【文章內(nèi)容簡介】 坯加工性能好，可以減少甚至 消除中間退火的工序減少能源損耗，提高盛傳率，抗腐蝕性能、抗疲勞性能以及導電性能等均得到顯著改善。提高材料的縱向力學性能 ,對于某些材料 Cu） 帶來優(yōu)良的功能材料特性 ，如其冷拉拔可以達到幾十萬 9 倍的延伸，累計真應變值達十位數(shù) ,其強度和延伸率均較普通多晶銅 優(yōu)良 [18]。 除此之外， 柱狀晶（單晶）銅極大地較?。ㄏ┝俗鳛殡娮璁a(chǎn)生源和信號衰減源的橫向晶界而具有優(yōu)異的綜合性能 [19]， 卓越的電學和信號傳輸性能 。 相比于普通多晶組織銅，擁有更加優(yōu)秀的導電率。 冷 強加工技術(shù) 現(xiàn)代材料研究表明，金屬材料的性能不只是取決于合金元素的種類和含量，材料的微觀組織同樣有著重要的作用。在材料的制備中，關(guān)于材料的制備、組織和性能的關(guān)系的研究是新材料開發(fā)的關(guān)鍵問題之一。如何通過先進的制備技術(shù)和工藝，控制材料的組織結(jié)構(gòu)，進而獲得較為理想的材料性能，是材料研究者所追求的目標之一。為針對材料的不同使用要求和性能特點，實現(xiàn)不同而有效的組織控制，謝建新、王自東等 [20]提出了將連續(xù)定向凝固裝置與 冷 強加工相結(jié)合，在材料的凝固成形于固態(tài)加工處理過程中積極發(fā)展、強化組織異向性，制備無成分偏析、高性能金屬材料的 新方法。即采用連續(xù)定向凝固方法制備具有軸向連續(xù)柱狀晶組織的坯料，然后在低于再結(jié)晶溫度下進行大變形量的塑性加工，最終得到具有連續(xù)纖維狀晶粒組織（纖維直徑為幾個到幾十個 μm 級）的線狀材料。這種組織的材料由于不存在垂直于長度方向的晶界，具有優(yōu)良的物理與力學性能：電導率高，信號保真性能好，強度與延伸率大幅度提高，加工性能好。預計具有單向纖維晶組織的金屬材料在電線電纜、高保真導線、電車及電氣化鐵路用接觸線、超高強度結(jié)構(gòu)材料等方面具有廣泛的應用前景 8。 而且相對于其他組織的銅棒材，連續(xù)定向凝固純銅棒坯具有軸向連續(xù)柱狀晶組織，塑性優(yōu)異，伸長率 高 具有很好的冷加工能力。 定向凝固純銅的 冷 強加工 未經(jīng)過冷加工的連續(xù)柱狀晶銅棒，抗拉強度較普通多晶銅棒有所降低，延伸率則明顯升高。 在冷加工變形開始階段（累積真應變≤ ），樣品延伸率下降，抗拉強度、硬度值升高，發(fā)生了明顯的加工硬化。在冷加工后期（累積真應變≥ ），抗 10 拉強度的升高，延伸率的降低并不明顯，硬度值先降后 升，并出現(xiàn)了平臺現(xiàn)象。說明了連續(xù)柱狀晶純銅具有良好的冷加工能力 2。 張鴻等 3， 8針對連續(xù)柱狀晶組織純銅桿坯的特性，采用了如下兩種工藝進行線材加工。 （ 1） 先軋制后拉拔 軋制工藝過程為： mm→ mm→ mm→ mm→ mm→→→ mm 拉拔工藝過程為： mm→ mm→ mm→ mm→Ф5. 6 mm→ mm→ mm→ mm→ mm→ mm （ 2）純拉拔工藝 純拉拔工藝分為粗拉、中拉、細拉和超細拉拔工藝，其中粗拉變形過程為Ф17 mm→ mm ，中拉變形為 mm→ mm （經(jīng)過 10 道次），細拉變形為 Ф72mm → mm （經(jīng)過 21 道次），超細絲拉拔變形為 mm→ mm ，中間經(jīng)過 48 道次，且各道次變形量分配基本均衡。 