劇烈塑性變形（SPD）作為一種新興的塑性變形方法，可以在變形過(guò)程中引入大的應(yīng)變量，從而有效細(xì)化晶粒，在變形過(guò)程中通過(guò)控制微觀(guān)組織，可以獲得同時(shí)具有高強(qiáng)度與大塑性的塊體材料。其中高壓扭轉(zhuǎn)（HPT）與等徑角擠壓變形（ECAP）是目前研究最熱最多的兩種劇烈塑性變形方法。鋅合金是前景可觀(guān)的可生物降解的結(jié)構(gòu)材料，最近的研究主要集中在新型Zn基合金的制造和加工上。鋅合金通常使用常規(guī)的熱軋、冷軋或擠壓工藝進(jìn)行加工，而劇烈塑性變形加工方法的應(yīng)用較少，目前關(guān)于使用高壓扭轉(zhuǎn)加工Zn及其合金的報(bào)道非常少。

波蘭克拉科夫AGH科技大學(xué)首次使用HPT加工低合金準(zhǔn)單相Zn基合金，系統(tǒng)地分析了HPT處理不同圈數(shù)后的Zn-0.5Cu合金微觀(guān)結(jié)構(gòu)和織構(gòu)的演變，探討了HPT處理后機(jī)械性能的變化機(jī)理。相關(guān)論文以題為“Microstructure and mechanical properties of a Zn-0.5Cu alloy processed by high-pressure torsion”于3月3日發(fā)表在Materials Science & Engineering A。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921509320301350

研究人員制備了鑄態(tài)Zn-0.5Cu合金，退火后進(jìn)行室溫高壓扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)在HPT處理過(guò)程中，最初變形的晶粒和孿晶會(huì)發(fā)生再結(jié)晶，從而產(chǎn)生高度取向的未變形晶粒。研究者認(rèn)為孿晶發(fā)生在初始應(yīng)變過(guò)程中，隨后的連續(xù)剪切引入了高位錯(cuò)密度，進(jìn)而導(dǎo)致了高度變形的粗晶粒的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，合金中的銅元素具有阻礙動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的作用。

扭轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)合金中出現(xiàn)孿晶和連續(xù)晶粒細(xì)化；進(jìn)一步扭轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生大量晶粒生長(zhǎng)，Zn-0.5Cu合金與純Zn晶粒生長(zhǎng)之間的主要區(qū)別是合金中形成了亞結(jié)構(gòu)；嚴(yán)重扭轉(zhuǎn)變形后，高角度晶界分離的小晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)橛沙跏夹【ЯＯ嗤笮〉膩喚Я＝M成的粗晶粒。扭轉(zhuǎn)過(guò)程中，基層面滑移是首選的滑移系統(tǒng)，因此基層面平行于剪切面定向產(chǎn)生典型的基層纖維織構(gòu)，加大扭轉(zhuǎn)會(huì)增強(qiáng)織構(gòu)的強(qiáng)度。

圖1 HPT加工前后Zn-0.5Cu合金的IPF圖

圖2 HPT加工前后Zn-0.5Cu合金中晶界取向差的分布

HPT加工可顯著減小晶粒尺寸并引起織構(gòu)銳化，兩者都對(duì)材料的機(jī)械性能產(chǎn)生重大影響。雖然HPT與等通道轉(zhuǎn)角擠壓（ECAP）處理后晶粒尺寸相近，但是HPT產(chǎn)生的異常晶界取向差分布能夠有效阻礙晶界滑動(dòng)，從而導(dǎo)致HPT處理的合金機(jī)械性能顯著提高。合金加工處于低應(yīng)變時(shí)能夠顯著增加硬度，進(jìn)一步的應(yīng)變導(dǎo)致硬度值降低到退火態(tài)以下。

圖3 扭轉(zhuǎn)10圈后Zn-0.5Cu合金不同位置的顯微組織

綜上所述，研究人員通過(guò)微觀(guān)組織，織構(gòu)和力學(xué)性能分析，探討了高壓扭轉(zhuǎn)對(duì)Zn-0.5Cu合金的影響。合金隨著扭轉(zhuǎn)次數(shù)的增加，形成了纖維微結(jié)構(gòu)。扭轉(zhuǎn)后期出現(xiàn)明顯晶粒長(zhǎng)大，而亞晶粒尺寸能夠穩(wěn)定到1.9μm。應(yīng)變率敏感性隨著晶粒的生長(zhǎng)和亞晶粒的增加而增加。本研究對(duì)Zn-0.5Cu進(jìn)行高壓扭轉(zhuǎn)加工，強(qiáng)度高于等通道轉(zhuǎn)角擠壓，為后續(xù)高壓扭轉(zhuǎn)實(shí)際應(yīng)用于鋅合金提供了理論基礎(chǔ)。