等通道轉角擠壓研究現狀

摘要：等通道抓轉角擠壓（ECAP）技術是一種通過對材料進行劇烈塑性變形而獲得超細晶材料的方法，文章首先對國內外ECAP技術的發展狀況進行了介紹，接著對其變形方法、變形后的顯微組織及性能進行了總結，最后對其應用前景進行了展望。

關鍵詞：等通道轉角擠壓；塑性變形；ECAP；超細晶材料；顯微組織 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG376 文章編號：1009-2374（2015）24-0031-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.015

近幾十年來，通過劇烈塑性變形制備亞微米和納米級超細晶材料，改善材料的物理性能和綜合機械性能的方法得到了廣泛的研究和關注。在金屬的塑性變形過程中，晶粒會發生變形和破碎，大量晶粒具有某些晶向上的擇優取向后會形成織構，從而使材料的某些性能發生變化。傳統的塑性變形由于受到變形量的限制，其對晶粒想的細化作用較為有限。劇烈塑性變形（Severe Plastic Deformation，SPD）技術，因其可在材料外形尺寸改變不大的基礎上獲得很大的變形量，克服了傳統變形方法導致的材料厚度及直徑尺寸的大幅度減少，不適用于結構件的弊端。

1 ECAP技術研究的材料

等通道轉角擠壓法首先由Segal和他的合作者在20世紀70、80年代提出，在20世紀90年代Valiev利用該技術獲得了超細晶的鋁合金材料，引起了世界范圍內材料研究者對ECAP技術的興趣；隨后，人們利用該技術對包括純金屬，如Cu、Al、Ti等；合金，如H62黃銅，Ti-6Al-4V，Al-Mg，Zn-Al，Al-Zn-Mg-Cu超高強鋁合金等合金，以及金屬基復合材料在內的多種材料進行了實驗，材料的性能都有不同程度的提高。目前，ECAP技術已經由單純的學術研究向工業應用方向發展。

2 ECAP的變形方式及晶粒細化機理

等通道轉角擠壓（ECAP）是使棒料在一定的擠壓力作用下通過兩軸線成一定夾角的通道，使棒料發生純剪切變形（如圖1所示）。

在經過N次擠壓后，材料的總應變量為：

式中，N為擠壓的道次；φ為模具的拐角，ψ為模具的外角，如圖1所示，為，的情況。

等通道角變形細化組織時，坯件經過通道的方向和次數是重要的參數，目前主要有四種途徑，A途徑是指每次通過模具時坯件的取向不變；BA途徑是指每次通過模具時坯件的取向旋轉90°，連續兩次通過模具時旋轉方向相反；BC途徑是指每次通過模具時坯件的取向旋轉90°，連續兩次通過模具時旋轉方向相同；C途徑是指每次通過模具時坯件的取向旋轉180°，如圖2所示。

在剪切力的作用下，粗大晶粒被粉碎成為一系列具有小角晶界的亞晶，亞晶沿著一定方向拉長形成帶狀組織，隨變形程度的進一步增加，最終使亞晶轉變為具有大角晶界的等軸晶，從而獲得超細晶材料。

3 ECAP技術對材料晶粒細化的影響因素

經過多道次ECAP變形后的金屬，晶粒尺寸會有明顯的減小，晶粒的最終情況取決于模具拐角φ、擠壓方式、擠壓溫度以及擠壓速度等多個因素。

3.1 模具拐角的影響

由式（1）可知，在相同的擠壓道次時，較小的拐角φ可以獲得較大的應變量，當拐角較大時，雖然可以通過增加擠壓道次的方法來獲得與較小拐角相同的應變量，但其最終難以獲得大角晶界，產生超細晶粒。Nakashima K采用φ值分別為90°、112.5°、135°、157.5°的模具對純鋁進行研究，通過改變擠壓道次保證獲得相同的應變量，最終只有以90°和112.5°的拐角的擠壓在應變量為4時能夠產生大角晶界，其中，以90°拐角擠壓時最容易產生大角晶界。

3.2 擠壓方式的影響

如上文所述，對材料進行ECAP變形時，可以采用不同的變形路徑，其晶粒細化程度也不相同。一般來說， 按BC路徑進行擠壓變形時，晶粒在三個方向上都可獲得較大的變形，從而獲得最佳的細化效果。如邊麗萍等在對Al-10Mg-4Si合金進行ECAP研究時發現，按BC路徑擠壓8道次后，合金的顯微組織由約為259nm的α-Al等軸晶和約356nm的Mg2Si顆粒組成；而經過2A+4BA+2A路徑擠壓8道次后，α-Al晶粒被細化成平均尺寸約為的等軸晶，Mg2Si被細化成長約，直徑約370nm的棒狀，尺寸明顯大于按BC路徑擠壓8道次后的晶粒。

4 ECAP對材料力學性能的影響

4.1 對強度、硬度的影響

在一般情況下，對材料進行塑性變形，隨變形程度的增加，材料會發生加工硬化，即出現強度、硬度升高而塑性、韌性下降的現象，也即是所謂的加工硬化現象。同樣，經過多道次ECAP變形后，材料的強度、硬度也都會有顯著提高，例如退火態的純銅，其硬度為78.7HV、屈服強度為161MPa，經多道次的ECAP變形后，其硬度可達185.3HV、屈服強度可達449MPa；退火態的1060鋁，其硬度為45.2HV、抗拉強度為90.2MPa，經8道次的ECAP變性后，其硬度可達78.2HV、抗拉強度可達261MPa。

4.2 對材料塑性的影響

大部分材料在經過ECAP變形后，相對于其他塑性變形方法，其塑性均會有一定程度的提高，如姜巨福等對AZ91D鎂合金進行ECAP變形后發現，材料的延伸率由變形前的3.8%增加到變形后的10.5%，表現出良好的超塑性；徐德鵬在對1060鋁合金進行不同道次ECAP變形后發現，1060鋁合金的延伸率在第一道次下降最多，由32%下降至16.6%，從第二到第五道次延伸率穩定下降，而第五道次之后延伸率基本不變。

5 ECAP的應用前景

在傳統的塑性變形中，隨著變形程度的增加，材料的導電性和耐蝕性都會大幅度下降，而石鳳健等在進行純銅的反復墩壓實驗時發現，純銅的導電率隨墩壓次數的增多而緩慢下降，經15道次墩壓后純銅的導電率為91.7%IACS，相對于退火態純銅的導電率97.6%IACS下降了約6%，但其抗拉強度可達459.1MPa較退火態純銅的198.5MPa提高了131.3%；硬度由退火態的682.1MPa提高到1358.3MPa，提高量約為100%，這表明，可以通過劇烈塑性變形制備出具有較高強度、硬度，并有良好導電性的材料。ECAP技術作為一種通過劇烈塑性變形而獲得超細晶材料的技術，如何通過擠壓或拉拔的方法獲得高強度高導電性的銅線，以便應用于高鐵等有劇烈摩擦場所的供電，是今后重要的研究課題。

參考文獻

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文.劇塑性變形制備超細晶/納米晶結構金屬材料的研究現狀和應用展望[J].中國有色金屬學報，2010，20（4）.

作者簡介：王斌（1980-），男，山東青島人，青島理工大學講師，在職研究生，研究方向：機械工程。

（責任編輯：陳 倩）