外文翻譯--循環(huán)擴張擠壓劇烈塑性變形的新方法的發(fā)展（譯文）

1、<p><b>　　中文5932字</b></p><p>　　出處：Pardis N, Chen C, Shahbaz M, et al. Development of new routes of severe plastic deformation through cyclic expansion–extrusion process[J]. Materials Science

2、and Engineering: A, 2014, 613: 357-364.</p><p><b>　　英文文獻翻譯</b></p><p>　　學(xué) 生 姓 名： </p><p>　　學(xué) 院： 機電工程學(xué)院

3、 </p><p>　　專業(yè)及班級： 材料成型及控制工程 </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　2015 年

4、 4 月 25 日</p><p>　　循環(huán)擴張擠壓劇烈塑性變形的新方法的發(fā)展</p><p>　　N. Pardis，C. Chen，M. Shahbaz，R. Ebrahimi，L.S. Toth</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文介紹了劇烈塑性變形技術(shù)、循環(huán)擴張擠壓（CEE）兩

5、種新的加工路線。兩種加工路線（I 和II）選用鋁合金1050試驗；研究加工的試樣并比較其微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性，觀察發(fā)現(xiàn)：在兩種加工路線中都應(yīng)用CEE后，機械性能顯著改善。然而，經(jīng)過不同的加工路線I和II，將得到不同的晶粒結(jié)構(gòu)；相比于路線I，路線II顯示了更均勻的的顯微結(jié)構(gòu)和硬度分布。此外，處理后的樣品的壓縮試驗表明路線II形成了均勻的抗壓強度。最后，用回散落的電子衍射法研究了在這一進程的后續(xù)處理過程中的微觀結(jié)構(gòu)演化。微型剪切帶被發(fā)現(xiàn)作為潛

6、在的站點，用于加速新晶粒的形成，它將導(dǎo)致原始晶粒的破碎而得到一種超細晶粒（UFG）的微觀結(jié)構(gòu)。</p><p>　　關(guān)鍵詞:劇烈塑性變形；循環(huán)擴張擠壓；鋁；機械性能；微觀結(jié)構(gòu)；微剪切帶</p><p><b>　　1、前言</b></p><p>　　考慮將劇烈塑性變形（SPD）當(dāng)做一種強大的處理工具，用于生產(chǎn)批量的超細粒子（UFG）/納米結(jié)構(gòu)

7、材料。這種方法是基于塊金屬材料[1-4]的巨大應(yīng)變。大多數(shù)的SPD技術(shù)被歸類為批處理方法，其中通過執(zhí)行連續(xù)傳遞獲得應(yīng)變積累。從產(chǎn)業(yè)的角度來看，相比其他連續(xù)的進程，如高壓扭轉(zhuǎn)（HPT）[8] 或高壓管扭曲（HPTT）[9]，批處理 SPD 技術(shù)如等通道角擠壓（ECAP）[1，5-7]可能看起來不那么引人關(guān)注。該技術(shù)無需多次地重復(fù)此過程以達到所需的累積應(yīng)變量。另一方面，像ECAP這樣的批處理技術(shù)可以提供一個機會來定義不同的加工路線，從而成為

8、一個可以控制和操縱已產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)[5-6]的有效工具。通常，這些加工路線由樣本繞其主軸在進程的連續(xù)傳遞中旋轉(zhuǎn)而簡單地執(zhí)行。這種旋轉(zhuǎn)適用于一些SPD技術(shù)，例如ECAP[5,6]和簡單的剪切擠壓(SSE) [10，11]，不具有軸對稱模幾何。然而，在其他具有軸對稱模幾何的技術(shù)中，像往復(fù)擠壓（CEC）[12]、循環(huán)擴張擠壓 （CEE） [13] 或管通道按壓(TCP) [14]技術(shù)中，該加工路線被限制于關(guān)于連續(xù)傳遞 [15]之間的模的扭轉(zhuǎn)樣

