孫文波，池成忠，李洪力，李黎忱，梁 偉

（太原理工大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030024）

0 引言

劇塑性變形法是獲得穩(wěn)定超細晶組織的塊體細晶材料的主要制備方法之一，它是對現(xiàn)有粗晶材料進行劇烈塑性變形，因而具有不易引入雜質、適用范圍廣、可制備大體積無殘留孔洞試樣等優(yōu)點［1］。限制模壓變形法（Constrained Groove Pressing，CGP）是一種可用于制備大體積、超細晶、應變均勻的金屬板材的劇塑性變形法［2］，具有廣闊的商業(yè)應用前景。目前研究主要集中于CGP變形對材料晶粒組織的影響，對力學性能的影響研究較少。本文以6061預拉伸板為實驗材料，探究變形程度對晶粒、強度、硬度及延伸率的影響。

1 試樣制備與實驗方法

1.1 試樣制備

試樣材料為商用6061鋁合金預拉伸板，將板料切割成44mm×44mm×2mm 方形CGP變形試樣，在SX2－12－14高溫箱式加熱爐中加熱到330 ℃、保溫20min后空冷退火，以消除殘余應力。模壓實驗在DNS200萬能電子試驗機上進行，壓下速率為1 mm／min。測試試樣分布如圖1 所示，以纖維方向為0°方向，取0°（圖1A）、45°（圖1B）、90°（圖1C）方向拉伸試樣，性能測試在DNS200萬能電子試驗機上進行；取硬度試樣（圖1D），硬度測試在HB－3000B 型布氏硬度計上進行；取金相試樣（圖1E），晶粒尺寸測定在Leica DM 2500M 光學顯微鏡上進行，限制模壓變形模具由壓彎和壓平兩套模具組成，如圖2所示，限制圈起到板料在變形過程中限定尺寸的作用，壓彎模中模具的齒寬和板料的厚度一致。

圖1 測試試樣分布圖

圖2 CGP模具示意圖

1.2 限制模壓變形工藝的原理

限制模壓變形以不改變板料尺寸為前提，通過對試樣反復的壓彎、壓平變形，使試樣的累積應變累積，從而達到晶粒細化的目的。該方法變形過程中的每道次包括4次變形：①板料在壓彎模中的首次壓彎，板料受到的是平面應變下的純剪切變形，未變形區(qū)的等效應變?yōu)?，變形區(qū)的等效應變?yōu)?.58；②首次壓彎后的板料在壓平模中壓平的過程，此過程依然是純剪切變形，第二次變形完成后變形區(qū)的累計應變?yōu)?.16，未變形區(qū)沒有受到剪切變形；③第三次變形前將模壓試樣旋轉180°，對第一、二道次的未變形區(qū)進行壓彎，這時第一、二道次的未變形區(qū)受到純剪切變形；④再次使用壓平模具進行壓平。這樣整個試樣的等效應變εeff＝1.16，模壓前后試樣三維尺寸不變［3］。

1.3 試樣放置方位的確定

在軋制實際生產過程中，經過多次輥軋的板料纖維會沿著主變形流動的方向呈流線分布，這會導致金屬的組織性能和力學性能在不同方向上有明顯的差別，所以確定試樣放置方位對研究板料的模壓變形有非常重要的意義。圖3（a）為垂直纖維方向面的晶粒，多近圓形；圖3（b）為纖維方向面的晶粒，其沿著軋制方向伸長。由圖3可以看出，兩個方向的晶粒表現(xiàn)出明顯不同的組織特征。模壓變形后的試樣如圖4 所示。

圖3 纖維面與垂直面金相組織（500×）

圖4 模壓變形后的試樣

2 實驗結果分析與討論

2.1 道次對晶粒大小的影響

如圖5 所示，第一道次的模壓變形后，晶粒從12.58μm下降到11.25μm，下降了10.57%，下降比較緩慢；第二道次變形使晶粒從11.25μm 下降到7.35μm，細化程度高達34.67%，遠遠高于第一道次過程中的10.57%。這是因為晶內位錯密度和晶間位錯密度在第一道次變形過程中迅速上升并且在第一道次結束時達到飽和［4］；由于退火后的晶粒晶內初始位錯能較低，需要較高的應變量才能使晶粒破碎，所以第一道次變形過程中，大部分應變能消耗在提高晶內與晶間位錯能上，細化程度較弱。經過一道次變形后的晶內與晶間位錯密度達到飽和，所以第二道次變形過程中，隨著變形的進行，應變能多消耗在形成大角度晶界上［5］。如圖6所示，第二道次后的微觀組織有明顯的剪切變形痕跡，所以晶粒從11.25μm下降到7.35μm，細化程度高達34.67%。實驗證明，模壓變形對晶粒細化有顯著的效果，經過兩道次的模壓變形，晶粒由12.58 μm 下降到7.35μm，細化程度達41.57%。

