您當(dāng)前的位置：檢測(cè)資訊 > 科研開(kāi)發(fā)
嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2020-04-21 10:12
累積疊軋是制備高性能材料的重要方法，主要用于制備具有超細(xì)晶的復(fù)合板材或樣品，界面結(jié)合問(wèn)題是該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵，本期重點(diǎn)介紹界面微觀機(jī)制與工藝控制。
累積疊軋微觀機(jī)制
過(guò)去有說(shuō)過(guò)累積疊軋工藝機(jī)理主要集中于兩塊，界面機(jī)理與軋制微觀演變，我們這里就說(shuō)說(shuō)疊軋微觀演變。
當(dāng)今，對(duì)金屬軋制復(fù)合過(guò)程中微觀組織演變規(guī)律的研究還是初步階段，現(xiàn)階段研究主要集中在兩方面：一是組元金屬內(nèi)晶粒形貌與微觀組織和結(jié)構(gòu)變化，二是復(fù)合層界面處原子擴(kuò)散與金屬間化合物的形成。
層狀鋁合金復(fù)合板最典型的微觀組織是沿軋制方向的被拉的細(xì)長(zhǎng)薄片狀晶粒。一般金屬中心部分的晶粒大小、織構(gòu)多少和結(jié)合界面處存在一定的梯度。
在多層金屬?gòu)?fù)合軋制過(guò)程中，在界面形成緊密接觸的機(jī)械結(jié)合時(shí)，如果基體金屬具有良好的流動(dòng)性，當(dāng)表層的薄膜破裂后流出的基體金屬會(huì)在接觸界面相互嚙合形成凹凸不平的金屬鍵結(jié)合，此時(shí)的多層金屬?gòu)?fù)合效果是最佳的。
圖 Al/Cu累積疊軋組織
因此，在復(fù)合前，待復(fù)合金屬的表面要進(jìn)行清洗，同時(shí)選擇合理的軋制溫度也是非常關(guān)鍵的，在保證不形成表面氧化膜的同時(shí)盡可能的提高接觸界面處的原子活躍程度，有利于增加基體金屬的流動(dòng)性。軋制制備的多層金屬?gòu)?fù)合板需要進(jìn)行熱處理，消除殘余應(yīng)力、降低各向異性。
但是，對(duì)于大多數(shù)金屬來(lái)說(shuō)，多層金屬板的復(fù)合過(guò)程中，由于疊層金屬的成分、性能的不同，往往會(huì)在結(jié)合界面發(fā)生化學(xué)生成原子間化合物，如在鈦鋁復(fù)合時(shí)會(huì)形成脆硬性的金屬間化合物。
由于異種金屬在復(fù)合時(shí)會(huì)生成脆硬中間相，嚴(yán)重影響復(fù)合板的強(qiáng)韌性，拉伸斷裂往往先發(fā)生在結(jié)合處。而在軋制后的熱處理過(guò)程中，脆硬中間相會(huì)隨著熱處理的溫度的升高、保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而急劇增多長(zhǎng)大，甚至連接成片層，嚴(yán)重降低復(fù)合板的塑性和韌性。因此，合理設(shè)計(jì)熱處理參數(shù)是保證結(jié)合效果良好的重要環(huán)節(jié)。
在復(fù)合軋制過(guò)程中，由于界面之間的摩擦，形成應(yīng)力應(yīng)變不均勻分布，直接導(dǎo)致層內(nèi)晶粒形貌、尺寸和組織結(jié)構(gòu)都存在梯度。
經(jīng)過(guò)多道次，異種材料中的硬相被剪切破碎，并均勻彌散地分布在軟相基體中，形成第二相粒子的彌散強(qiáng)化。總體來(lái)說(shuō)，在復(fù)合界面附近由于附加切應(yīng)變的作用，形成扭轉(zhuǎn)晶粒以及剪切織構(gòu)，而組元金屬層中心區(qū)域仍保持平面壓縮應(yīng)變狀態(tài)，因此晶粒呈拉長(zhǎng)狀，以軋制織構(gòu)為主。
經(jīng)過(guò)累積復(fù)合軋制后的材料具有兩個(gè)特點(diǎn)：一個(gè)是材料經(jīng)過(guò)大塑性變形后，組織明顯細(xì)化，材料綜合性能得到顯著提高；另一個(gè)是界面的存在會(huì)大大降低裂紋的擴(kuò)展能力，提高材料的斷裂韌性。
累積疊軋工藝控制
影響復(fù)合板界面結(jié)合質(zhì)量的因素有道次壓下量、軋制前的材料溫度與保溫時(shí)間、軋制后的退火工藝、接觸表面的處理等。
