大塑性變形狀態下黃銅的孿生變形研究

柏蓉，王經濤

(南京理工大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210094)

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大塑性變形狀態下黃銅的孿生變形研究

柏蓉，王經濤

(南京理工大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210094)

摘要：大塑性變形是獲取納米孿晶材料的重要方法，為研究壓力對銅鋅合金變形行為的影響，分別采用等徑角擠壓和冷軋的方法使H85和H90黃銅試樣進行發生塑性變形。通過微觀組織觀測，發現較大的壓力下，兩種材料的塑性變形機制是以孿生機制為主導的，較低的層錯能可以使孿生優先形核，提高強化能力。

關鍵詞：大塑性變形；黃銅；壓力；堆垛層錯能；孿晶

0引言

納米孿晶材料具有高強度、高塑性以及高應變硬化性能的特點。孿晶面不但可以阻礙位錯的運動，提高材料強度，還可以吸納位錯，提高材料塑性。同時孿晶界是共格界面，較高的高穩定性使得金屬材料能夠保持固有的抗腐蝕性和導電性[1]。盧磊[2]利用脈沖電沉積技術制備出納米孿晶銅，其屈服強度最高能夠達到900MPa，同時延伸率到13%。趙永好[3]利用高壓扭轉制備的超細晶銅鋅合金塊體，由于層錯能的降低和孿晶密度的提高，制備出的材料呈現出良好的塑性。孿晶在納米晶體和超細晶晶體中有著至關重要的作用。

變形孿晶一般在大應變、高應變率、低溫和低層錯能的條件下出現。其中堆垛層錯能是材料固有的屬性，堆垛層錯能越低，擴展位錯的寬度越寬，位錯很難通過交滑移和攀移進行回復[4]。無論在大應變、高應變率還是在低溫條件下，變形都會產生較高的流應力，這說明施加壓力會對孿晶的形成具有一定影響。曹陽[5]通過利用高壓扭轉和冷軋兩種不同的變形方式，在低應變速率下，對雙相不銹鋼DP3W進行了大塑性變形，分析了施加壓力對面心立方相孿生變形機制的影響。實驗在同一應變量的情況下，利用等徑角擠壓(ECAP)和冷軋兩種不同的變形方式，分析壓力對孿晶的影響，目的在于研究粗晶態FCC相在不同壓力下的孿生變形機制，以及堆垛層錯能對變形后材料性能的影響。

1實驗

1.1實驗材料

表1　H85和H90的主要質量分數(wt%)

為了能夠得到均勻的組織，對H85和H90在750℃的溫度條件下進行固溶處理，完成后用車床去除表面的氧化皮，樣品直徑變為19mm。

將ECAP實驗中所用材料沿軸線方向取厚度為14mm的片體作為冷軋試樣。

1.2實驗設備與試樣制備

ECAP成形設備選用YQ32-100型液壓機，額定載荷達100t。等徑角擠壓ECAP原理如圖1所示，其模具由兩個等直徑通道相交形成，其中外角Ψ為120°，內角Φ為20°。在室溫下，選擇Bc路徑(變形1道次后，按順時針方向將黃銅棒材旋轉90°，再進行下道次的變形，重復進行該操作，便可以得到變形多道次的ECAP試樣)，對H85和H90材料分別進行1、2、4道次ECAP變形。

圖1　ECAP示意圖[6]

根據Iwahashi[6]的相關研究，多道次ECAP試樣的等效應變量可表示為：

(1)

其中，N為擠壓道次。計算可得材料經過1、2、4道次ECAP變形后對應的等效應變量為0.64、1.27、2.54。

冷軋設備為普通的二輥軋機，電機的頻率為5Hz，軋輥的轉速為10r/min，軋輥幾何參數為D130mm×50mm。

冷軋等效應變量[7]可表示為：

江蘇雖然有120多所高校，43個“雙一流”建設學科，但學科多從科學研究角度設置，40%左右與省內產業發展沒有直接技術關聯，特別是新興產業需求的科技成果往往涉及多個學科的交叉，導致現有的學科設置滿足不了產業創新發展新需求。2017年江蘇高校各類基礎研究成果達4.81萬項，但實現技術轉讓的應用科研成果僅678項。全省高校院所每年只有5%左右的原創成果可應用轉化，轉化后能產生經濟效益的又只占轉化成果的30%左右。

(2)

其中，R為壓下率(R=t/t0)(如圖2)。為獲得與ECAP試樣相等的等效應變，分別取壓下率為42%、67%、89%。為了較明顯地區分ECAP和冷軋的壓力，每道次冷軋成形壓下量取0.5mm，逐步達到目標值。

圖2　冷軋參數示意圖

1.3試樣分析

對ECAP和冷軋試樣，在Y面(如圖1和圖2所示，Y面法矢垂直于施加壓力和擠出方向)上取樣進行組織分析。采用Axio CSM 700真實色共聚焦顯微鏡進行組織觀察，制樣方法為機械拋光，腐蝕液為10ml鹽酸+10g氯化鐵+100ml水。采用配置OXFORD Channel 5背散射電子衍射的SU1510掃描電鏡獲得取向成像圖OIM，觀察前試樣在20 V電壓下進行電解拋光，拋光液為25%磷酸+25%乙醇+50%去離子水。利用JEM-2000FXII透射電子顯微鏡進行微觀特征與選區衍射斑點分析，加速電壓為200 kV。

