大塑性变形状态下黄铜的孪生变形研究

柏蓉，王经涛

(南京理工大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210094)



大塑性变形状态下黄铜的孪生变形研究

柏蓉，王经涛

(南京理工大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210094)

摘要：大塑性变形是获取纳米孪晶材料的重要方法，为研究压力对铜锌合金变形行为的影响，分别采用等径角挤压和冷轧的方法使H85和H90黄铜试样进行发生塑性变形。通过微观组织观测，发现较大的压力下，两种材料的塑性变形机制是以孪生机制为主导的，较低的层错能可以使孪生优先形核，提高强化能力。

关键词：大塑性变形；黄铜；压力；堆垛层错能；孪晶

0引言

纳米孪晶材料具有高强度、高塑性以及高应变硬化性能的特点。孪晶面不但可以阻碍位错的运动，提高材料强度，还可以吸纳位错，提高材料塑性。同时孪晶界是共格界面，较高的高稳定性使得金属材料能够保持固有的抗腐蚀性和导电性[1]。卢磊[2]利用脉冲电沉积技术制备出纳米孪晶铜，其屈服强度最高能够达到900MPa，同时延伸率到13%。赵永好[3]利用高压扭转制备的超细晶铜锌合金块体，由于层错能的降低和孪晶密度的提高，制备出的材料呈现出良好的塑性。孪晶在纳米晶体和超细晶晶体中有着至关重要的作用。

变形孪晶一般在大应变、高应变率、低温和低层错能的条件下出现。其中堆垛层错能是材料固有的属性，堆垛层错能越低，扩展位错的宽度越宽，位错很难通过交滑移和攀移进行回复[4]。无论在大应变、高应变率还是在低温条件下，变形都会产生较高的流应力，这说明施加压力会对孪晶的形成具有一定影响。曹阳[5]通过利用高压扭转和冷轧两种不同的变形方式，在低应变速率下，对双相不锈钢DP3W进行了大塑性变形，分析了施加压力对面心立方相孪生变形机制的影响。实验在同一应变量的情况下，利用等径角挤压(ECAP)和冷轧两种不同的变形方式，分析压力对孪晶的影响，目的在于研究粗晶态FCC相在不同压力下的孪生变形机制，以及堆垛层错能对变形后材料性能的影响。

1实验

1.1实验材料

表1　H85和H90的主要质量分数(wt%)

为了能够得到均匀的组织，对H85和H90在750℃的温度条件下进行固溶处理，完成后用车床去除表面的氧化皮，样品直径变为19mm。

将ECAP实验中所用材料沿轴线方向取厚度为14mm的片体作为冷轧试样。

1.2实验设备与试样制备

ECAP成形设备选用YQ32-100型液压机，额定载荷达100t。等径角挤压ECAP原理如图1所示，其模具由两个等直径通道相交形成，其中外角Ψ为120°，内角Φ为20°。在室温下，选择Bc路径(变形1道次后，按顺时针方向将黄铜棒材旋转90°，再进行下道次的变形，重复进行该操作，便可以得到变形多道次的ECAP试样)，对H85和H90材料分别进行1、2、4道次ECAP变形。

图1　ECAP示意图[6]

根据Iwahashi[6]的相关研究，多道次ECAP试样的等效应变量可表示为：

(1)

其中，N为挤压道次。计算可得材料经过1、2、4道次ECAP变形后对应的等效应变量为0.64、1.27、2.54。

冷轧设备为普通的二辊轧机，电机的频率为5Hz，轧辊的转速为10r/min，轧辊几何参数为D130mm×50mm。

冷轧等效应变量[7]可表示为：

江苏虽然有120多所高校，43个“双一流”建设学科，但学科多从科学研究角度设置，40%左右与省内产业发展没有直接技术关联，特别是新兴产业需求的科技成果往往涉及多个学科的交叉，导致现有的学科设置满足不了产业创新发展新需求。2017年江苏高校各类基础研究成果达4.81万项，但实现技术转让的应用科研成果仅678项。全省高校院所每年只有5%左右的原创成果可应用转化，转化后能产生经济效益的又只占转化成果的30%左右。

(2)

其中，R为压下率(R=t/t0)(如图2)。为获得与ECAP试样相等的等效应变，分别取压下率为42%、67%、89%。为了较明显地区分ECAP和冷轧的压力，每道次冷轧成形压下量取0.5mm，逐步达到目标值。

