289 MPa,延伸率为7%。结论与普通热轧工艺制得的AZ31镁合金板材相比,大变形量热轧工艺及累积叠轧工艺制得的板材具有更高的强度和塑性。剧烈塑性变形镁合金在低温退火后获得的混晶组织,具有优良的综合力学性能,强度比形变态样品略低,而塑性与完全退火样品相同甚至更好。     

超高强韧Mg-Gd-Y-Zn-Zr变形镁合金研究进展

超高强韧镁合金的研发对推广镁合金在高技术领域的应用具有重要意义。镁与稀土均是我国的优势资源,因此在我国发展超高强韧稀土镁合金具有得天独厚的优势,其中Mg-Gd-Y-Zn-Zr系变形镁合金因其接近高强铝合金的超高强度和塑性,近年来受到研究者的广泛关注。综述了超高强韧Mg-Gd-Y-Zn-Zr系变形镁合金的合金成分、常规塑性变形工艺、新型剧烈塑性变形工艺和热处理工艺对该合金显微组织和力学性能的影响规律,以及该超高强韧变形镁合金的显微组织特征和强韧化机理。T5峰时效态超高强韧Mg-8.2Gd-3.8Y-1Zn-0.4Zr(质量分数)挤压合金具有双峰分布的晶粒尺寸“软-硬”复合层片微结构,以及由高密度的基面γ′纳米片状析出相和棱柱面β′纳米析出相形成的近连续网状结构,该挤压合金室温拉伸屈服强度、拉伸强度和断裂延伸率分别为466 MPa、514 MPa和14.5%。介绍了哈尔滨工业大学等单位在超高强韧Mg-Gd-Y-Zn-Zr系变形镁合金的规模化制备和应用方面的研究进展,并展望了Mg-Gd-Y-Zn-Zr系变形镁合金的发展趋势。     

ECAE技术在镁合金加工中的应用

镁合金是密排六方结构的金属,在室温下滑移系少,冷加工性能不好,所以目前大多数镁合金制品都是铸件.为了提高加工的塑性,可在镁中加入锂来改变其晶体结构,或添加锆等元素细化晶粒.但这些方法限定了合金的组成,对提高镁的加工性很有限.如果通过加工热处理来细化晶粒提高加工塑性,则合金组成就不受限制.另外,镁具有较大的泰勒因子,通过晶粒细化,不仅能提高加工的塑性,亦有可能提高其强度.最近,通过细化晶粒提高镁合金强度和超塑性的报告多起来,特别引人注目的是以ECAE(等通道折角挤压)方法为代表的强应变加工晶粒细化法.     

纳米高强钢铁材料增塑研究进展

钢铁是制造业以及结构应用的主要材料,这很大程度上是因为它们拥有良好的强度与塑性,且价格低廉.材料工程界一直在不停研究更优越的强度和塑性相结合的材料.具有纳米晶/超细晶结构的纳米钢铁材料显示出优异的力学性能,例如卓越的硬度和强度,作为高强钢应用非常有吸引力.然而,超强纳米钢铁材料通常在环境温度下具有低塑性,这极大地限制了它们的应用.由于晶粒细化方法提高强度受到塑性的限制,新的高强度水平下增强塑性的方法成为钢铁材料高性能化的研究热点.为了提高超细晶/纳米晶钢铁材料的塑性,考虑通过调整微观组织结构来提高其加工硬化能力.通过对已经报道的同时具有高强度和良好塑性的纳米结构钢铁材料的实验数据、组织结构的归纳,总结了优化纳米高强钢铁材料塑性的三种基本方法:纳米第二相、微纳复合结构和多相不均匀复合结构.这些增塑方法的主要机理是利用组织结构的改变提高超细晶金属的加工硬化能力以维持其良好的均匀塑性变形,以及利用组织相变提高金属的塑性.这些不均匀纳米结构类似于复合物,具有共同的材料设计和力学原理.本文归纳了钢铁材料常用的强化方法,综述了纳米/超细晶高强钢铁材料提高塑性的方法,尤其是通过突出介绍一些新颖的纳米结构设计来实现钢铁材料的高强高塑,总结了高强高塑纳米钢铁材料的变形机制,以期为纳米晶金属增强塑性研究提供参考.     