（1）道次壓下量。在復(fù)合軋制過(guò)程中，可以認(rèn)為軋制道次變形量與金屬的暴露率成正比。只有在相互接觸點(diǎn)上的作用應(yīng)力大大超過(guò)屈服應(yīng)力，并引起微觀凸出點(diǎn)彈性、塑性變形，之后才能逐步進(jìn)入全面的物理接觸。
當(dāng)?shù)来巫冃瘟看笥诘扔谂R界變形程度時(shí)，氧化膜破裂，產(chǎn)生大量新鮮表面，部分結(jié)合點(diǎn)的結(jié)合力抵消了氧化層的阻礙作用和彈性排斥力，其余新生表面部分真正用于結(jié)合。
（2）軋制前的材料溫度和保溫時(shí)間。有些金屬材料在室溫下很難進(jìn)行復(fù)合，例如鋼／鋁、不銹鋼／鋁復(fù)合。軋制前需要對(duì)待復(fù)合的各層金屬進(jìn)行加熱以提高金屬原子的活躍程度，利于接觸界面的原子擴(kuò)散。
但是材料的溫度和保溫時(shí)間不宜過(guò)高過(guò)長(zhǎng)，否則接觸表面容易生成新的氧化層，反而阻礙了原子的擴(kuò)散和界面的結(jié)合。
圖 累積疊軋工藝與機(jī)制[Seyed Mahmoud Ghalehbandi 版權(quán)]
（3）軋制后的退火工藝。合理的軋后退火溫度對(duì)軋制界面的結(jié)合效果有著重要的影響。軋制后退火降低了層狀復(fù)合板的強(qiáng)度，提高了其韌性，綜合提升了結(jié)合界面的結(jié)合效果，避免了再加工過(guò)程中的開(kāi)裂傾向。同時(shí)退火有利于界面的原子擴(kuò)散、消除殘余應(yīng)力。
退火溫度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致無(wú)法完全消除殘余應(yīng)力，溫度過(guò)高則綜合力學(xué)性能降低同時(shí)有發(fā)生再結(jié)晶的可能。因此必須選擇合理的溫度區(qū)間和保溫時(shí)間。
（4）接觸表面的處理。多層金屬在疊軋復(fù)合前，接觸界面的表面處理是非常關(guān)鍵的，不但影響結(jié)合效果，同時(shí)也影響軋制復(fù)合后的力學(xué)性能。如果表面處理的不干凈，在軋制過(guò)程中，表面存在的氧化物會(huì)存在在疊層金屬的結(jié)合界面處。
而在拉伸載荷作用下，氧化物屬于硬質(zhì)顆粒不易發(fā)生塑性變形而成為裂紋源。采用機(jī)械打磨法進(jìn)行表面處理不但能清潔表面，同時(shí)可以通過(guò)加工硬化在表面形成局部的硬化層，有利于后續(xù)的結(jié)合。
（5）其他影響因素還有很多。包括結(jié)合面的粗糙度，乳輥速度，軋輥與材料的潤(rùn)滑程度，軋制過(guò)程中結(jié)合面的氧化程度等。另外軋制復(fù)合不同種金屬時(shí)，由于在結(jié)合界面處生成第二相，因此生成的第二相也會(huì)對(duì)層狀金屬的結(jié)合產(chǎn)生影響。
這是因?yàn)椋蟛糠值慕饘偕傻牡诙嗑鶠榇嘈韵啵嘈韵鄤傞_(kāi)始出現(xiàn)時(shí)會(huì)起到第二相強(qiáng)化的作用，增加復(fù)合板的強(qiáng)度的同時(shí)也提升了材料的塑性，但塑性是隨著第二相數(shù)量的增多先升高后降低的。
另外，第二相的增多也會(huì)降低材料的結(jié)合效果，當(dāng)?shù)诙噙B接成片時(shí)尤為嚴(yán)重。異種金屬的結(jié)合面僅存在原子擴(kuò)散時(shí)為最佳。
累積疊軋過(guò)程理論上是可以重復(fù)無(wú)窮多道次，但隨著金屬晶粒的細(xì)化，強(qiáng)度逐漸提高，但塑性急劇下降。因此，在道次重復(fù)過(guò)程中，隨著塑性嚴(yán)重惡化后會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的開(kāi)裂現(xiàn)象，并隨著道次的增加逐漸向板型心部擴(kuò)展。
累積疊軋過(guò)程中，隨著道次的增加，金屬板材的溫度逐漸上升，當(dāng)溫度達(dá)到某一種疊層金屬的再結(jié)晶溫度時(shí)，此疊層內(nèi)的晶粒發(fā)生再結(jié)晶，晶粒的各向異性消失而降低了此材料的強(qiáng)度。
累積疊軋材料強(qiáng)韌分析
