牟世娟 牟世霞

摘要：納米科學技術(shù)是20 世紀80年代末產(chǎn)生的一項正在迅猛發(fā)展的新技術(shù)。文章綜述了制備超細晶材料的方法，介紹了等徑角擠壓法制備超細晶材料及應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：等徑角擠壓；超細晶材料；反復(fù)壓軋法；高壓扭曲轉(zhuǎn)法

中圖分類號：TG376 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）10-0048-03

一、概述

納米科學技術(shù)是20 世紀80年代末產(chǎn)生的一項正在迅猛發(fā)展的新技術(shù)。進入21世紀以來，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人們對納米技術(shù)的創(chuàng)建給予了特別的注意，這一技術(shù)被認為是21世紀的關(guān)鍵技術(shù)。1991年我國偉大的物理學家錢學森曾說過：“我認為，納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)是下一階段科技發(fā)展的重點，會是一次技術(shù)革命，從而將在21世紀又是一次產(chǎn)業(yè)革命?！?/p>

在通常情況下制備超細晶材料和納米晶材料有兩種途徑：一是粉碎法，即通過機械作用將粗大顆粒逐步破碎，細化晶粒:另一種是造粉法，即利用原子、分子或離子通過形核和長大兩個階段獲得。按物料狀態(tài)有氣相法（惰性氣體冷凝法，活性氫—熔融金屬反應(yīng)法，濺射法，混合等離子體法，爆炸絲法）、液相法（化學熱解，電沉積法，落管技術(shù)，快速凝固）和固相法。固相法主要包括高能機械球磨、非晶晶化法、高壓下高溫固相淬火法以及強烈塑性變形法等。

氣相法和高能機械球磨在制備超微粉時粉末易污染，在隨后的固化燒結(jié)過程中，固化密度偏低導致存在著大量殘余孔隙，從而影響了材料的性能?？焖倌谭ㄓ捎趯鋮s速度和散熱條件的要求極高，導致工藝過程復(fù)雜、成本較高。非晶晶化法受到合金非晶形成能力大小的影響，只局限于部分合金。而強烈塑性變形法與其他制備方法相比卻具有許多獨特的優(yōu)點。比如它具有適用范圍寬，可制造大體積試樣，試樣無殘留縮松、縮孔，不易引入雜質(zhì)；可方便地利用掃描電鏡詳細研究其組織結(jié)構(gòu)及晶粒中的非平衡邊界層結(jié)構(gòu)，非常有利于研究其組織與性能的關(guān)系等；而且可采用多種變形方法制備界面清潔的超細晶材料，是今后制備塊狀超細晶材料很具有工業(yè)應(yīng)用前景的一種方法。

二、塑性變形法制備超細晶材料的方法

下面簡單介紹幾種強烈塑性變形法制備的超細晶材料：

（一）反復(fù)折皺——壓直法

反復(fù)折皺—壓直法是在不改變工件橫截面幾何形狀的情況下，經(jīng)過多次彎曲變形將晶粒尺寸細化到亞微米級或納米量級，因此它是一種以彎曲變形方式制備塊體超細晶結(jié)構(gòu)金屬材料的大塑性變形工藝方法。

（二）反復(fù)壓軋法

反復(fù)壓軋法是將原來幾十微米厚的金屬箔相互疊加起來，在一定溫度的真空中壓縮后進行真空退火，然后在室溫下逐漸軋制成薄片，并切割成同樣大小，以備下一次疊加、壓縮和軋制。或者直接將幾毫米厚的金屬板相互疊加、壓縮后，逐漸熱軋制成薄片，并切割成同樣大小，以備下一次循環(huán)使用。經(jīng)過多次壓縮和軋制，可以得到塊體納米

材料。

（三）高壓扭轉(zhuǎn)法

高壓扭轉(zhuǎn)變形法是在室溫條件下，對模具中的試樣施以GPa級的高壓，同時通過轉(zhuǎn)動沖頭來扭轉(zhuǎn)試樣，此時試樣在幾個GPa壓力和沖頭高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦力和剪切力的共同作用下獲得超細晶組織，從而制得塊體超細晶材料。如圖1所示：

