柏蓉，王經(jīng)濤

(南京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

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大塑性變形狀態(tài)下黃銅的孿生變形研究

柏蓉，王經(jīng)濤

(南京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

摘要：大塑性變形是獲取納米孿晶材料的重要方法，為研究壓力對銅鋅合金變形行為的影響，分別采用等徑角擠壓和冷軋的方法使H85和H90黃銅試樣進(jìn)行發(fā)生塑性變形。通過微觀組織觀測，發(fā)現(xiàn)較大的壓力下，兩種材料的塑性變形機(jī)制是以孿生機(jī)制為主導(dǎo)的，較低的層錯(cuò)能可以使孿生優(yōu)先形核，提高強(qiáng)化能力。

關(guān)鍵詞：大塑性變形；黃銅；壓力；堆垛層錯(cuò)能；孿晶

0引言

納米孿晶材料具有高強(qiáng)度、高塑性以及高應(yīng)變硬化性能的特點(diǎn)。孿晶面不但可以阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高材料強(qiáng)度，還可以吸納位錯(cuò)，提高材料塑性。同時(shí)孿晶界是共格界面，較高的高穩(wěn)定性使得金屬材料能夠保持固有的抗腐蝕性和導(dǎo)電性[1]。盧磊[2]利用脈沖電沉積技術(shù)制備出納米孿晶銅，其屈服強(qiáng)度最高能夠達(dá)到900MPa，同時(shí)延伸率到13%。趙永好[3]利用高壓扭轉(zhuǎn)制備的超細(xì)晶銅鋅合金塊體，由于層錯(cuò)能的降低和孿晶密度的提高，制備出的材料呈現(xiàn)出良好的塑性。孿晶在納米晶體和超細(xì)晶晶體中有著至關(guān)重要的作用。

變形孿晶一般在大應(yīng)變、高應(yīng)變率、低溫和低層錯(cuò)能的條件下出現(xiàn)。其中堆垛層錯(cuò)能是材料固有的屬性，堆垛層錯(cuò)能越低，擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度越寬，位錯(cuò)很難通過交滑移和攀移進(jìn)行回復(fù)[4]。無論在大應(yīng)變、高應(yīng)變率還是在低溫條件下，變形都會(huì)產(chǎn)生較高的流應(yīng)力，這說明施加壓力會(huì)對孿晶的形成具有一定影響。曹陽[5]通過利用高壓扭轉(zhuǎn)和冷軋兩種不同的變形方式，在低應(yīng)變速率下，對雙相不銹鋼DP3W進(jìn)行了大塑性變形，分析了施加壓力對面心立方相孿生變形機(jī)制的影響。實(shí)驗(yàn)在同一應(yīng)變量的情況下，利用等徑角擠壓(ECAP)和冷軋兩種不同的變形方式，分析壓力對孿晶的影響，目的在于研究粗晶態(tài)FCC相在不同壓力下的孿生變形機(jī)制，以及堆垛層錯(cuò)能對變形后材料性能的影響。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料

表1　H85和H90的主要質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wt%)

為了能夠得到均勻的組織，對H85和H90在750℃的溫度條件下進(jìn)行固溶處理，完成后用車床去除表面的氧化皮，樣品直徑變?yōu)?9mm。

將ECAP實(shí)驗(yàn)中所用材料沿軸線方向取厚度為14mm的片體作為冷軋?jiān)嚇印?/p>

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備與試樣制備

ECAP成形設(shè)備選用YQ32-100型液壓機(jī)，額定載荷達(dá)100t。等徑角擠壓ECAP原理如圖1所示，其模具由兩個(gè)等直徑通道相交形成，其中外角Ψ為120°，內(nèi)角Φ為20°。在室溫下，選擇Bc路徑(變形1道次后，按順時(shí)針方向?qū)ⅫS銅棒材旋轉(zhuǎn)90°，再進(jìn)行下道次的變形，重復(fù)進(jìn)行該操作，便可以得到變形多道次的ECAP試樣)，對H85和H90材料分別進(jìn)行1、2、4道次ECAP變形。

