等通道擠壓大變形條件下原子的快速擴散行為研究

杜 柳，魏艷妮，李京龍，熊江濤

(1.西北工業大學 凝固技術國家重點實驗室，陜西 西安710072；2.西北工業大學 摩擦焊接陜西省重點實驗室，陜西 西安710072)

等通道擠壓大變形條件下原子的快速擴散行為研究

杜 柳1，2，魏艷妮1，2，李京龍1，2，熊江濤1，2

(1.西北工業大學 凝固技術國家重點實驗室，陜西 西安710072；2.西北工業大學 摩擦焊接陜西省重點實驗室，陜西 西安710072)

采用等通道擠壓(Equal Channel Angular Pressing，ECAP)作為大變形手段，通過Ag-Pb互不相溶體系在ECAP和平衡態兩種條件下原子擴散行為的對比，研究大變形條件下原子擴散行為。結果表明，ECAP條件下原子的熱激活擴散系數高出平衡態1～2個數量級，揭示了大變形條件下原子快速擴散行為的存在。

等通道擠壓大變形；快速擴散；平衡態；擴散系數

0 前言

近年來，由攪拌摩擦加工和大變形扭轉應變兩種摩擦加工技術為代表的大變形熱力耦合過程已成為制備非晶、納米晶等亞穩態材料的一種重要技術手段[1-3]，由于原子擴散是材料組織演變中最小尺度的動力學行為，所以，研究大變形條件下原子的擴散行為對揭示非平衡條件下的組織演變有著重要意義[4]。等通道擠壓法[5]作為一種操作簡單、成本低廉、變形均勻的大變形手段，已受到材料學界的普遍關注。

本研究采用等通道擠壓法研究大變形條件下原子的擴散行為，對Ag-Pb互不相溶體系進行多道次擠壓獲得累積大變形，通過對比大變形和平衡態下原子的熱激活擴散系數，揭示大變形條件下原子快速擴散行為的存在。

1 實驗材料和方法

等通道擠壓采用兩塊半圓形Pb錠中間夾層Ag箔制成實驗試樣，如表1所示，獲得如圖1所示的試樣，再放入等通道擠壓模具中，如圖2所示，以50 mm／min的擠壓速度分別進行6道次和12道次的等通道擠壓。

采用對比法，對6道次和12道次的實驗試樣經打磨、拋光、腐蝕后在光鏡下所得的金相照對比可以得出大變形條件下原子快速擴散行為的存在，以及通過采用掃描電子顯微鏡配EDS(Energy Disperse Spectroscopy)對Pb-Ag界面進行線掃描分析，獲得Pb-Ag界面的原子濃度分布曲線，再結合本征擴散系數公式和Arrhenius方程分別求得等通道擠壓大變形和同溫度條件下原子的熱激活擴散系數，對比可知大變形條件下原子快速擴散行為的存在。

表1 試樣參數Tab.1 sample parameters

圖1 材料Pb與Ag組合成試樣示意Fig.1 Schematic diagram of Ag and Pb sample

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

2 試驗結果與分析

2.1 變形量與擴散層厚度的變化關系

Ag-Pb試樣在經過6道次和12道次的擠壓變形后，分別獲得如圖3所示的金相組織和如圖4所示的濃度變化曲線。由圖3可知，經過12道次變形的Ag-Pb互擴散層的碎化程度明顯大于6道次；由圖4可知，12道次的Ag-Pb互擴散層厚度大于6道次。這是因為隨著擠壓道次的增加，試樣變形量增大，Ag-Pb互擴散層出現脫落剝離現象。由此可知，大變形促進了原子的互擴散，使互不相容的Ag-Pb體系能夠相互擴散并得到一定的擴散厚度。

2.2 熱激活擴散系數的計算和對比

圖3 ECAP多道次界面區放大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各道次原子本征擴散系數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的數據可知，同溫度下，經過大變形后的Ag、Pb擴散系數DAg和DPb在數量級上明顯高于平衡態下的Ag、Pb擴散系數，這表明，經過等通道擠壓大變形后，原子的擴散能力有了明顯提高，這從理論上說明了大變形條件下原子快速擴散行為的存在。

圖4 ECAP不同道次擴散組元濃度分布曲線Fig.4 Concentration distribution curve of diffusion composition at different ECAP passes

3 結論

(1)等通道擠壓法作為一種材料加工的大變形手段，能夠有效提高材料變形過程中原子的擴散能力。

(2)大變形條件下原子的快速擴散行為是存在的。

[1]鄭志軍，高 巖.塊體納米晶材料的大塑性變形制備技術[J].材料導報，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]李雪飛.Mg-Ti攪拌摩擦加工大變形條件下原子快速擴散行為[D].西安：西北工業大學，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，陜西商洛人，碩士，主要從事擴散焊技術方面的研究工作。