超细晶材料(晶粒尺寸介于10 nm~1 000nm)表现出一系列不寻常的物理、化学、力学性能而引起广泛的关注.研究表明,强烈塑性变形(se-vere plastic deformation简称SPD)<1>可制备超细晶材料.其主要方法有两种:一是等径弯曲通道变形(equal channel angular pressing)<2>;另一是强烈塑性扭转变形(severe plastic torsion straining)<3>.由Segal提出的等径弯曲通道挤压方法是将试样放入横截面形状 完全相同、并成一定交角的弯曲通道中(如图1所示),试样在冲头作用下通过弯曲通道时,发 生强烈的剪切变形.改变通道弯曲角度,可控制试样一道次的变形量.在为90°时,每道次的 等效应变接近1<4>.变形前后试样的外形尺寸不变,可用同一试样重复进行多道次变形,即可 获得很高的等效应变.目前,用等径弯曲通道挤压法已经制备出多种致密的块状超细晶材料,如铝及铝合金<5>、镁及镁合金<6>、钛及钛合金<7>和金属化合物等<8>.图1FCAP示意图对于珠光体钢,改善其渗碳体形状和分布状况,有利于提高钢材的综合性能和各种冷 、热加工工艺性.因此,本文就ECAP热变形中,珠光体钢渗碳体球化演变规律进行研究.1实验材料和方法本实验采用的实验材料是65Mn钢热轧材,其化学成分如表1所示,试样尺寸为15mm×15mm×60 mm,在挤压机上用自行研制的等径弯曲通道变形模具(=90°),在变形温度为650℃时重复进行5道次热变形,每进行后续道次变形时,试样沿纵向轴线旋转180°后置入模具.表165M n珠光体钢的化学成分(%)C S i Mn P S N i C r Cu0.05 0.2 0.90 0.035 0.030 0.25 0.30 0.25透射电镜试样的切取位置为ECAP变形试样中部的均匀变形区,观察面沿试样纵向剖面.切取3×3×0·3 mm的薄片作为金属薄膜透射电镜试样,经机械减薄至0·08 mm厚后,在MTP-1双喷电解减薄器上减薄该试样,其电解电压为70 V、电流为20 A,用液氮冷却.电解液成分是5%高氯酸和95%乙醇.薄膜试样在JCM-200CX透射电子显微镜下观察并拍照.其加速电压为160 kV.2实验结果及分析2·1实验用钢原始态组织形貌实验用钢的原始态组织如图2所示.其组织 为片层状的珠光体组织,测得平均片层间距为0·17μm.相组成物为90·3%的铁素体和9 ·7%的渗碳体.2·2一道次热变形后的珠光体组织和渗碳体片的“碎化”2·2·1珠光体组 织的三种典型的变形协调模式在透射电镜中可以发现,原始组织为层片状的珠光体经过一道次EC AP变形后,由于强烈的剪切变形作用,其内的渗碳体层片发生多种形式的变形和破裂,以与珠光 体的变形相协调,而由于珠光体的空间位向和其上作用的应力场各不相同,这种协调变形的模式不 可能是单一的,在本实验中共观察到珠光体组织的三种典型的协调变形模式:1)周期性弯曲变形 组织(如图3a所示).片层组织以某一种规则的方式共同的被弯曲成波状,但彼此仍保持相互平 行,具有周期性的波峰和波谷.渗碳体片层在波峰和波谷处逐渐的改变方向,每一片渗碳体仍保持 连续但没有弯曲裂纹出现.这种周期性的弯曲变形模式是渗碳体片层为了协调ECAP强烈剪切变 形而呈现的不太急剧反应.也是片层珠光体组织ECAP变形后最典型的特征.2)周期性剪切变 形组织(如图3b所示).整个片层以一种有规则的方式被剪切,但彼此仍是相互平行.与周期性 弯曲不同的是在周期性剪切中片层在顶点处急剧地改变方向.这种周期性剪切变形模式是渗碳体片 层为了协调ECAP强烈剪切变形而呈现的急剧反应.3)严重的剪切断裂组织(如图3c所示) .从图中可以看出,相互平行的渗碳体由于受到几乎垂直于本身的剪切力作用,而发生剪切破裂. 这种变形模式是片层为了协调ECAP强烈剪切变形而呈现的最急剧反应.2·2.2渗碳体片的 “碎化”不管珠光体组织以哪种模式变形,明场中的渗碳体片基本上都是相互平行且连续的,看不 出裂纹或破碎.而相应的暗场却可以清楚的看出渗碳体片一节亮、一节暗,表明其已经“破碎”, 但仍沿着渗碳体片层方向排列,如图4所示.可见由于渗碳体的塑性变形,其内部产生了大量的晶 体缺陷或亚晶界,因而在明场下看似连续的渗碳体片,在暗场下表现为细小碎块的聚集体.这也为 后来渗碳体的加速球化打下了基础.图4第一道次变形后的渗碳体组织及选区衍射谱ECAP变形 一道次后,片层状的珠光体组织发生了强烈的塑性变形.