等径角挤压时铝材料显微组织演化研究

牟世娟　芦明霞

摘要：文章通过两套不同模具对铝材料进行等径角挤压，从微观上观察不同模具对材料挤压的显微组织特征，讨论了影响晶粒细化的因素。

关键词：等径角挤压；铝材料；显微组织；晶粒细化

中图分类号：TG115文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）07-0123-02

等径角挤压技术（Equal Channel Angular Processing，简称ECAP）是20世纪90年代初制备块体超细晶材料的一种有效新工艺。ECAP法是通过使材料在等径通道拐角处受到大变形量的剪切变形，从而细化晶粒，获得亚微米级或纳米级的显微组织结构。近年来，等径角挤压技术成为研究的热点，由于该方法能显著的细化晶粒，制备出微观结构均匀、致密的三维大尺寸超细晶材料，因此成为块体超细晶材料制备的一种热门技术，具有很大的工业应用潜力。

我们知道等径角挤压技术能够细化多晶材料的晶粒尺寸，使其达到亚微米或纳米尺寸范围的超细晶结构，因此越来越受到材料研究者的重视。目前研究者已对材料在等径角挤压过程中的显微组织特征和力学性能的测定进行了大量的研究。但是对于不同模具对材料挤压的显微组织演化规律的影响一直很少有报道。在本实验中，我们通过光学显微镜从微观上观察不同模具对材料挤压的显微组织特征。

一、实验

实验选用纯铝材料（99.9%），实验所用的模具的两通道横截面积都为10.10mm2（如图1所示）。所有的试样的等径角挤压过程都在室温下进行。

二、实验结果

图1是纯铝的微观结构。由图可知，纯铝具有粗大的等轴晶组织。

图1 纯铝的微观结构（100×）

a等径角挤压前的显微组织；b等径角挤压后的显微组织

图2 等径角挤压前后的显微组织

图2显示了试样在等径角挤压前和挤压后的显微组织。从a图中可以看到晶界清晰、晶粒很完整，但晶粒大小不均匀。b图显示了试样在复杂模具中挤压后的光学显微组织。从b图中可以看出试样单次挤压后的微观结构特征：晶粒发生明显的拉长变形，晶粒内部有剪切的痕迹，晶粒开始变小，但大小仍旧不均匀；二次挤压后晶粒发生了变形，被进一步拉长，出现了一些细小的晶粒，晶粒形貌变化不是很大；三次挤压后晶粒再次拉长，晶带平行分布在表面上；四次挤压后晶粒细化，出现大角度晶界。五次挤压后可以看到更多的细小晶粒。

从b图中，可以看到纯铝在等径角挤压后内部组织结构随挤压次数的不同内部组织结构发生了变化。随挤压次数的增加,晶粒形状变化很明显,晶粒呈拉长状，大颗粒的晶粒变成小颗粒的晶粒。

我们知道，从宏观上观察利用等径角挤压技术使材料产生大塑性形变，可导致不同面的粗大的等轴晶沿一定方向发生强烈扭转，并且在不同面上这种扭转的方向也不相同。为了理解这种现象，研究挤压材料的显微组织特征。

由图b的连续的挤压可以看出,各晶界的宽度相差很大,这主要是因晶粒的空间位移,部分晶粒在试样表面的凸出或凹进,在晶界上形成台阶所引起,这些台阶增大或缩小了晶界的宽度，近似等轴晶。晶界清晰，但是晶粒大小不均匀，平均晶粒尺寸，挤压一次后，晶粒发生了明显的拉长变形，使处于择优取向的一部分晶粒先得到了明显的细化，但晶界模糊，晶粒大小不均匀。并且一次挤压后在晶内的位错密度升高，位错趋于相互缠结在一起。晶粒发生了变形，被进一步拉长了，而且更加细小、均匀。这说明滑移带碎化后的晶粒为亚晶，亚晶之间略有位相差，还未形成大角度晶界。

三、等径角挤压时铝试样截面表面的演变

图3 纯铝不同道次ECAP变形后不同部位微观组织

图3中的上层显示了试样在等径角挤压不同道次下不同部位微观组织。从图中可以看到剪切变形相对均匀，剪切带粗大。增加变形道次，剪切带逐渐变细，且出现扭折、破碎，剪切方向清晰可辨。

图3中的中层显示了试样在等径角挤压不同道次下试样中心部分的微观组织。从图中可以看出，随着挤压次数的增多，试样的中心部分剪切带变细，而且有一定的规则性，同时可以明显看到剪切的痕迹，剪切变形相对均匀，这样有利于晶粒的细化和形成等轴晶。

图3中的下层显示了试样在等径角挤压不同道次试样前部的微观组织。从图中可以明显地看到比较直的剪切线，剪切痕迹明显，随着挤压次数的增多，缺陷不是很明显。

四、结论

1．纯铝在经过等径角挤压变形后，显微组织发生很大变化，随着挤压次数的增多，晶粒逐渐拉长，晶带平滑移动。

2．一次挤压后材料中位错密度急剧增加，形成位错纠缠，晶粒细化的效果最明显。继续挤压，位错逐渐由晶内移动到晶界上，在晶界形成胞状组织，最后逐渐变成了清晰的小角度晶界或大角度晶界，从而实现组织的超细化，再继续挤压，位错的增殖和湮灭达到动态平衡，同时随着内能的增加，回复作用逐渐明显，晶粒的大小基本上不再变化，但更加均匀。

3．影响晶粒细化的因素主要有晶体结构、摩擦条件、挤压温度、剪切面等。

作者简介：牟世娟（1979－），女，吉林长春人，沈阳理工大学理学院助教，硕士，研究方向：纳米材料的制备与应用。