圖1　ECAP示意圖[6]

根據(jù)Iwahashi[6]的相關(guān)研究，多道次ECAP試樣的等效應(yīng)變量可表示為：

(1)

其中，N為擠壓道次。計(jì)算可得材料經(jīng)過1、2、4道次ECAP變形后對應(yīng)的等效應(yīng)變量為0.64、1.27、2.54。

冷軋?jiān)O(shè)備為普通的二輥軋機(jī)，電機(jī)的頻率為5Hz，軋輥的轉(zhuǎn)速為10r/min，軋輥幾何參數(shù)為D130mm×50mm。

冷軋等效應(yīng)變量[7]可表示為：

江蘇雖然有120多所高校，43個(gè)“雙一流”建設(shè)學(xué)科，但學(xué)科多從科學(xué)研究角度設(shè)置，40%左右與省內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展沒有直接技術(shù)關(guān)聯(lián)，特別是新興產(chǎn)業(yè)需求的科技成果往往涉及多個(gè)學(xué)科的交叉，導(dǎo)致現(xiàn)有的學(xué)科設(shè)置滿足不了產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展新需求。2017年江蘇高校各類基礎(chǔ)研究成果達(dá)4.81萬項(xiàng)，但實(shí)現(xiàn)技術(shù)轉(zhuǎn)讓的應(yīng)用科研成果僅678項(xiàng)。全省高校院所每年只有5%左右的原創(chuàng)成果可應(yīng)用轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的又只占轉(zhuǎn)化成果的30%左右。

(2)

其中，R為壓下率(R=t/t0)(如圖2)。為獲得與ECAP試樣相等的等效應(yīng)變，分別取壓下率為42%、67%、89%。為了較明顯地區(qū)分ECAP和冷軋的壓力，每道次冷軋成形壓下量取0.5mm，逐步達(dá)到目標(biāo)值。

圖2　冷軋參數(shù)示意圖

1.3試樣分析

對ECAP和冷軋?jiān)嚇?，在Y面(如圖1和圖2所示，Y面法矢垂直于施加壓力和擠出方向)上取樣進(jìn)行組織分析。采用Axio CSM 700真實(shí)色共聚焦顯微鏡進(jìn)行組織觀察，制樣方法為機(jī)械拋光，腐蝕液為10ml鹽酸+10g氯化鐵+100ml水。采用配置OXFORD Channel 5背散射電子衍射的SU1510掃描電鏡獲得取向成像圖OIM，觀察前試樣在20 V電壓下進(jìn)行電解拋光，拋光液為25%磷酸+25%乙醇+50%去離子水。利用JEM-2000FXII透射電子顯微鏡進(jìn)行微觀特征與選區(qū)衍射斑點(diǎn)分析，加速電壓為200 kV。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1不同變形方式下H90黃銅的微觀組織對比分析

圖3　黃銅H90在ECAP和冷軋變形后的組織形貌

對4道次ECAP試樣進(jìn)行背散色電子衍射分析(圖4)，晶粒逐步等軸化，晶粒細(xì)化到50 μm以下。這主要是因?yàn)椋S著ECAP擠壓道次的增加，位錯(cuò)不斷聚集、纏結(jié)，并與孿生交互作用，晶粒發(fā)生巨大的畸變，組織得到了明顯的細(xì)化。

圖4　H90黃銅在4道次ECAP變形后的取向分布圖

2.2施加壓力對力學(xué)性能影響

圖5　不同變形方式下所得試樣力學(xué)性能對比(ε=2.54)

ECAP變形中，材料承受的壓力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于冷軋樣品，這導(dǎo)致兩種變形方式中，材料的變形機(jī)制存在差異。與冷軋變形相比，ECAP過程需要施加的壓力較大。孿生是一個(gè)突變的過程，靜水壓力越大，越能抑制缺陷的發(fā)生，且不發(fā)生剪切失穩(wěn)[9]。特別是對于具有面心立方結(jié)構(gòu)的黃銅，較大的靜水壓力保證了在大變形條件下不發(fā)生剪切斷裂。