（四）多次鍛造法

多次鍛造法實際上是自由鍛操作的多次重復(fù)，即鐓粗和拔長的組合，如圖2所示。

（五）等徑角擠壓法

等徑角擠壓法（Equal Channel Angular Pressing簡稱ECAP法）：就是將試樣壓入一個特別設(shè)計的模具中以實現(xiàn)大變形量的剪切變形工藝。如圖3所示。

等徑角擠壓模具內(nèi)有兩個截面尺寸相等、形狀相同的，并以一定角度交接的通道，兩通道的內(nèi)交角為Φ，外接弧角為ψ。在等徑角擠壓過程中，試樣與模具中的通道尺寸緊密配合并與模壁潤滑良好，在沖頭壓力P的作用下向下擠壓，當經(jīng)過兩通道的交截處時，試樣產(chǎn)生近似理想的剪切變形。由于不改變材料的橫截面形狀和面積，故反復(fù)擠壓可使各次變形的應(yīng)變量累積迭加而達到相當大的總應(yīng)變量，導致位錯的重排從而細化晶粒。

等徑角擠壓技術(shù)不同于傳統(tǒng)的大塑性變形技術(shù)，它以純剪切方式實現(xiàn)塊體材料的大塑性變形，形成亞微晶或納米結(jié)構(gòu)，在不改變材料橫截面形狀和面積的條件下，只經(jīng)過數(shù)次變形所產(chǎn)生剪切應(yīng)變量就相當于正應(yīng)力作用下完成100:1甚至1000:1壓下率的累積應(yīng)變量，這是常規(guī)軋制、擠壓等加工方法所不能達到的。

等徑角擠壓技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來的一種制備塊體納米材料的新工藝。與其他納米材料的制備方法（如機械球磨法、非晶晶化法和氣相沉積法等） 相比，等徑角擠壓法具有許多獨特優(yōu)點 ，譬如：它可以克服其它方法制備的試樣中有孔洞、致密性差等問題以及球磨所致的不純、大尺寸坯體難以生產(chǎn)以及給定材料的實際應(yīng)用較困難等，并且等徑角擠壓材料的許多性能也是獨特的，這對于實際應(yīng)用和基礎(chǔ)研究都是十分重要的。

因此等徑角擠壓法制備納米材料的技術(shù)越來越受到材料界和工業(yè)界的廣泛重視，世界各國的科學家也競相開展對這項新技術(shù)的研究工作。目前美國、日本、韓國和俄羅斯等國家的科研工作者正在從事ECAP法制備工藝及其ECAP材料性能的應(yīng)用研究，等徑角擠壓技術(shù)已成為當代材料科學研究的熱點，特別是俄羅斯科學家采用等徑角擠壓技術(shù)加工1420鋁合金，隨后在高應(yīng)變速率和350℃溫度下采用超塑性成形加工出內(nèi)燃機的活塞，大大地提高了零件的生產(chǎn)率，具有重要的現(xiàn)實意義。

等徑角擠壓法制備的超細晶結(jié)構(gòu)金屬拓寬了傳統(tǒng)塑性加工技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，不僅使傳統(tǒng)材料的性能獲得大幅度的提高，還可以開發(fā)新材料，這有利于節(jié)省資源，保護環(huán)境，實現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展。由于其材料具有優(yōu)良的力學性能、獨特的物理和化學性能、優(yōu)異的超塑性，因而在實際應(yīng)用中極具潛力。在工業(yè)領(lǐng)域主要有三方面潛在的應(yīng)用：

1．使用等徑角擠壓法制備的材料具有高應(yīng)變速率或低溫超塑性。

2．提高塑性差的合金力學性能和成形性能。

3．經(jīng)過等徑角擠壓法加工的普通低碳鋼的強度是傳統(tǒng)形變熱處理后所具有強度的兩倍多。

三、結(jié)語

隨著等徑角擠壓技術(shù)細化多晶材料晶粒的機理研究、微觀結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系以及工藝參數(shù)優(yōu)化等研究的深入進行，等徑角擠壓技術(shù)將展現(xiàn)廣闊的研究潛力和應(yīng)用前景，具有非常大的商業(yè)潛力。

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作者簡介：牟世娟（1979-），女，吉林長春人，沈陽理工大學理學院講師，碩士，研究方向：納米材料的制備與應(yīng)用；牟世霞（1967-），女，吉林長春人，長春市第二十九中學高級教師，研究方向：理論物理。

（責任編輯：周加轉(zhuǎn)）