9、品取向/沖壓方向。本文提出</p><p>　　2.CEE中不同加工路線的原理</p><p>　　定義兩個主要加工路線為對具有矩形截面的樣品的CEE處理。這些路線是由圖1所示的路線I和路線II所確定的。</p><p>　　參見圖1可知，路線I的CEE處理在平面應(yīng)變條件下執(zhí)行，且因此這兩個步驟（擴展和擠壓） 在同一平面上 （圖 1a） 中執(zhí)行。另一方面，在路線II

10、中，擴展和擠壓步驟發(fā)生在不同的平面，二者相互垂直（圖 1b）。</p><p>　　盡管每個步驟（擴展或擠壓）在平面應(yīng)變條件下執(zhí)行，路線II的總體進程可以被視作平面應(yīng)變操作?；趫D1，在平面應(yīng)變條件下a × b 截面的樣品擴大到b × b的矩形截面，隨后在平面應(yīng)變條件下，通過加工路線I和II分別被擠壓為a× b 和 b ×a的矩形截面。因此，兩條加工路線的每個階段的馮

11、83;米塞斯累積應(yīng)變量計算為：</p><p>　　然而，該關(guān)系式是橫跨整個組件的平均變形值，其中忽略剪切組件。即，不排除在外的——且將如下所示——該變形是異構(gòu)的，將導(dǎo)致在樣品的中心區(qū)域產(chǎn)生較小的應(yīng)變而在樣品的外部產(chǎn)生較大的應(yīng)變。</p><p><b>　　窗體頂端</b></p><p>　　圖1 .實驗和示例配置在兩個CEE加工路線示意圖

12、和立方元件的各變形了的形狀用于：（a）加工路線一（b）加工路線二的樣品。</p><p><b>　　窗體底端</b></p><p><b>　　3.實驗過程</b></p><p><b>　　3.1材料和加工</b></p><p>　　10 毫米 × 20

13、毫米 × 60 毫米的樣品取自1050鋁合金帶材，隨后在 600°C的溫度下退火 2 h 并在爐子里冷卻到室溫。設(shè)計拆分模具的配置（包括兩個類似的擠壓模具）用于CEE加工，適用于這兩種路線 （圖 2）。</p><p><b>　　窗體頂端</b></p><p>　　圖2. CEE分割模：（A）擴大模，（B）擠壓模，（C）沖頭，（d）退出通道阻

14、滯插入。</p><p><b>　　窗體頂端</b></p><p>　　圖3.定位壓縮標(biāo)本相對于處理的CEE樣本。</p><p><b>　　窗體底端</b></p><p>　　使用這種模具裝配 （圖 2），截面為10 毫米×20 毫米的樣品在平面應(yīng)變條件下擴大為邊長為20毫米的

15、方形，接著進入擠壓階段，樣品恢復(fù)其10毫米×20 毫米的初始尺寸。以這種方式，可以多次重復(fù)該加工。根據(jù)方程 （1），上述提及的CEE模的幾何值導(dǎo)致進程每個階段的平均強加應(yīng)變值為εeq = 1：6。通過放置倆塊在平面應(yīng)變配置（圖 1a） 中執(zhí)行路線I，而另一塊的901旋轉(zhuǎn)是關(guān)于由路線I到路線II的配置的改變（圖 1b）。</p><p>　　在期望的配置 (路線I或II)中裝配哈夫塊之后，開始加工，通過

16、"犧牲"樣本以填補阻塞的擴張——擠壓室。隨后，出口渠道暢通，并連續(xù)擠壓其他樣品。參考文獻 [13] 描述且展示了這些加工序列的更多細節(jié)。為了減少模具樣品表面的摩擦，每個樣品在插入到模具通道之前，被包裹了鐵氟龍膠帶。該進程以0.2 毫米/秒的壓速度進行。</p><p><b>　　3.2微觀組織研究</b></p><p>　　處理過的樣品的不同層

17、面都被打磨成鏡子一樣的表面且用改性的Poulton試劑 [16]蝕刻，從而可以用體視顯微鏡顯示相應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)。拋光過的樣品表面還用巴克試劑 [16]電腐蝕過，接著用偏光的顯微鏡進行研究。電子背散射衍射 （EBSD） 技術(shù)被用于的顯微組織結(jié)構(gòu)的詳細檢查。使用JEOL 6500F 電子掃描電鏡 （FEG-SEM）進行研究，其配備有工作在15kV下的場發(fā)射槍。電子背散射衍射的樣品制備步驟是機械研磨 （使用 500——4000 砂粒大小 SiC

