等通道挤压大变形条件下原子的快速扩散行为研究

杜 柳，魏艳妮，李京龙，熊江涛

(1.西北工业大学 凝固技术国家重点实验室，陕西 西安710072；2.西北工业大学 摩擦焊接陕西省重点实验室，陕西 西安710072)

等通道挤压大变形条件下原子的快速扩散行为研究

杜 柳1，2，魏艳妮1，2，李京龙1，2，熊江涛1，2

(1.西北工业大学 凝固技术国家重点实验室，陕西 西安710072；2.西北工业大学 摩擦焊接陕西省重点实验室，陕西 西安710072)

采用等通道挤压(Equal Channel Angular Pressing，ECAP)作为大变形手段，通过Ag-Pb互不相溶体系在ECAP和平衡态两种条件下原子扩散行为的对比，研究大变形条件下原子扩散行为。结果表明，ECAP条件下原子的热激活扩散系数高出平衡态1～2个数量级，揭示了大变形条件下原子快速扩散行为的存在。

等通道挤压大变形；快速扩散；平衡态；扩散系数

0 前言

近年来，由搅拌摩擦加工和大变形扭转应变两种摩擦加工技术为代表的大变形热力耦合过程已成为制备非晶、纳米晶等亚稳态材料的一种重要技术手段[1-3]，由于原子扩散是材料组织演变中最小尺度的动力学行为，所以，研究大变形条件下原子的扩散行为对揭示非平衡条件下的组织演变有着重要意义[4]。等通道挤压法[5]作为一种操作简单、成本低廉、变形均匀的大变形手段，已受到材料学界的普遍关注。

本研究采用等通道挤压法研究大变形条件下原子的扩散行为，对Ag-Pb互不相溶体系进行多道次挤压获得累积大变形，通过对比大变形和平衡态下原子的热激活扩散系数，揭示大变形条件下原子快速扩散行为的存在。

1 实验材料和方法

等通道挤压采用两块半圆形Pb锭中间夹层Ag箔制成实验试样，如表1所示，获得如图1所示的试样，再放入等通道挤压模具中，如图2所示，以50 mm／min的挤压速度分别进行6道次和12道次的等通道挤压。

采用对比法，对6道次和12道次的实验试样经打磨、抛光、腐蚀后在光镜下所得的金相照对比可以得出大变形条件下原子快速扩散行为的存在，以及通过采用扫描电子显微镜配EDS(Energy Disperse Spectroscopy)对Pb-Ag界面进行线扫描分析，获得Pb-Ag界面的原子浓度分布曲线，再结合本征扩散系数公式和Arrhenius方程分别求得等通道挤压大变形和同温度条件下原子的热激活扩散系数，对比可知大变形条件下原子快速扩散行为的存在。

表1 试样参数Tab.1 sample parameters

图1 材料Pb与Ag组合成试样示意Fig.1 Schematic diagram of Ag and Pb sample

图2 ECAP模具工作原理示意Fig.2 Schematic diagram of ECAP mold work

2 试验结果与分析

2.1 变形量与扩散层厚度的变化关系

Ag-Pb试样在经过6道次和12道次的挤压变形后，分别获得如图3所示的金相组织和如图4所示的浓度变化曲线。由图3可知，经过12道次变形的Ag-Pb互扩散层的碎化程度明显大于6道次；由图4可知，12道次的Ag-Pb互扩散层厚度大于6道次。这是因为随着挤压道次的增加，试样变形量增大，Ag-Pb互扩散层出现脱落剥离现象。由此可知，大变形促进了原子的互扩散，使互不相容的Ag-Pb体系能够相互扩散并得到一定的扩散厚度。

2.2 热激活扩散系数的计算和对比

图3 ECAP多道次界面区放大50倍的Ag箔分布Fig.3 50 times microscope of the Ag foil distribution at the diffusion boundary in ECAP

表2 ECAP各道次原子本征扩散系数Tab.2 Intrinsic diffusion coefficient of atomic at different ECAP passes m2／s

DAg DPb 7.65×10-17 6.58×10-34

由表2、表3的数据可知，同温度下，经过大变形后的Ag、Pb扩散系数DAg和DPb在数量级上明显高于平衡态下的Ag、Pb扩散系数，这表明，经过等通道挤压大变形后，原子的扩散能力有了明显提高，这从理论上说明了大变形条件下原子快速扩散行为的存在。

图4 ECAP不同道次扩散组元浓度分布曲线Fig.4 Concentration distribution curve of diffusion composition at different ECAP passes

3 结论

(1)等通道挤压法作为一种材料加工的大变形手段，能够有效提高材料变形过程中原子的扩散能力。

(2)大变形条件下原子的快速扩散行为是存在的。

[1]郑志军，高 岩.块体纳米晶材料的大塑性变形制备技术[J].材料导报，2008，22(1)：90-93.

[2] Valiev R Z，Mukherjee A K.Nanostructures and unique properties in intermetallics，subjected to severe plastic deformation[J].Scripta Materialia，2001(44)：1747-1750.

[3] Fukumoto S，Tsubakino H，Okita K，et al.Amorphization by friction welding between 5052 aluminum alloy and 304 stainless steel[J].Scripta materialia，2000(42)：807-812.

[4]李雪飞.Mg-Ti搅拌摩擦加工大变形条件下原子快速扩散行为[D].西安：西北工业大学，2010.

[5] Ferrasse S，Segal V M.Microstructure and properties of copper and aluminum alloy 3003 heavily worked by equal channel angular extrusion[J].Metallurgical and Materials Trasanctions A，1997(28A)：1047-1057.

Study of atomic superdiffusion phenomenon with the method of equal channel_angular pressing severe plastic deformation

DU Liu1，2，WEI Yan-ni1，2，LI Jing-long1，2，XIONG Jiang-tao1，2
(1.State Key Laboratory of Solidification Processing，Xi＇an 710072，China；2.Shaanxi Key Laboratory of Friction Technologies，Xi＇an 710072，China)

In this peper，Equal Channel Angular Pressing is chosen as severe plastic deformation，by comparing the diffusion action of ECAP and equilibrium condition in Ag-Pb immiscible system to study the atom diffusion action under severe plastic deformation condition.The study results show that：The diffusion coefficient under ECAP condition is one to two orders of magnitude higher than that of the equilibrium，which reveal the exist of superdiffusion in severe plastic deformation.

equal channel angular pressing；superdiffusion；equilibrium；diffusion coefficient

TG453+.9

A

1001-2303(2012)08-0091-03

2012-04-04

杜 柳(1988—)，女，陕西商洛人，硕士，主要从事扩散焊技术方面的研究工作。