上述兩種連續(xù)柱狀晶組織純銅桿坯的線材加工工藝，都不需要進行中間退火，大大 簡化了加工工藝，其中先軋制后拉拔工藝過程中真應變達到了 ，純拉拔工藝最終可以制備出 μm 的銅絲，其冷加工延伸倍數(shù)達到 74 萬倍，真應變大于 。這在制備超細銅絲方面是一個突破，因為不論是普通鑄造還是上引法，所制備的純銅都難以達到如此大的冷加工變形能力。此外，制備 Ф20 μm 以下的超細銅絲是目前國際上的最好水平，而在我國拉制具有規(guī)定長度的Ф30 μm 以下的銅絲已經(jīng)有很大的難度。 11 晶體的塑性變形 單晶體的塑性變形方式 單晶體的塑性變形方式主要分為滑移、孿生和扭折幾種 [ 21， 22]。 （ 1）滑移 滑移是晶體的兩部分之間沿著一定的晶面（滑移面）和一定的晶向（滑移方向）而發(fā)生的一種相對切變，這種切變既不改變晶體的點陣類型，也不影響晶體的取向，只是在晶體表面出現(xiàn)了一系列的臺階狀的痕跡。按照位錯滑移運動的方式，可將滑移變形分為單滑移、多滑移和交滑移三種?；扑斐傻幕凭€示意圖如圖 所示。在一般情況下，滑移面和滑移方向是晶體的密排和較密排的面及密排方向。在面心立方晶體中，最可能發(fā)生滑移的晶面是 {111}面，這種晶面共有四組，即（ 111）、（ 111）、（ 111）、（ 111），每個 晶面上有三個密集晶向，所以共有 12 個潛在的滑移系。 （ a）單滑移； (b)多滑移； (c)交滑移 圖 13 滑移線形態(tài)示意圖 但這些潛在的滑移系并不能同時都啟動，而是要由形變的具體條件，首先由晶體的受力狀態(tài)來決定，那么不言而喻切應力分量便成了滑移的先決條件。單晶體的拉伸試驗表明，只有當一個滑移系受到它所需要的一定大小的切應力的時候，它才開始滑移，這個規(guī)律叫做臨界分切應力定律。 12 (2) 孿生 孿晶是以共格界面相連結(jié)、晶體學取向成鏡面對稱關(guān)系的一對晶體。晶體受力后，以產(chǎn)生孿晶的方式而進行的切變過程，成為孿生。 孿生的宏觀過程如圖 所示。層錯能較低的面心立方結(jié)構(gòu)晶體會出現(xiàn)形變孿晶，層錯能高的金屬和合金只有在深 冷 和高應變速率才會出現(xiàn)孿晶。面心立方結(jié)構(gòu)不容易出現(xiàn)孿晶是因為滑移系很多而且孿晶應變很大，但是很容易出現(xiàn)退火孿晶。 （ a）孿生前 （ b）孿生后 圖 14 孿生宏觀過程示意圖 (3) 扭折 如果晶體不能通過滑移和孿生而屈服于外力時，就會產(chǎn)生扭折，扭折帶的取向是突變的。扭折的示意圖如圖 15 所示。扭折不一定在壓縮形變下才產(chǎn)生，在拉伸形變時也能出現(xiàn)。扭折帶的形成對塑性變形有兩種作用，一 是協(xié)調(diào)變形；二是進一步促進變形。 13 圖 15 材料發(fā)生扭折的示意圖 圖 16 形變帶的示意圖 在某些取向以及某些應力狀態(tài)下，晶粒發(fā)生的局部轉(zhuǎn)動會使晶體從單一的取向分裂成兩種互補取向的局部區(qū)域，就是形變帶，如圖 16 所示。形變帶的取向是漸變的，外形是很不規(guī)則的。