超细晶铝合金在深冷异步轧制过程组织演变机制

For most bulk ultrafine-grained metals, their ductility reduces as the material strength increases, which limits their application for engineering. Based on previous studies, we have found that the ultrafine-grained (UFG) Al sheets will transform into bimodal-structured UFG sheets during asymmetric rolling at room temperature, which results in an enhancement of both strength and ductility. In this project, we will carry out further investigations based on our previous studies. We aim to: (i) determine influences of shear strain (rolling speed ratio) and deformation temperature (liquid nitrogen temperature to room temperature) on the microstructure evolution of ultrafine-grained Al alloys; (ii) establish a crystal plasticity finite element model for investigation on microstructure evolution of ultrafine-grained sheets; (iii) study the deformation mechanism of bimodal-structured materials during tensile tests. Through the project, we will gain deeper knowledge of the deformation mechanism of UFG materials under different roll speed ratios and rolling temperatures; optimize the range of (coarse grains/ultrafine grains) ratios to obtain the best combination of mechanical properties of bimodal-structured materials. Finally, we will establish a bridge between engineering applications of UFG sheets and fundamental research.

对于绝大部分超细晶金属材料，随材料强度提高，韧性降低，这极大地制约了它们的工程应用。申请人通过研究发现，对于超细晶铝合金带材，在室温异步轧制过程中随着轧制道次增加，材料组织演变为双尺度材料结构，最终实现了材料韧性与强度同时大幅提高。本课题在前期研究基础上，提出对超细晶铝合金带材在深冷异步轧制过程中变形特征与材料性能提高进行深入基础研究。主要研究内容包括：剪切变形（轧制异速比）与变形温度（液氮温度至室温范围内）对超细晶铝合金组织演变机制影响的实验研究；深冷异步轧制变形过程超细晶铝合金组织演变的晶体塑性有限元分析；拉伸变形过程双尺度材料结构晶粒之间变形协调机制研究。研究工作将揭示异步轧制异速比、深冷温度等对超细晶材料演变机制的影响；获取超细晶材料性能最佳的双尺度材料结构（粗晶/细晶）比率范围，完善双尺度材料结构超细晶材料塑性变形基础理论；最终建立实现大尺度超细晶带材的工程应用与基础理论的纽带。

随着汽车工业、航空工业、电子通讯工业等领域对工件尺寸减小、减重需求的增加，人们开发了很多的大塑性变形方法用来制备和研究超细晶金属材料。累积叠轧与深冷异步轧制技术可以用来生产带材，具有工业生产前景。本项目取得的主要进展如下：1）对于铝合金材料，其在深冷环境中的强度与韧性超过室温下材料的强度与韧性。针对不同轧制与时效工艺处理后的6061铝合金带材进行室温和深冷拉伸试验研究，发现同等条件下，深冷环境的力学性能优于室温环境下的力学性能。2）揭示了深冷温度、轧制异速比、压下率等均对超细晶铝合金材料的组织与性能的影响。采用累积叠轧的1050超细晶铝合金带材在室温、173K和83K温度下进行了进一步轧制。随着轧制道次的增加，晶粒尺寸降低，同时，随着深冷轧制温度的降低，晶粒尺寸降低。累积叠轧带材的晶粒尺寸为666nm，采用深冷轧制时，晶粒尺寸被降低到266nm。采用深冷轧制制备的材料具有更高的强度和更优的延伸率。3）研究了不同轧制温度对界面结合强度的影响。我们采用不同轧制工艺制备的铝/钛层状复合带材显示随着轧制温度的降低，界面有单一平直的界面演变为锯齿状界面结合，进而增加了界面表面接触面积，实现界面结合强度大幅提升，且深冷轧的界面结合面积比热轧的大。冶金结合区宽度和界面结合面积的共同作用下，轧制温度为173K时进行深冷轧制，轧件界面结合强度性能最优。4）在晶体塑性有限元方法模拟叠轧过程中，提出在映射解决方案之后，变形网格被新网格替换，而新网格中的变形解（例如，应力，强度和晶体取向）从扭曲网格内插。在插值期间，通过外推积分点的值来获得变形网格的节点处的解，然后在新网格中的节点周围的所有元素上对节点处的解进行平均。采用该方法，成功模拟了累积叠轧过程材料微观组织演变行为。上述研究进展为人们采用深冷成形制备高性能金属材料提供指导，同时，该研究成果可以为其他深冷成形方法制备高性能结构零件提供指导。