晶界滑移對超細(xì)晶鋁合金低溫超塑性的貢獻

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1、晶界滑移對超細(xì)晶鋁合金低溫超塑性的貢獻摘要：大部分晶界為大角度晶界的超細(xì)晶（0.6微米）Al-Mg-Sc合金是通過摩擦攪拌處理得到的。在175℃可以獲得210％的超塑性伸長率，它的最佳應(yīng)變速率和最大伸長率隨溫度升高而增大。使用納米硬度計壓頭將標(biāo)記線劃在拋光試樣表面，標(biāo)記線用來測量變形過程中的晶界滑移（GBS）偏移，這種偏移表明在175℃時GBS對應(yīng)變的貢獻超過50％，且隨溫度和應(yīng)變的增加這種比例也會增大。在應(yīng)變率較高或較低的溫度下進行超塑性成形（SPF）是非?？扇〉墓I(yè)制造方式。在低溫下進行SPF有著明顯的優(yōu)勢。例如，較低的成形

2、溫度可節(jié)省能源，改善成型零件的表面質(zhì)量，預(yù)防晶粒過度長大，減少空穴數(shù)量和表層溶質(zhì)的損失程度，從而保持更好的后成型性能。如表1所總結(jié)的那樣，在過去的幾年中，人們已作出許多努力以生產(chǎn)適合低溫超塑性（LTSP）的超細(xì)晶（UFG）鋁合金。通過各種劇烈塑性變形技術(shù)，如形變熱處理/加工（TMT/TMP），等通道角擠（ECAP），高壓扭轉(zhuǎn)（HPT），多向替代鍛造（MAF）,累積復(fù)合軋制（ARB）和摩擦攪拌加工（FSP）。這些技術(shù)中，F(xiàn)SP，這種基于摩擦攪拌焊接（FSW）基本原理開發(fā)的新加工技術(shù)，因為它簡單，有效性和微觀組織多樣性而特別具有吸引

3、力。盡管有大量關(guān)于鋁合金低溫超塑性的研究，但超細(xì)晶鋁合金的變形機制目前并不清楚。表1顯示，低溫超塑性的應(yīng)變率敏感性一般在0.3和0.4之間，低于晶界滑移(GBS)0.5的敏感性，。普等人認(rèn)為粘性位錯蠕變控著8090鋁合金的低溫超塑性流動。然而，PARK等人聲稱,等徑角擠壓ECAP超細(xì)晶5083鋁合金的低溫超塑性是緣于由晶界擴散速率控制的晶界滑移。蕭和黃觀察到在溫度低至200℃時形變熱處理TMT的5083鋁合金會發(fā)生晶界滑移。在最初的低溫超塑性階段，主要的變形機理為溶質(zhì)阻礙蠕變以及低能量蠕變。后期，晶界滑移成為主要變形機制。對低溫

4、超塑性的變形機制似乎尚未達成共識。測量變形試樣表面標(biāo)記線的偏移量是估計晶界滑移GBS對總應(yīng)變貢獻的一個直接和有效的方法。對于微米晶合金，標(biāo)記線通常用粘貼有少量3μm金剛石粉末的鏡頭紙劃在拉伸試樣表面。不過，鋁合金低溫超塑性通常具有亞微米的晶粒尺寸（見表1）。顯然，用3μm金剛石粉末劃標(biāo)記線對于超細(xì)晶UFG而言尺寸過大。在這項研究中，劃納米尺寸標(biāo)記線使用了納米壓頭的新方法。這種方法的優(yōu)點是顯而易見的。首先，標(biāo)記線可以精確地與拉伸方向平行。第二，變形后超細(xì)晶材料的納米標(biāo)記線的偏移程度容易測量。因此，它可以定量估計低溫下晶界滑移GBS

5、對總應(yīng)變的貢獻。研究證明，具有大角度晶界（HAGB）的摩擦攪拌加工鋁合金具有良好的低溫超塑性。特別是，超細(xì)晶摩擦攪拌加工鋁合金Al–4Mg–1Zr在175℃時的低溫超塑性。這是對鋁合金低于0.5Tm的低溫超塑性的首次研究，這里鋁的熔點溫度Tm用開爾文表示。因此，研究超細(xì)晶摩擦攪拌鋁合金的低溫超塑性是否與大角度晶界有關(guān)，以及晶界滑移GBS是否是低溫超塑性的主要變形機制，將是非常有意義的。通過測量納米硬壓頭滑下的標(biāo)記線的偏移量，得到晶界滑移GBS對超細(xì)晶摩擦攪拌加工Al-Mg-Sc合金低溫超塑性的貢獻。其目的是闡明在溫度低至175℃

6、時超細(xì)晶鋁合金的變形機制。A300×70×8㎜（長×寬×高），成分為Al-5.33Mg-0.23Sc-0.49Mn-0.14Fe-0.06Zr（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）的擠壓板用于這項研究。對擠壓板進行自轉(zhuǎn)速率為400轉(zhuǎn)/min,橫向速度為25㎜/min單通道摩擦攪拌加工,并進行室溫水快速淬火。使用14毫米凹肩直徑，螺紋圓錐齒根直徑5毫米，頂端直徑3.5毫米和長度4.5毫米的鋼質(zhì)工具。使用掃描電子顯微鏡（SEM）掃描顯微結(jié)構(gòu)特征攪拌區(qū)（SZ）橫截面到摩擦攪拌加工方向截面。掃描電子顯微鏡（SEM）試樣被稍微電解拋光產(chǎn)生應(yīng)變自由表面。電子背散射

7、衍射（EBSD）方向圖利用與HKL通道EBSD系統(tǒng)接口的ZEISSSUPRA35透鏡在20KV電壓下得到。在0.05微米階段使用小尺寸電子束自動獲得菊池模式。由于有限的角分辨率，取向差角<2°并沒有考慮。狗骨形的超塑性拉伸試樣（2.5毫米標(biāo)距長度，1.4毫米標(biāo)距寬度和1.0毫米標(biāo)距厚度）是用電火花從摩擦攪拌加工樣品橫截面的攪拌區(qū)到摩擦攪拌加工方向加工的。這些樣品隨后進行研磨和拋光到最終厚度為0.8毫米。恒應(yīng)變壓縮速率拉伸試驗使用拉伸強度試驗機5848微檢測儀進行。對于用來探討晶界滑移GBS貢獻的試樣，其表面拋光到如同鏡面。劃在剖

8、光面上的三條平行標(biāo)記線平行于拉伸軸。這些試樣分別在不同的溫度被拉到了20，40和80％的伸長率，。垂直于拉伸W軸的滑動偏移測量使用的是每個樣本所采取的一系列SEM拍攝的30-40張顯微照片。圖1a顯示了通過點子背散射衍射EBSD圖所取得的摩擦攪拌加工Al-Mg-