根據(jù)位錯理論的觀點，形變帶的形成是平行滑移面內(nèi)的異號刃位錯交互作用的結(jié)果。兩個在平行滑移面上相向運動的異號位錯將在彼此分開一定距離處停留。這些位錯阻止其后面運動的其它位錯，由此形成的位錯塞積將抑制臨近面上位錯滑移， 并促進新的位錯塞積的出現(xiàn)，正刃位錯在一邊，負刃位錯在一邊，從而形成了形變帶。形變帶和扭折帶都是在特殊條件下滑移的表現(xiàn)。 多晶體變形的協(xié)調(diào)方式 在多晶體中，每個晶粒雖然都具有各自的獨立進行形變的內(nèi)在因素（滑移和孿生等），但是任何一個晶粒都不能獨立地或孤立地進行形變，它們必須相互協(xié)調(diào)起來，才能進行變形。 晶界在純金屬變形過程中起到了很大的作用，它的作用主要體現(xiàn)在：協(xié)調(diào)作用、阻滯效應、裂紋產(chǎn)生作用等幾個方面。 首先，多晶體在塑性變形時各個晶粒都要通過滑移或者孿生而變形。但是由于多晶體是一個整體，各個晶粒 的變形不能是任意的，而必須相互協(xié)調(diào)，否則在晶界處就會開裂。晶界正是起著協(xié)調(diào)相鄰晶粒變形的作用。由于 90%以上的晶界是大角度晶界，其結(jié)構(gòu)復雜，有約幾個納米厚的原子排列紊亂的區(qū)域與原 14 子排列較整齊的區(qū)域交替相間而成，這種晶界本身使滑移受阻而不易直接傳到相鄰晶粒。多晶體中，不同位向晶粒的滑移系取向不相同，滑移不能從一個晶粒直接延續(xù)到另一個晶粒中。另外，由于晶界阻礙滑移，在晶界處往往產(chǎn)生應力集中，同時由于雜質(zhì)和脆性第二相往往優(yōu)先分布在晶界，使晶界變脆。這樣一來，在變形過程中裂紋往往在晶界產(chǎn)生；此外由于晶界處缺陷很多， 原子處于能量較高的不穩(wěn)定狀態(tài)，在腐蝕介質(zhì)作用下，晶界往往優(yōu)先被腐蝕，形成微裂紋。 由于各晶粒的取向不同，在單向均勻拉伸條件下，若某一個晶粒（圖 17中的 A 晶粒）的某一滑移系由于取向因子 μ 值最大，分切應力優(yōu)先達到其固有的臨界值，但如果其周圍晶粒不作相應的形變，那么可能出現(xiàn)兩種情況 [23]：一種情況是，只有這個晶粒單獨滑移，而且位錯越出晶粒，這就勢必在晶界出現(xiàn)滑移臺階，而是兩個晶粒的連續(xù)性遭到破壞；另一種情況是滑移只局限在這個晶粒內(nèi)部，也就是說，位錯源雖然開動起來，但位錯尚無法移出這個晶粒，僅僅在這個晶粒內(nèi)部 運動。實驗表明，在絕大多數(shù)晶粒中，一般不會出現(xiàn)第一種情況，只能是第二種情況。這樣，就會使符號相反的位錯在滑移面兩端接近晶界的區(qū)域塞積起來，不過這并不能使這個晶粒的外形發(fā)生改變。但位錯塞積群會產(chǎn)生很大的應力場，這個應力場通過晶界作用到相鄰晶粒上，使其得到一個附加應力。外應力和附加應力的逐步增大，最終會使取向不利的相鄰晶粒 B 和 C 中某些取向因子較小的滑移系中的位錯源也開動起來，而發(fā)生相應的滑移，而 B 和 C 的滑移會使位錯塞積群前端的應力得到松弛。這樣，位錯源就會重新開動，并進而使位錯滑出這個晶體，晶粒 A 也就 開始了形狀的改變，并與 B 或 C 的滑移以某種關(guān)系聯(lián)系起來。