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4 有色金属材料的晶粒细化固态工艺

制备纳米晶和超细晶（UFG）的方法主要由如下两种:（1）Top-down工艺，旨在细化常规组织材料的晶粒；（2）Bottom-up工艺，旨在从原子和分子的基础上合成细小的晶粒组织。通常制备UFG组织的方法有：快速凝固、气相沉积、机械合金化、低温金属成型和剧塑性变形（Severe plastic deformation, SPD）等。SPD技术中用于制造具有UFG组织的板材和块材，如等通道角挤压（Equal-channel angular extrusion, ECAE）、高压扭转（High-pressure torsion, HPT）和多轴压缩/锻造（Multi-axial compressions/forging, MAC/F）等技术用于制备块体材料；累积叠轧（Accumulative roll-bonding, ARb）和连续剪切变形（Conshearing process）等技术用于制备板带材。

通常金属材料的晶粒细化主要是通过传统的塑性变形加工和随后的退火工艺（发生再结晶和晶粒长大）来获得，常规工艺所制备的材料的晶粒尺寸最小约10μm。

通过热挤压等方式获得的变形镁合金比铸造镁合金具有更优良的性能、更多的样式、更高的生产率，一般认为，变形镁合金之所以比铸造镁合金性能好，是因为热变形后其组织均匀、晶粒细小，并消除了铸造缺陷。

等通道角挤压是通过强烈塑性变形而获得大尺寸亚微米或纳米块体材料的有效方法，是一种可以使传统的铸锭均质化、细晶化的新技术。它被认为是细化常规材料至亚微米级甚至纳米级最具有工业化应用前景的技术之一。

它是通过两个轴线相交且截面尺寸相等的通道，将被加工材料挤出。因通道的转角作用，在加工过程中材料发生剪切变形，使材料产生大的剪切应变，并由此导致位错的重排从而使晶粒得到细化。

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ECAP 采用塑性变形的方法, 变形前后试样的形状和尺寸基本不变,因此可以进行多道次的挤压, 利用加工过程中剪切变形和加工硬化, 从而在不改变材料成分和形状的条件下, 利用加工过程中存在的加工硬化、动态回复以及动态再结晶来控制材料微观组织的形成和发展, 达到细化晶粒提高材料性能的目的。该技术直接使用铸锭作为生产原料, 大大降低了生产成本。

较有代表性的几种ECAP工艺

大比率挤压与传统的挤压不同，它大大提高了挤压比（通常为100:1）。在热挤压过程中，由于挤压比较大，晶粒被拉长以致断裂成微小的颗粒，晶粒之间的相互摩擦加剧了破碎过程，而且弥散分布的第二相质点也会阻碍晶粒长大，从而获得细小晶粒组织。

大比率挤压工艺及挤压后的晶粒尺寸

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累积叠轧是将表面进行脱脂及加工硬化等处理后的尺寸相等的两块金属薄板材料在一定温度下叠轧并使其自动焊合，然后重复进行相同的工艺反复叠轧焊合，从而使材料的组织得到细化、夹杂物分布均匀，大幅度提高材料的力学性能。轧制是制备板材最具优势的塑性变形工艺，然而随着材料厚度的减小，材料的总应变量受到限制。在累积叠轧工艺中，材料可以反复轧制，累积应变可以达到较大值，在理论上能获得很大的压下量，突破了传统轧制压下量的限制，并可连续制备薄板类的超细晶金属材料，因此ARB 工艺被认为是剧变形工艺中惟一有希望能工业化生产大块超细晶金属材料的方法。

累积叠轧与异步叠轧工艺原理

ARB已被成功应用于纯铝、铝合金和无间隙钢(Interstitial free, IF)及少量的变形镁合金，其中ARB 铝合金包括纯铝(1100) 、Al-Mn(3003) 、Al-Mg(5083) 、Al-Mg-Si(6061) 、Al-Fe-Si(8011) 、Al-Cu合金(Al-2Cu)和铝基复合材料。

各种材料经过ARB变形后的组织与拉伸性能

异步叠轧技术（AARB）是在累积叠轧技术的基础上衍生出来的。它的出现降低了轧制力，增大了变形量，提高了产品的表面质量。异步叠轧过程与累积叠轧过程基本相同，而轧辊存在大小差异。导致了中性面偏向快速辊一侧， 使材料的几何中心层与实际中心层不重合。异步叠轧技术具有累积叠轧技术不具有的优势，但也有累积叠轧技术的不足之处。

高压扭转技术是塑性变形中细化晶粒效果最好的。使用的设备主要由压头和模具两部分组成。材料放入模具内，通过压头对其施加很大的压力，同时转动压头，使材料在轴向发生压缩和切向发生剪切的特殊塑性变形。变形量的大小由旋转的圈数所决定。变形过程中各向受力均匀，得到的晶粒尺寸较小且均匀化。目前高压旋转技术已对铝合金、铜合金、钛合金、复合材料以及钢铁材料方面进行了研究，结果表明，晶粒得到了细化，力学性能得到明显改善。

高压扭转技术可制备形状对称的产品，尤其是较薄的圆盘状产品。由于设备的限制，很难实现大型件的工业化生产， 但其优良的细化效果和获得的组织较均匀，是制备块状亚微米晶、微米晶、以及纳米晶的主要方法之一。

将等通道挤压技术和高压扭转技术相结合起来形成一种新的强塑性变形技术，即扭转通道多角度挤压技术（TCMAP）。该技术结合了等通道挤压技术和高压扭转技术的优点，材料通过该模具，整体都得到变形，加工出来的产品应力分布均匀，内部组织均匀细小。

等通道挤压、高压扭转和扭转通道多角度挤压示意图

往复挤压技术（Cyclic Extrusion Compression, CEC）的基本原理：模具由两个模腔、一个紧缩区和放置于两模腔内的冲头构成。两模腔截面积相等，在同一条轴线上，通过中间的紧缩区连接。在挤压过程中，试样在冲头的作用下，到达紧缩区，试样将受到正挤压变形，挤压后的试样在另一个模腔的冲头作用下，发生镦粗变形。然后另一边冲头将试样按上述过程反向亚辉，完成一个挤压循环，重复以上过程，直至获得所要的应变为止，这时移去一测冲头，就可以将试样挤出成型。材料经过往复来回的挤压和压缩，产生很大的应变，从而得到超细、等轴的超细晶组织。

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以上所述晶粒细化方法不限于该材料，也可用于其他金属材料，如有色金属材料的固态工艺也可用于钢铁材料的晶粒细化，而有色金属材料的固态工艺也可以借鉴钢铁材料的形变热处理相关的方法。

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