18、 砂紙），接著拋光9 μ m，3 μ m 和 1 μ m鉆石化合物的表面。標(biāo)本進一步在電解溶液中電拋光以獲得如鏡的表面，該溶液由10 毫升高氯酸和 90 毫升乙醇在263K溫度與 18 V直流電壓下組合而成。電子背散射衍射的觀察以步長 0.1 μ m完成了。使用HKL采集軟件實現(xiàn)加工測量。</p><p><b>　　3.3 機械性能 </b></p><p>　　以

19、5 g/s 的加載速率和15 s的停留時間每次裝入25克的劑量進行維氏顯微硬度測量。穿過EDND平面 （圖 1）上增量距離 為0.5 毫米的樣品厚度進行試驗。在每個位置上重復(fù)四次縮進并計算平均顯微硬度值。壓縮試驗在10 毫米 × 10 毫米 × 15 毫米的矩形方柱體上進行，沿著擠壓（ED）和橫向 （TD）方向提取，以分別在TD-ND和ED-ND上給出壓縮平面。圖 3 展示了CEE處理過的樣品的壓縮試樣的取向。這些方

20、柱體截面的邊長被視為相當(dāng)于CEE處理方坯 （即 10 毫米）的厚度，以在穿過壓縮樣品的厚度方向保持各種晶粒結(jié)構(gòu)。接著，在這些樣品中的主要軸的長度選定為15 毫米，從而得到推薦值為1.5的長/寬比[17]。 </p><p><b>　　4. 結(jié)果和討論</b></p><p>　　中斷后的CEE加工（路線I和II）樣品的宏觀圖參見圖1a和b。對這些樣品的幾何和尺寸檢查

21、，發(fā)現(xiàn)這兩個加工路線，擴張——擠壓腔很好地填充，因而所設(shè)計的應(yīng)變值（ε eq=1:6）在一個階段的樣品中積累。但是，處理過的樣品不會在其末端部分恢復(fù)矩形形狀，而是成為U 形（圖 3）。這種形狀是由于應(yīng)變非均質(zhì)性而形成的；沿ND方向在外部區(qū)域有更大的壓力，導(dǎo)致 ED 方向有更多伸展，以及在樣品的末端形成 U 形形狀。</p><p><b>　　窗體頂端</b></p><

22、p>　　圖4.顯微在TD-ND平面樣品：（a）退火條件，（b）一種通路線我后，和（c）之后一次通過路線二。</p><p><b>　　窗體底端</b></p><p>　　考慮樣品的最原始的立體元素的幾何變形（圖1） ，在路線I中，材料經(jīng)歷一個循環(huán)變形路徑，因為材料的每個元素在同一平面擴展和擠壓且具有相同的應(yīng)變值（圖 1a）。然而，路線II情況有所不同，因為

23、擴張和擠壓的步驟發(fā)生在不同的平面 (圖 1b)。因此，經(jīng)由路線II的CEE階段后，物質(zhì)元素不經(jīng)歷循環(huán)變形。圖1中，通過考慮在每個加工路線的不同的變形階段中樣品立體元素的畸變可以解釋該事實。因此，加工路線II預(yù)計將對晶粒細化更有效，以下顯微結(jié)構(gòu)調(diào)查將予以證實。</p><p>　　通過光學(xué)顯微鏡獲得的顯微結(jié)構(gòu)調(diào)查的結(jié)果示于圖 4 和圖 5。圖 4a 顯示在TD-ND平面 （垂直于擠壓方向的平面）上的未變形樣品的典型