圖5 道次對晶粒細化的影響

圖6 第二道次模壓后的微觀組織

2.2 道次對硬度的影響

道次與硬度關系如圖7所示，試樣經過CGP兩道次變形后硬度值從51.2HBW 提高到63.6 HBW，提高了24.2%。尤其是第一道次提高程度明顯較大，由51.2HBW 提高到58.7 HBW，提高了13.5%，這是因為硬度的提高主要是由晶粒的細化及位錯堆疊的累積雙重因素造成的，其中位錯密度的積累影響更明顯一些。由于位錯密度在第一道次迅速上升，在第一道次結束時達到飽和，所以6061鋁合金在限制模壓第一道次變形過程中，隨著金屬塑性變形的進行，位錯密度迅速增加，導致位錯在運動交互中加劇，產生位錯纏結、固定割階等障礙，增加了阻礙位錯運動的阻力，使塑性變形變得困難，產生硬度的提高。第二道次位錯密度基本不變，但是晶粒細化明顯，細化后小晶粒的應力集中小，需要較大的外力作用下才能使相鄰晶粒發(fā)生塑性變形，這也能夠提高硬度和強度。所以雖然第一道次和第二道次硬度都得到提高，但提高機制卻不盡相同，因為位錯密度的積累效果更顯著，所以第一道次硬度的提高程度較高。

2.3 道次對強度的影響

屈服強度σ0.2也受到晶粒大小和晶胞位錯密度雙重因素的影響，位錯密度效果依然較大，所以以0°方向為例，第一道次屈服強度σ0.2從183.03 MPa提高到279.306 MPa，提高了52.62%，第二道次屈服溫度由279.306提高到283.22 MPa，僅僅提高了1.4%。第一道次位錯密度迅速地提高并且達到飽和，雖然晶粒細化效果較差，但位錯密度對屈服強度σ0.2的影響更大，所以σ0.2從183.03 MPa提高到279.306 MPa。第二道次，位錯密度基本保持不變，提高的部分主要是晶粒細化導致的。道次對屈服強度σ0.2的影響見圖8。

圖7 道次對硬度的影響

圖8 道次對屈服強度σ0.2的影響

由于模壓具有方向性，使細化后的晶粒也具有明顯的方向性，第一道次過程中0°方向屈服強度提高較大，從183.03 MPa 提 高 到279.306 MPa，提 高 了52.62%；90°方向平行于模壓方向，受到的剪切作用較弱，斜率明顯較低。

2.4 道次對延伸率的影響

從圖9中可以看出道次對6061鋁合金延伸率的影響，在兩道次變形過程中，三個取向試樣延伸率的變化趨勢基本相同，都是先迅速降低然后達到穩(wěn)定。以0°方向為例，延伸率在一道次后由24.556%下降到17.062%，下降了30.52%；在第二道次從17.062%到17.031%，幾乎保持不變。這是因為位錯密度的提高導致延伸率的降低，第一道次位錯密度迅速升高，第二道次后達到飽和，所以延伸率在第一道次迅速降低后不再隨道次的增加而降低。

3 結論

（1）由于退火后晶內殘余應力消除，第一道次的位錯密度迅速上升后達到飽和值，這導致第一道次晶粒的細化能力較差，硬度、屈服強度迅速上升和延伸率迅速下降。第二道次晶粒迅速細化，從12.25μm 下降到7.35μm。第二道次后由于位錯密度已達到飽和，道次對硬度、屈服強度和延伸率的影響較小。

圖9 道次對延伸率的影響

（2）模壓對金屬材料的性能提高具有明顯的各向異性。0°方向與模壓方向垂直，受到的剪切作用最強，所以在0°方向上道次對屈服強度來說影響較大；在90°方向上幾乎受不到純剪切作用的影響，抗拉強度和屈服強度受到道次的影響較小。

［1］ Zhu Y T，Lowe T C，Langdon T G.Performance and applications of nanostructured materials produced by severe plastic deformation［J］.Scripta Materialia，2004，51：825－830.

［2］ Valiev R Z，Islamgaliev R K，Alexandrov I V.Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation［J］.Progress in Materials Science，2000，45：103－189.

［3］ Dong Hyuk Shin，Jong－Jin Park，Yong－Seog Kim.Constrained groove pressing and its application to grain refinement of aluminum［J］.Materials Science and Engineering，2002，A328：98－103.

［4］ Hosseini E，Kazeminezhad M ，Mani A，et al.On the evolution of flow stress during constrained groove pressing of pure copper sheet［J］ .Computational Materials Science，2009，45：855－859.

［5］ 崔忠圻.金屬學及熱處理［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2001.