但图4中铁素体的衍射斑点仍为规则排列 的斑点,说明ECAP变形一道次后珠光体铁素体仍可看作是一单晶体.在误差允许范围内铁素体 和渗碳体的Bagatyaskii取向<9>关系仍存在.正是由于渗碳体在初始道次的ECA P变形中保持了与铁素体的取向关系,从而使铁素体中的位错塞积所产生的强大应力场可以激发渗 碳体中更多的滑移系参与变形,因此,65Mn珠光体钢中的渗碳体也可以表现出塑性变形能力. 2·3多道次热变形后的珠光体组织和渗碳体的球化实验用钢ECAP变形两道次后珠光体组织如 图5a所示.铁素体基体中的位错密度很高,基体中出现了大量相互缠结的位错团,片层的渗碳体 已不存在,出现了大量的渗碳体球,球状特征明显.该组织相应的选区衍射斑点中除了一两个铁素 体基体斑点被拉长以外,铁素体的衍射斑点仍为规则排列的斑点,说明铁素体基体仍为单晶组织. 与图4相比,渗碳体的衍射斑点不规则且杂乱,说明球化后渗碳体与铁素体已经不存在取向关系. 渗碳体球的平均尺寸为0·15μm,均匀地分布于铁素体基体中.两道次ECAP热变形后,渗 碳体表现出明显的加速球化特征,试样中已经是以球化的和颗粒状的渗碳体为主要形貌特征.这种 加速球化是由于试样剧烈塑性变形造成渗碳体实质上已经破碎.实验用钢ECAP热变形五道次后 珠光体组织如图5b所示,片层状的珠光体组织进一步演变成为超细的渗碳体颗粒均匀分布于超细 晶铁素体基体的组织.铁素体基体为均匀的等轴晶,平均晶粒大小为0·3μm.而渗碳体球的平 均尺寸为0·11μm,均匀地分布于铁素体基体中,与图5(a)中的衍射斑点相比,图5(b )中的衍射斑点数量、被拉长的衍射斑点数量和衍射环明显增加,基本形成环状,这表明不但大角度晶界所占比例增加,而且变形组织中的晶界逐渐过渡为由大角度晶界分割的多晶组织.这是因为随着挤压道次的增加晶界位错的积累使小角度晶界转化为大角度晶界.图5ECAP变形后珠光体钢的TEM组织形貌及选区衍射谱3结论1)本文成功实现了珠光体钢65M n的650℃ECAP变形.片层状的珠光体组织演变成为超细的渗碳体颗粒均匀分布于超细晶铁 素体基体的组织.变形五道次后铁素体基体为均匀的等轴晶,平均晶粒大小为0·3μm.球状渗 碳体平均尺寸为0·11μm.2)在一道次ECAP热变形中,65Mn珠光体钢中的渗碳体以 周期性的弯曲变形,周期性的剪切变形,剪切断裂等形式协调ECAP的强烈塑性变形.其渗碳体 表现出塑性变形能力,这是由于渗碳体在初始道次的ECAP变形中保持了与铁素体的取向关系, 从而使铁素体中的位错塞积可以推动渗碳体中更多的滑移系参与变形.3)由于一道次变形后,在 渗碳体内部导入了大量的晶体缺陷或亚晶界,使得在明场下看似连续的渗碳体片,在暗场下表现为 细小碎块的聚集体.这为后来渗碳体的加速球化打下了基础.4)在本实验的多道次ECAP热变 形过程中,渗碳体表现出明显的加速球化特征.两道次ECAP变形后,渗碳体实质上已经破碎, 试样中已经是球化的和颗粒状的渗碳体为主要形貌特征.而经五道次热变形后,则进一步演变为超 细球状渗碳体均匀分布于超细晶铁素体基体的组织.ECAP变形道次对珠光体钢中渗碳体球化的影响@王立忠$西安交通大学机械工程学院!陕西西安710049
@王经涛$南京理工大学材料科学与工程系!江苏南京210094
@黄俊霞$南京理工大学材料科学与工程系!江苏南京210094
@郭成$西安交通大学机械工程学院!陕西西安710049
@陈金德$西安交通大学机械工程学院!陕西西安710049成功地实现了珠光体钢65Mn的等 径弯曲通道变形(ECAP),并研究在650℃不同ECAP变形道次的条件下渗碳体球化的演 化过程.结果表明,渗碳体在ECAP热变形过程中表现出明显的加速球化特征.第一道次ECA P热变形后,片状的渗碳体演化为细小碎块的聚集体;第二道次热变形后,渗碳体实质上已破碎, 呈现出颗粒状和球化渗碳体的主要形貌特征;第五道次ECAP热变形后,进一步演化为超细的球 状渗碳体均匀分布于超细晶铁素体基体的组织.等径弯曲通道变形;;
超细晶材料;;渗碳体<1>VALIEVR Z,ISLAMGALIEV R K,ALEXANDROV IV.Bu lk nanostructured m aterials from severe p lastic de-form ation
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