24、顯微結(jié)構(gòu)。執(zhí)行加工路線I和II的一個階段后，在同一平面的微結(jié)構(gòu)分別如圖4b和c所示。可以看到，經(jīng)歷這兩種加工路線后的晶粒大小及形態(tài)，相比退火后的結(jié)構(gòu)，存在顯著差異。對于路線I，晶粒中心線附近各向等大，而沿TD方向（圖4 c和d)拉長的晶粒經(jīng)由加工路線II后可見。這種觀察與對原始的立體元素經(jīng)歷不同的加工路線后，在理想的變形條件下的參數(shù)的預(yù)測相當(dāng)一致，其只考慮了通常的應(yīng)變元素。然而，觀察到在經(jīng)歷這兩種加工路線后的樣品表面相連的區(qū)域存在更嚴重

25、的變形結(jié)構(gòu)。相應(yīng)的ED-ND 平面上的微觀結(jié)構(gòu)如圖5所示。</p><p>　　類似于圖4b，可以看出經(jīng)歷路線I的層次厚度結(jié)構(gòu)并非完全一致。雖然經(jīng)歷路線I后可以在中央部分觀察到各向等大的晶粒結(jié)構(gòu)，晶粒在毗鄰模具的外側(cè)邊界(圖 5b)被嚴重拉長。這種過度變形是由依賴于減少值、半模角度，以及模具輪廓的冗余的剪切變形導(dǎo)致的。</p><p>　　相比于路線II (圖5b和c)，經(jīng)歷加工路線I后在

26、外部區(qū)域的過度的剪切變形更為明顯。路線II中更均勻的結(jié)構(gòu)可以歸因于在該路線中，相對于擴展平面的擠壓平面方向上的變化（圖 1）。結(jié)果，該擠壓樣品的層次厚度方向?qū)⒊蔀槠渲皵U展步驟的平面應(yīng)變方向，且因 此穿過該厚度方向的結(jié)構(gòu)預(yù)計會更加均勻。此外，關(guān)于路線I和II（圖1）在方向和擴展元素的縱橫比之間的差異可能是這種在顯微結(jié)構(gòu)中存在差異的另一個原因。</p><p>　　雖然冗余應(yīng)變會加劇嚴重塑性變形的程度，它也將跨越樣

27、品厚度影響由此產(chǎn)生的力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)同次性和均勻性。通過分析ED-ND平面上硬度值的變化和相應(yīng)的如圖6所示的兩種加工路線的微觀結(jié)構(gòu)，證明了這一事實。</p><p>　　可以看到的是路線II導(dǎo)致了穿過厚度的更均勻的硬度分布，同時在ED-ND平面上更均勻的晶粒結(jié)構(gòu)。另一方面，經(jīng)歷路線I后的樣品表面的硬度值較高，且越靠近中心硬度值逐漸減小。這種硬度梯度變化歸因于沿厚度方向的微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性，其源于表面附近的剪切應(yīng)變值

28、過高。不考慮經(jīng)歷這些加工路線后硬度均勻性的差異，經(jīng)歷這些加工路線后的平均硬度值彼此接近 (路線I和路線II分別為53Hv和 53.7 Hv），顯著高于在退火條件下的平均值 (29 Hv)。</p><p>　　顯微結(jié)構(gòu)和顯微硬度的研究表明經(jīng)歷一個階段后，路線II導(dǎo)致一個更加均勻的結(jié)構(gòu)。通過在不同方向執(zhí)行壓縮試驗進一步確認這一事實。圖 7顯示的壓縮測試結(jié)果顯示了經(jīng)歷加工路線II后壓縮強度的均勻性。這可能是由于貫穿整

29、個截面變形的均勻性，以及不同的壓縮方向 （ED 和 TD）（圖4 c和5 c）晶粒取向方面的相似性。然而，經(jīng)歷加工路線I，垂直于ED 和 TD的平面上的晶粒結(jié)構(gòu)并不相似（圖 4b 和 5b）。不考慮此樣品中央部分的各向等大結(jié)構(gòu)，晶粒的絕大多數(shù)在中心附近的擴展方向被拉長，是由在這些區(qū)域的模幾何施加的額外的剪切應(yīng)變分量導(dǎo)致的。因此，經(jīng)歷加工路線I后，屬性中的各向異性見于抗壓強度。</p><p><b>　