2.3堆垛層錯(cuò)能對變形后黃銅微觀結(jié)構(gòu)的影響

從圖5中還可以看出，無論是在ECAP變形后，還是在冷軋變形后，黃銅H85的抗拉強(qiáng)度都比黃銅H90要高，而黃銅H85的初始抗拉強(qiáng)度卻低于黃銅H90。這是因?yàn)镠85層錯(cuò)能低于H90，層錯(cuò)能越低，越容易抑制位錯(cuò)滑移，越容易激活孿生變形機(jī)制。

圖6　H85黃銅冷軋?jiān)嚇觾?nèi)部組織結(jié)構(gòu)

圖7為黃銅H90和H85經(jīng)過4道次ECAP變形后的后Y面明場區(qū)透射電鏡形貌。如圖7(a)所示，黃銅H85的組織是由相互平行的板條狀孿晶帶組成，并沿剪切方向分布，圖中黑色區(qū)域是位錯(cuò)胞之間激烈纏結(jié)的結(jié)果。在大塑性變形條件下，對于低層錯(cuò)能材料，位錯(cuò)不斷聚集和纏結(jié)，不能發(fā)生重組相消，促使孿生出現(xiàn)。H85衍射斑點(diǎn)圖，是由不連續(xù)環(huán)組成，為典型的{111}面孿晶衍射斑點(diǎn)圖。圖7(b)為H90黃銅的TEM形貌，位錯(cuò)纏結(jié)比較劇烈，孿晶較少，晶粒開始等軸化。H90衍射斑點(diǎn)圖由連續(xù)環(huán)組成，小角度晶界轉(zhuǎn)化為大角度晶界。在同一變形條件下，黃銅H90首先發(fā)生了等軸化，這是由于黃銅H90層錯(cuò)能較高，孿生密度較低，位錯(cuò)易于聚集和重組相消，孿生越難被激活。由透射電鏡形貌圖中可知H85孿晶密度很高，變形后試樣的強(qiáng)度和塑性均比H90的高。

圖7　4道次ECAP試樣TEM分析結(jié)果

3結(jié)語

通過對H85和H90兩種黃銅材料大塑性變形行為的研究，得出如下結(jié)論：

1) 壓力可以促進(jìn)孿生機(jī)制的產(chǎn)生，且可以提高孿生密度。

2) 在較大的壓力下，H85和H90黃銅的塑性變形機(jī)制不是單純的位錯(cuò)滑移，而是位錯(cuò)和孿生的交互作用，使強(qiáng)度和塑性得到提高。

3) 對于層錯(cuò)能較低的H85，較大的壓力作用能夠使孿生優(yōu)先形核，在大塑性變形中形成了位錯(cuò)和孿生交互作用的變形機(jī)制，材料得到較為明顯的強(qiáng)化。

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Study of Twin Deformation of Brass Based on Sever Plastic Deformation

BAI Rong, WANG Jing-tao

(Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:It is proved that the sever plastic deformation is an effective approach to producation of ultrafine grain and nanocrystalline metallic materials. Two different deformation methods, namely equal channel angular pressing and rolling, are used to deform the brass H85 and H90. Through the microstructure observation, effect of pressure on brass plastic deformation mechanism is studied. Results show that twin density increases with increase in pressure, and plasticity and strength can be improved. In addition, lower stacking fault energy can promote twin nucleation earlier and the strengthening ability is improved greatly.

Keywords:sever plastic deformation; brass; pressure; stacking fault energy; twin

收稿日期：2014-1-02

中圖分類號(hào)：TG113.25+3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)03-0050-04

作者簡介：柏蓉(1989-)，女，安徽涂州人，碩士，主要從事教育工作。