叠片粉末冶金制备超细晶Al-4％Cu合金的组织与性能

以纯铝、铜粉末为起始原料,采用叠片粉末冶金技术路线,通过球磨片化、复合造粒与扩散合金化,制备出了高强塑性匹配的超细晶Al-4%Cu合金。利用XRD、SEM及TEM,表征了合金相形成、演变及微观组织,并与采用球形铝粉的传统粉末冶金技术制备的Al-4%Cu合金进行了性能对比。结果表明,叠片粉末冶金能够获得拉长超细晶组织,引入的Al_2O_3纳米相使拉长晶在热变形加工过程得以保留;叠片粉末冶金所制备的Al-4%Cu合金屈服强度为378 MPa、抗拉强度达到527 MPa,分别比传统粉末冶金提高26.4%和19.2%,同时保持14.2%的延伸率,实现了强度和塑性的均衡匹配,为高强韧大块铝合金材料制备提供了新思路。     

ECAP变形与材料组织性能控制的研究

等径弯曲通道变形(ECAP)是制备超细晶材料的新工艺,其基本原理是将试样放入横截面形状完全相同、并成一定角度的弯曲通道中,试样在压力作用下通过通道时,在通道弯曲处产生一定量均匀的纯剪切变形,最终获得很高的变形量,使材料组织发生明显细化.详细介绍了ECAP变形工艺路线对晶粒细化的影响,以及ECAP变形制备超细晶材料的显微组织特征及其力学性能.     

应用等通道转角挤压(ECAP)技术制备超细晶钛合金

等通道转角挤压(equal channel angular pressing,ECAP)是一种强塑性变形技术,能有效细化材料的微观组织,提高材料性能,改善难变形材料的成形性.简述了ECAP技术制备超细晶钛合金的原理和技术现状,分析了不同工艺参数对钛合金ECAP变形过程和材料性能的影响以及晶粒细化的微观机制.     

Al、Mn元素对Mg-2.5Sn-3.5Ca合金微观组织与力学性能的影响

目的 研究Mg-Sn-Ca-Al系合金的力学性能与微观组织之间的关系,以期开发一种新型的高性能、低成本的非稀土镁合金材料。方法 在非稀土Mg-2.5Sn-3.5Ca合金中添加Al和微量Mn元素,制备出了Mg-2.5Sn-3.5Ca-xAl合金（x=1,5;分别标注为TXA341,TXA345）以及Mg-2.5Sn-3.5Ca-5Al-0.5Mn合金（标注为TXAM3450）,并对其铸态、均匀化态以及挤压态合金的微观组织与力学性能进行系统研究。结果 TXA345合金兼备高的强度和优良的塑性,其屈服强度、抗拉强度和塑性分别为~340 MPa,~350 MPa,~9.6%;TXAM3450合金表现出更高的屈服强度（~360 MPa）和抗拉强度（~375 MPa）,但是其塑性仅有~3.5%;TXA341合金的屈服强度、抗拉强度和塑性分别为~215 MPa,~298 MPa,~4.3%。高Al含量的TXA345合金表现出较高屈服强度,是由于合金内部形成了高密度的G.P.区,并直接导致其再结晶晶粒可细化至~0.8 μm。继续在TXA345合金的基础上添加微量的Mn元素,TXAM3450合金内G.P.区的析出密度继续提高,并且会伴有条带状Al2Ca微米第二相的出现,因此其屈服强度进一步升高,然而该条带状微米相在室温下的塑性较差,因此直接导致TXAM3450合金低的伸长率。结论 相关结果对于设计高强塑兼备的非稀土变形镁合金具有较好的指导意义,为非稀土镁合金在结构材料中的广泛应用提供了可能。     

