铝合金轧后弯曲变形对其组织与性能的影响(5)
图1.1 紫铜经ECAP多道次挤压后的显微组织SEM照片
1.3.2 高层错能45钢中铁素体在ECAP中的组织演化
体心立方晶格的铁素体层错能很高，位错运动时不易分解成不完全位错， 即使有不完全位错，也不能扩展到很大距离，扩展位错的宽度一般也只有1一2个原子间距。位错运动完全是以滑移和交滑移进行的。图9所示为铁素体在ECAP二道次、三道次和四道次的显微组织演化过程。从图2中可以看出，由于是交滑移变形机制， 随着挤压道次增加，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，使滑移带出现了弯曲和扭曲，并且弯曲和扭曲程度越来越大。从图2a、2b可以看出，挤压二道次后滑移带长度较长，滑移带宽度也较小，后开动的滑移带将先开动的滑移面上的滑移带分割，并使滑移带弯曲，滑移带长度大大缩短，宽度增大，形成凸起，这些滑移带就是亚晶，其滑移带之间的位向相差较小。经四道次ECAP后，位错界面不断大量形成，并连续地交互、分割晶粒，当位错界面的宽度增加到接近亚微米尺寸时，产生动态连续再结晶，使晶粒完全被细化成大角度超细晶，其晶粒尺寸约为200nm，如图2c所示。
图1.2 铁素体晶粒经ECAP多道次挤压后显微组织SEM照片
1.3.3 高层错能45钢中珠光体在ECAP中的组织演化
珠光体是由层片状渗碳体与铁素体组成，渗碳体强度高、塑性差，不能参与剪切变形。在一道次、二道次ECAP时，层片状渗碳体阻止珠光体区域参与滑移，但在铁素体区域内变形的同时，生成的大量位错交割致使渗碳体这一区域产生较大的应力集中，使层片状渗碳体被剪断，破碎、渗碳体的长度减小，如图3a、3b所示。在层片状渗碳体被剪断的同时，切应力也得到了松弛。图3c为经过四道次ECAP后珠光体显微组织，渗碳体颗粒尺寸平均为1μm，并均匀地分布在细小的珠光体内。
图1.3 珠光体经ECAP多道次挤压后显微组织SEM照片
1.4 强度与韧性
常规材料的强度与晶粒度关系一般可用Hall—Patch关系式来描述。而纳米结构材料的强度与晶粒度关系，有的遵循正Hall—Patch关系，有的遵循反Hall—Patch关系，还有的不能用Hall—Patch关系来描述。比如，晶粒尺寸小于20nm的纳米金属、合金或非晶合金可能会出现较低的强度和韧性。SPD纳米结构材料往往无晶界污染、微观组织均匀细小，所以具有较高的强度和韧性。如图7所示，采用高压扭转法制备的金属间化合物Ni3Ti，经400℃退火1h后平均晶粒尺寸仅有2O～30nm。通过热挤压法制备的再结晶态Ni3Ti在650℃拉伸表现出低的韧性和拉伸强度（曲线1）；经过1道高压扭转工序后材料强度增加而韧性保持很低（曲线2）；5道工序后，材料不仅表现出很高的强度，同时也显示出超过300 的拉伸至断裂的延展性能（曲线3）。高压扭转法制备的基体晶粒尺寸为80nm的Cu+0.5wt A1203的纳米复合材料，具有高强度（680MPa）、高显微硬度（2300MPa）、良好的韧性（25%延伸率）和高电导率。经16道等通道角挤压工序后的纯铜具有与粗晶Cu相近的韧性和高几倍的屈服强度，并且韧性的增加比强度的增加更为显著。
变形机理决定变形材料的力学性能，但至今对SPD纳米结构材料具有良好力学性能的机理还不是很清楚。一般认为位错运动和孪晶是粗晶材料的主要变形机制，具有大角度晶界的超细等轴晶有效地阻止位错运动，从而使SPD纳米结构材料获得较高的强度；同时，这些晶粒也利于其他变形机制，如晶界滑移和晶粒转动，从而提高了SPD纳米结构材料的韧性。Valiev教授在室温下研究超细Cu变形实验中观察到明显的晶界滑移，较高的应变速率敏感值也表示晶粒转动的存在。另外有学者认为细小的晶粒不能提供更多的位错聚集，使纳米结构材料加工硬化作用较低，因而具有较低的韧性；孪晶的存在可增强SPD纳米结构材料的加工硬化作用，使材料获得较好的韧性。在室温和低应变速率下，采用高压扭转法制备的纳米Cu晶体中可观察到大量孪晶存在。