眾所周知，當(dāng)金屬或合金的晶粒越細(xì)小，材料的強(qiáng)度和硬度越大，但不可避免的是這些材料的均勻延伸率卻大幅降低其應(yīng)變硬化僅僅存在于變形開(kāi)始階段，均勻延伸率僅為粗晶態(tài)的十幾分之一，甚至是幾十分之一。
實(shí)際上這種金屬在軋制、擠壓等劇烈變形工藝中是十分常見(jiàn)的。強(qiáng)度和塑性是材料性能的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，但是它們之間的關(guān)系卻是倒置的。
一方面是由于在軋制過(guò)程中的劇烈塑性變形產(chǎn)生高密度的位錯(cuò)，同時(shí)位錯(cuò)相互纏繞，使得軋后金屬?gòu)?qiáng)度極高而塑性極差。
另一方面在軋后退火過(guò)程中，隨著回復(fù)和再結(jié)晶的發(fā)生，金屬的強(qiáng)度迅速下降而塑性快速上升。導(dǎo)致層狀金屬?gòu)?fù)合板無(wú)法獲得優(yōu)良的強(qiáng)韌性。
圖 AA1050/AA5052鋁合金累積疊軋1道次EBSD圖[S.H.LEE 版權(quán)]
多層金屬?gòu)?fù)合板的軋態(tài)組織為沿乳制方向拉長(zhǎng)的非平衡組織，熱穩(wěn)定性較差，若對(duì)其進(jìn)行較高溫度的熱處理，長(zhǎng)條狀的晶粒會(huì)隨著溫度的升高、時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸再結(jié)晶長(zhǎng)大而失去各向異性，雖然能顯著提高塑性，但都是以犧牲強(qiáng)度為代價(jià)。
累積疊軋和熱軋制備的層狀金屬?gòu)?fù)合材料都是具有很高的強(qiáng)度和極低的塑性，低塑性主要是由于在塑性變形中引入的組織缺陷（孔洞、夾雜、微裂紋等）。
目前，如何在不犧牲較大強(qiáng)度的條件下提高其塑性是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：
（1）針對(duì)可熱處理強(qiáng)化合金，加入彌散細(xì)小的第二相顆粒，進(jìn)行固溶+軋制+低溫時(shí)效處理。一方面，低溫時(shí)效時(shí)的晶粒回復(fù)作用能提高復(fù)合材料的塑性；另一方面，第二相顆粒阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，獲得第二相強(qiáng)化的作用，能彌補(bǔ)大部分的回復(fù)軟化效果。因此強(qiáng)度仍能保持不變。
（2）改善晶粒尺寸，得到晶粒尺寸多峰分布的非均勻組織。例如對(duì)工業(yè)純鈦進(jìn)行低溫乳制+低溫退火處理，由于其絕大多數(shù)晶粒尺寸仍處于納米／超細(xì)晶范圍，維持了高強(qiáng)度，同時(shí)也有二次再結(jié)晶形成的體積分?jǐn)?shù)約25％的大晶粒（1-3pm），使得延伸率顯著提高，最終提高了材料的塑性。
圖 累積疊軋4N-Cu剝離強(qiáng)度維氏硬度[Seyed Mahmoud Ghalehbandi 版權(quán)]
（3）引入納米孿晶，不僅能阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)位錯(cuò)累積，而且可作為位錯(cuò)源，源源不斷的排出位錯(cuò)，促進(jìn)位錯(cuò)增值。
（4）降低材料層錯(cuò)能，激活不全位錯(cuò)滑移，以產(chǎn)生層錯(cuò)。層錯(cuò)不僅能阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)位錯(cuò)相互纏繞，同時(shí)也能導(dǎo)致應(yīng)變硬化，從而提高材料的強(qiáng)度和塑性。
累積疊軋技術(shù)并非焊接技術(shù)，但是卻常常被人稱為累積疊軋焊，是劇烈變形實(shí)現(xiàn)材料連接，是現(xiàn)階段的最新加工方法之一。
參考文獻(xiàn)：
S.H.Lee, S.R. Lee. Archives of Metallurgy and Materials, 2015.
Seyed Mahmoud Ghalehbandi. AccumulativeRoll Bonding—A Review. Appl. Sci. 2019.
來(lái)源：金屬材料科學(xué)與技術(shù)