准晶增强Mg-Zn-Y合金的ECAP变形组织及力学性能

镁及镁合金作为目前工业应用中最轻的结构材料之一,具有良好的应用前景,然而由于镁合金自身强度较低、抗氧化性能差以及高温抗蠕变性能差等问题,使其作为某些结构件的应用受到限制,为进一步扩大其应用,人们采用了多种方法来提高其综合力学性能.二十面体准晶相(简称Ⅰ-phase)由于其特殊的结构而具有优异的力学性能,如高强度、高硬度等,将Ⅰ-phase作为一种增强相引入到镁合金中可大大提高镁合金的力学性能,为新型镁合金的开发和实际应用提供了一种新途径.本文采用常规铸造法制备了含有粗大网状Ⅰ-phase和α-Mg两相组织的Mg-Zn-Y合金.研究了合金含量及Zn/Y比对Mg-Zn-Y合金显微组织和力学性能的影响,探讨了热处理工艺对合金中相析出行为及Ⅰ-phase热稳定性的影响.以时效处理后的Mg-Zn-Y合金为研究对象,研究了两种塑性变形工艺(常规热挤压和等径角挤压变形)对合金显微组织和力学性能的影响,并对合金的细化机制、断裂行为与强化机制进行了研究.研究结果表明,在Y含量为0.3%～2.0%(at),Zn含量为1.7%～6.0%(at)的富镁Mg-Zn-Y合金中,合金的铸态组织及相组成取决于Zn/Y比和Zn含量,Zn/Y比为6时,合金的铸态组织由α-Mg基体和晶界上富镁相与Ⅰ-phase两相共晶组织组成;在所研究的合金成分范围内,合金中Ⅰ-phase的形成及其体积分数与合金的凝固速度有关,采用快速凝固的方法得到的合金中,由于第二相的形核及长大受到抑制,形成的Ⅰ-phase的体积分数相对于常规铸造工艺下制备的合金中Ⅰ-phase的含量有所减少,同时发现,合金的极限抗拉强度和屈服强度随合金中Ⅰ-phase体积分数的增加而增加,但合金的延伸率略有降低;在400℃、24h的热处理工艺下,Mg95Zn4.3Y0.7合金基体上有球形Ⅰ-phase析出,且析出的Ⅰ-phase在随后的时效处理中表现出热稳定性;在190℃不同时效时间下合金基体中的析出相为密排六方结构的MgZn2相,其析出行为与Mg-Zn二元合金类似.Mg-Zn-Y合金的热挤压结果表明,通过挤压变形可以显著细化合金的晶粒组织,合金的晶粒大小可由变形前的40～60μm减小到8～15μm,在挤压过程中位于晶界的Ⅰ-phase被破碎并较均匀地分布在基体合金中,随着挤压比的增大和挤压温度的降低,晶粒进一步细化,Ⅰ-phase的弥散程度增加.挤压变形可以显著提高Mg-Zn-Y合金的强度、硬度和延伸率;随着挤压比的增大,合金的强度、硬度和延伸率均有所增加;在所研究的3种合金中,Mg95Zn4.3Y0.7合金在523K以25:1的挤压比挤压后,具有较高的力学性能,其极限抗拉强度为287MPa,屈服强度为203MPa,延伸率为14.1%.对于预挤压态Mg-Zn-Y合金的ECAP变形结果表明,ECAP对于预挤压态Mg-Zn-Y合金组织的细化是一个不断加强的过程,1道次ECAP变形后,在一些粗大晶粒之间分布着许多细小的晶粒,随变形道次的增加,原始粗大的晶粒消失,形成均匀细小的等轴晶粒,平均晶粒尺寸为1～3μm,同时在ECAP过程中Ⅰ-phase被破碎并呈弥散分布.ECAP变形1道次可以显著提高Mg-Zn-Y合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率,Mg95Zn4.3Y0.7合金ECAP变形1道次后力学性能指标σb=331MPa,σ0.2=223MPa,δ=19.4%.Mg-Zn-Y合金以A、BA、Bc、C等4种不同工艺路线进行8道次ECAP变形后的显微组织差异不大,均形成细小的等轴晶粒;4种工艺路线在1～8道次的变形过程中,合金的力学性能变化不同,对于路径A和BA,随着变形道次的增加,合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率变化幅度不大,对于路径BC和C,变形道次超过4次后,产生的变形织构的弱化作用导致合金的屈服强度迅速降低,但是合金仍保持较高的抗拉强度和延伸率.通过对ECAP变形过程中Mg-Zn-Y合金晶粒细化过程的分析,结合其力学性能的变化得出ECAP变形的细化机制和准晶相强化机制:ECAP对于准晶增强Mg-Zn-Y合金的细化机制主要是基体在不同变形路径下的连续剪切变形机制和准晶粒子对于基体的剪切及钉扎机制;准晶增强Mg-Zn-Y合金ECAP变形过程中存在3种强化机制:细晶强化、第二相粒子强化和位错强化,3种强化机制分别在ECAP变形的不同阶段起主导作用,在共同的强化作用下提高合金的强度.     

超细晶/纳米晶反Hall-Petch变形机制最新研究进展

晶粒细化是提高晶体材料力学性能的一种有效强化方式,Hall-Petch关系表明晶体材料的屈服强度和硬度随晶粒尺寸降低而增强.随着超细晶材料和纳米材料的深入研究,实验发现了反Hall-Petch现象,即随着晶粒尺寸的减小,材料性能下降.综述了反Hall-Petch现象中屈服强度、显微硬度及模拟现状,并指出了超细晶和纳米晶细化晶粒的研究方向.