图2　冷轧参数示意图

1.3试样分析

对ECAP和冷轧试样，在Y面(如图1和图2所示，Y面法矢垂直于施加压力和挤出方向)上取样进行组织分析。采用Axio CSM 700真实色共聚焦显微镜进行组织观察，制样方法为机械抛光，腐蚀液为10ml盐酸+10g氯化铁+100ml水。采用配置OXFORD Channel 5背散射电子衍射的SU1510扫描电镜获得取向成像图OIM，观察前试样在20 V电压下进行电解抛光，抛光液为25%磷酸+25%乙醇+50%去离子水。利用JEM-2000FXII透射电子显微镜进行微观特征与选区衍射斑点分析，加速电压为200 kV。

2试验结果与讨论

2.1不同变形方式下H90黄铜的微观组织对比分析

图3　黄铜H90在ECAP和冷轧变形后的组织形貌

对4道次ECAP试样进行背散色电子衍射分析(图4)，晶粒逐步等轴化，晶粒细化到50 μm以下。这主要是因为，随着ECAP挤压道次的增加，位错不断聚集、缠结，并与孪生交互作用，晶粒发生巨大的畸变，组织得到了明显的细化。

图4　H90黄铜在4道次ECAP变形后的取向分布图

2.2施加压力对力学性能影响

图5　不同变形方式下所得试样力学性能对比(ε=2.54)

ECAP变形中，材料承受的压力要远远大于冷轧样品，这导致两种变形方式中，材料的变形机制存在差异。与冷轧变形相比，ECAP过程需要施加的压力较大。孪生是一个突变的过程，静水压力越大，越能抑制缺陷的发生，且不发生剪切失稳[9]。特别是对于具有面心立方结构的黄铜，较大的静水压力保证了在大变形条件下不发生剪切断裂。

2.3堆垛层错能对变形后黄铜微观结构的影响

从图5中还可以看出，无论是在ECAP变形后，还是在冷轧变形后，黄铜H85的抗拉强度都比黄铜H90要高，而黄铜H85的初始抗拉强度却低于黄铜H90。这是因为H85层错能低于H90，层错能越低，越容易抑制位错滑移，越容易激活孪生变形机制。

图6　H85黄铜冷轧试样内部组织结构

图7为黄铜H90和H85经过4道次ECAP变形后的后Y面明场区透射电镜形貌。如图7(a)所示，黄铜H85的组织是由相互平行的板条状孪晶带组成，并沿剪切方向分布，图中黑色区域是位错胞之间激烈缠结的结果。在大塑性变形条件下，对于低层错能材料，位错不断聚集和缠结，不能发生重组相消，促使孪生出现。H85衍射斑点图，是由不连续环组成，为典型的{111}面孪晶衍射斑点图。图7(b)为H90黄铜的TEM形貌，位错缠结比较剧烈，孪晶较少，晶粒开始等轴化。H90衍射斑点图由连续环组成，小角度晶界转化为大角度晶界。在同一变形条件下，黄铜H90首先发生了等轴化，这是由于黄铜H90层错能较高，孪生密度较低，位错易于聚集和重组相消，孪生越难被激活。由透射电镜形貌图中可知H85孪晶密度很高，变形后试样的强度和塑性均比H90的高。

图7　4道次ECAP试样TEM分析结果

3结语

通过对H85和H90两种黄铜材料大塑性变形行为的研究，得出如下结论：

1) 压力可以促进孪生机制的产生，且可以提高孪生密度。

2) 在较大的压力下，H85和H90黄铜的塑性变形机制不是单纯的位错滑移，而是位错和孪生的交互作用，使强度和塑性得到提高。

3) 对于层错能较低的H85，较大的压力作用能够使孪生优先形核，在大塑性变形中形成了位错和孪生交互作用的变形机制，材料得到较为明显的强化。

参考文献:

[1] Lu K, Lu L,Suresh S. Strengthening materials by engineering coherent internal boundaries at the nanoscale[J]. Science, 2009, 324-349.

[2] 卢磊, 卢柯. 纳米孪晶金属材料[J] , 2010, 46(11): 1422-1427.

[3] Zhao Y H, Liao X Z, Zhu Y T, et al. Influence of stacking fault energy on nanostructure formation under high pressure torsion[J]. Materials Science and Engineering A, 2005, 410-411, 188-193.

[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).

[7] Lee J C, Seok H K, Suh J Y. Microstructural evolutions of the Al strip prepared by cold rolling and continuous equal channel angular pressing[J]. Acta Materialia, 2002, 50: 4004-4019.

[8] Xiao G H, Tao N R, Lu K. Microstructures and mechanical properties of a Cu-Zn alloy subjected to cryogenic dynamic plastic deformation[J]. Materials Science and Engineering A, 2009, 513-514: 13-21.

[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

中图分类号：TG113.25+3

文献标志码：B

文章编号：1671-5276(2015)03-0050-04

作者简介：柏蓉(1989-)，女，安徽涂州人，硕士，主要从事教育工作。