30、　窗體頂端</b></p><p>　　圖5.組織在ED-ND面樣本：（1）退火狀態(tài)，（b）方案一處理后（c）方案二處理后。</p><p><b>　　窗體底端</b></p><p><b>　　窗體頂端</b></p><p>　　圖6.顯微硬度分布和對ED-ND平面相應(yīng)的微觀結(jié)

31、構(gòu)：a）路線一（b）路線二。</p><p><b>　　窗體底端</b></p><p><b>　　窗體頂端</b></p><p>　　圖7壓縮樣本的應(yīng)力應(yīng)變曲線在不同方位測試，經(jīng)過路線一和二CEE處理的前后狀況。</p><p><b>　　窗體底端</b><

32、/p><p>　　由圖 7 顯而易見，經(jīng)歷一個CEE階段，屈服強度相比其在退火條件下的值有顯著的增加。甚至再經(jīng)歷一次CEE階段后，抗壓強度如此可觀的增加以及顯微硬度顯著的改善和結(jié)構(gòu)的細化，表明CEE加工可作為一種有效的 SPD 技術(shù)生產(chǎn)批量的超細晶材料。</p><p>　　由于經(jīng)歷加工路線II后，觀察到更均勻的結(jié)構(gòu)與性能，從而在由此加工路線 (路線 II) 處理的樣品上進行了更詳細的微觀結(jié)構(gòu)

33、研究。例如，經(jīng)歷路線II的第一個CEE階段，樣品的微觀結(jié)構(gòu)是采用偏振光以及如圖8中所示電子背散射衍射（EBSD）研究的。這些圖像是在經(jīng)歷路線II的第一個階段后的ED-ND平面上的中心線附近產(chǎn)生的。該位置在圖8中概要地說明了。</p><p>　　一些帶在這兩個圖像中都可見，沿著此帶，亞微米級的微晶尺寸非常明顯。認為這些帶具有變形非均勻性，在此帶處，從一個由幾何必需錯位（GNDs）組成的準周期的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移。這些

34、GNDs 被懷疑落入墻壁，以這種方式形成新的晶粒 [19]。低角度邊界的微晶預(yù)計隨后將轉(zhuǎn)化為超細晶粒，在加工的后續(xù)階段中的邊界錯誤方向上逐漸增加。確實，你可以在圖8c中看到經(jīng)歷路線II的一個階段后，已經(jīng)在新形成的晶粒之間有很大一部分的高角度界限，達到約67%的一小部分的。應(yīng)該指出的是，這項工作中的錯誤取向分布是在相鄰晶粒間計算的，而不是相鄰像素之間的。這種取向變化的分析由托特等人介紹的。[20] 其比通常顯示的像素到像素取向分布的具有更

35、多的物理意義。在此方法中，先辨認出晶粒（具有至少51錯向的晶界）；然后晶粒之間的取向差作為晶粒間的平均取向之間的取向差進行計算。</p><p><b>　　窗體頂端</b></p><p>　　圖8表示方案二第一次CEE處理之后的微觀機構(gòu)變化：（a）偏光顯微結(jié)構(gòu)，（b）反極圖電子背散射衍射圖，以及（c）晶界從EBSD與隨機麥肯齊分布比較取向差分布。</p>

36、;<p><b>　　窗體底端</b></p><p><b>　　窗體頂端</b></p><p>　　圖9.（a）通過方案二的一次CEE處理后，形成了一條與微觀結(jié)構(gòu)EBSD圖相反的帶。 （b）和（b0）是（a)中的相同擴大區(qū)域。</p><p><b>　　窗體底端</b></

37、p><p>　　圖10.兩次處理后，從ED-ND平面觀察，樣品的偏光顯微組織：（a）路線一和（b）路線二。</p><p>　　圖11.通過方案二處理四遍后樣品的反極EBSD圖。</p><p>　　圖12.經(jīng)由路線II處理四次后，觀測到的樣品中的鄰晶粒取向差角度分布：（a）中心和（b）邊緣。</p><p>　　圖9以帶的對比圖形式顯示圖8b。