2試驗結果與討論

2.1不同變形方式下H90黃銅的微觀組織對比分析

圖3　黃銅H90在ECAP和冷軋變形后的組織形貌

對4道次ECAP試樣進行背散色電子衍射分析(圖4)，晶粒逐步等軸化，晶粒細化到50 μm以下。這主要是因為，隨著ECAP擠壓道次的增加，位錯不斷聚集、纏結，并與孿生交互作用，晶粒發生巨大的畸變，組織得到了明顯的細化。

圖4　H90黃銅在4道次ECAP變形后的取向分布圖

2.2施加壓力對力學性能影響

圖5　不同變形方式下所得試樣力學性能對比(ε=2.54)

ECAP變形中，材料承受的壓力要遠遠大于冷軋樣品，這導致兩種變形方式中，材料的變形機制存在差異。與冷軋變形相比，ECAP過程需要施加的壓力較大。孿生是一個突變的過程，靜水壓力越大，越能抑制缺陷的發生，且不發生剪切失穩[9]。特別是對于具有面心立方結構的黃銅，較大的靜水壓力保證了在大變形條件下不發生剪切斷裂。

2.3堆垛層錯能對變形后黃銅微觀結構的影響

從圖5中還可以看出，無論是在ECAP變形后，還是在冷軋變形后，黃銅H85的抗拉強度都比黃銅H90要高，而黃銅H85的初始抗拉強度卻低于黃銅H90。這是因為H85層錯能低于H90，層錯能越低，越容易抑制位錯滑移，越容易激活孿生變形機制。

圖6　H85黃銅冷軋試樣內部組織結構

圖7為黃銅H90和H85經過4道次ECAP變形后的后Y面明場區透射電鏡形貌。如圖7(a)所示，黃銅H85的組織是由相互平行的板條狀孿晶帶組成，并沿剪切方向分布，圖中黑色區域是位錯胞之間激烈纏結的結果。在大塑性變形條件下，對于低層錯能材料，位錯不斷聚集和纏結，不能發生重組相消，促使孿生出現。H85衍射斑點圖，是由不連續環組成，為典型的{111}面孿晶衍射斑點圖。圖7(b)為H90黃銅的TEM形貌，位錯纏結比較劇烈，孿晶較少，晶粒開始等軸化。H90衍射斑點圖由連續環組成，小角度晶界轉化為大角度晶界。在同一變形條件下，黃銅H90首先發生了等軸化，這是由于黃銅H90層錯能較高，孿生密度較低，位錯易于聚集和重組相消，孿生越難被激活。由透射電鏡形貌圖中可知H85孿晶密度很高，變形后試樣的強度和塑性均比H90的高。

圖7　4道次ECAP試樣TEM分析結果

3結語

通過對H85和H90兩種黃銅材料大塑性變形行為的研究，得出如下結論：

1) 壓力可以促進孿生機制的產生，且可以提高孿生密度。

2) 在較大的壓力下，H85和H90黃銅的塑性變形機制不是單純的位錯滑移，而是位錯和孿生的交互作用，使強度和塑性得到提高。

3) 對于層錯能較低的H85，較大的壓力作用能夠使孿生優先形核，在大塑性變形中形成了位錯和孿生交互作用的變形機制，材料得到較為明顯的強化。

參考文獻:

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[4] Christian J W, Mahajan S. Deformation twinning[J]. Progress in Materials Science, 1995, 39:1.

[5] Cao Y, Wang Y B, Liao X Z, et al. Applied stress controls the production of nano-twins in coarse-grained metals. 2012, 101(23): 1-5.

[6] Iwahashi Y, Horita Z, Nemoto M, et al. Principle of equal-channel angular pressing for the processing of ultra-fine grained materials[J]. Scripta Materialia, 1996, 35(2).

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[9] Christian J W, Mahajan S M. Deformation twinning[J]. Progress in Materials Science, 1995, 39: 1-157.

Study of Twin Deformation of Brass Based on Sever Plastic Deformation

BAI Rong, WANG Jing-tao

(Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:It is proved that the sever plastic deformation is an effective approach to producation of ultrafine grain and nanocrystalline metallic materials. Two different deformation methods, namely equal channel angular pressing and rolling, are used to deform the brass H85 and H90. Through the microstructure observation, effect of pressure on brass plastic deformation mechanism is studied. Results show that twin density increases with increase in pressure, and plasticity and strength can be improved. In addition, lower stacking fault energy can promote twin nucleation earlier and the strengthening ability is improved greatly.

Keywords:sever plastic deformation; brass; pressure; stacking fault energy; twin

收稿日期：2014-1-02

中圖分類號：TG113.25+3

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)03-0050-04

作者簡介：柏蓉(1989-)，女，安徽涂州人，碩士，主要從事教育工作。