38、仔細檢查這兩個圖形，發(fā)現(xiàn)由于較大的局部變形的存在，沿著變形定位的剪切帶的存在可能導(dǎo)致增強連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶（CDRX）。這種剪切帶的例子在 圖9b和8b'中突出顯示。這一事實與用于UFGs的應(yīng)變誘導(dǎo)變形的模型一致，其規(guī)定了在變形的初始階段的微剪切帶（MSB）的新晶粒的變形。很重要地是應(yīng)當(dāng)注意到，該原理不是協(xié)同結(jié)晶和晶粒的成長（不連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶，DDRX），而是通過形成新邊界的CDRX。隨后，高角度晶界的一小部分隨著較高的應(yīng)變值的M

39、SB密度的增大而增大，例子如圖10所示。很明顯地，在第二個CEE階段后，增加應(yīng)用應(yīng)變量將導(dǎo)致高密度的MSB以及一些相交的MSB（圖 10），其被認為可幫助生成更均勻的亞晶結(jié)構(gòu)。其結(jié)果是，超細晶結(jié)構(gòu)傳遍整個體積[22]。這種UFG晶粒的均勻分布在圖11中展示，其顯示了遍歷路線II的4個CEE階段后的EBSD的顯微圖像。 </p><p>　　經(jīng)歷四個擠壓階段后，獲得具有高角度晶界的各向等大晶粒結(jié)構(gòu)和平均尺寸約為72

40、0nm的晶粒（圖11）。仔細檢查這一圖像，發(fā)現(xiàn)沿著一些交叉帶具有更高的UFG密度。這一結(jié)果，與之前的那些（圖8 -10），一起證實了基于MSB [21] 的演變以及發(fā)生在這些領(lǐng)域的增強 CDRX推薦的用于應(yīng)變誘導(dǎo) UFG 形成的模型。</p><p>　　經(jīng)歷四個階段（圖12）的樣品的下一個鄰域取向分布顯示了根據(jù)取向角度的一個幾乎恒定的頻率。然而，這并不意味著晶粒取向分布是隨機的。由HPTT[23]加工純鋁的過程

41、中具有相似的結(jié)果，其累積的應(yīng)變與這項研究中的應(yīng)變值幾乎相同。如圖 12 所示，從對應(yīng)于完全隨機取向的鄰域的麥肯齊分布獲得的分布差異極顯著。在第一和第四階段（見圖 8 c 和 12）之間的取向分布存在重大演變。在第四階段中，具有更高角度晶界：現(xiàn)在有超過151個邊界代表整個分布的大約84%。從圖12的進一步觀察發(fā)現(xiàn)非常大的角度 ——近 60 °—— 分布以較低的角度，低于30°，非常精確地遵循麥肯齊分布，經(jīng)實測的頻率高于

42、麥肯齊的頻率。取向的后者范圍屬于較大的晶粒內(nèi)的晶粒 （完全在里面，不是在原始晶粒的邊界）， 意味著在這一階段，晶粒破碎過程仍在繼續(xù)，穩(wěn)定的狀態(tài)還未達到。它已被Pougis 等人證明。在銅中，穩(wěn)態(tài)取向分布與隨機麥肯齊分布變得非常相似。</p><p><b>　　5.結(jié)論</b></p><p>　　通過循環(huán)擴張擠壓 （CEE），制訂新的加工路線（I和II）用于具有矩形

43、截面的樣品的劇烈塑性變形。成功加工了樣品，并進一步進行力學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)查研究。由于觀察到晶粒結(jié)構(gòu)和大小具有相當(dāng)大的變化，兩種加工路線皆可明顯改善力學(xué)性能。經(jīng)歷加工路線I后，冗余的剪切變形在樣品的表面更顯而易見，從而造成不均勻的力學(xué)性能。不過，一個更均勻的顯微結(jié)構(gòu)以及均勻的壓縮強度和硬度分布在加工路線II中獲得。微剪切帶 （MSB）被發(fā)現(xiàn)作為在原始晶粒中由CDRX加速形成的新晶粒的變形區(qū)域。CEE的進一步處理在晶粒內(nèi)部引進了高密度的相交