另外，如果相鄰兩晶粒的位向關(guān)系非常有利，還可能使位錯從一個晶粒直接通過晶界進入另一個晶粒來傳遞變形 [24]。 15 圖 17 多晶體滑移示意圖 多晶體塑性變形的微觀特點 與單晶體的塑性變形相比，多晶體的塑性變形有三個突出的微觀特點，即多方式、多滑移和不均勻。 （ 1）多方式 多方式是指多晶體的塑性變形除了滑移和孿生之外，還有晶界滑動和遷移，以及點缺陷的定向擴散。晶界滑動和遷移是高溫下的塑性變形方式之一，此時外加應力往往低于該溫度下的屈服極限 。如果式樣溫度非常高，而外加應力非常低，則還可能出現(xiàn)由于點陣缺陷的定向擴散而引起的塑性變形，也稱為擴散蠕變。 （ 2）多滑移 與單晶體不同，多晶體塑性變形時開動的滑移系不僅僅取決于外加應力，還取決于協(xié)調(diào)變形的要求。由于晶界阻滯效應及取向差效應，變形從某個晶粒開始以后，不可能從一個晶粒直接延續(xù)到另一個晶粒之中，但多晶體作為一個連續(xù)的整體，每個晶粒處于其他晶粒的包圍之中，為了維持多晶體的完整性，即在晶界處即不出現(xiàn)裂紋，也不發(fā)生原子的堆積，不允許各個晶粒在任意滑移系中自有變形，否則必將造成晶界開裂。為使每一晶粒與鄰 近晶粒產(chǎn)生協(xié)調(diào)變 16 形，理論分析表明：每一個晶粒至少需要 5 個滑移系同時開動。實驗觀察也證明，多滑移是多晶體塑性變形時的一個普遍現(xiàn)象。 （ 3）各晶粒變形的不同時性和不均勻性 與單晶體相比，多晶體的塑性變形更加不均勻。除了更多滑移系統(tǒng)的多滑移之外，由于晶界的約束作用，晶粒中心區(qū)的滑移量也大于邊緣區(qū)域（晶界附近的區(qū)域）。在晶體發(fā)生轉(zhuǎn)動時，中心區(qū)的轉(zhuǎn)動角度也大于邊緣區(qū)，因此多晶體變形后的組織中會出現(xiàn)更多、更明顯的滑移線、形變帶和晶面彎曲，也會形成更多的晶體缺陷。 純銅 多晶體 變形的研究 銅及銅合金加工材（板、帶、 箔、管、棒、線、異型、復合材等），以其優(yōu)良的加工性能和使用性能被廣泛應用于國民經(jīng)濟各部門，為電子電氣、機械制造、交通運輸、建筑等支柱產(chǎn)業(yè)提供有力的支撐作用，成為現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代科技發(fā)展不可缺少的基礎(chǔ)材料 [25]。 黃曉旭 [26,27]等人對無氧高純銅（ OFHC）拉伸變形過程中形變顯微組織與晶粒取向之間的相關(guān)性進行了研究，發(fā)現(xiàn)在晶粒內(nèi)部形變顯微組織均勻一致，而在不同的晶粒之間則存在明顯差異，根據(jù)位錯組態(tài)的不同可將形變組織分為 3 種，如圖 18所示。 I 型組織為明顯的胞塊結(jié)構(gòu)，胞塊界面主要表現(xiàn)為完整的位錯墻（ DDWs） ，位錯墻平直、連續(xù)并且相互平行，縱截面和橫截面中位錯墻的特征基本相似； II 型組織不是平直連續(xù)的位錯墻，晶粒被位錯胞界所分割，縱向截面含有許多位錯胞，且位錯胞有沿拉伸軸方向伸長的趨勢，橫向截面的位錯胞表現(xiàn)為等軸特性； III 型組織是兩套高密度位錯墻及微帶（ MBs）將晶粒分割成為小胞塊，且位錯墻與微帶相互貫穿 [28,29]。 17 （ a） I 型組織；（ b） II 型組織；（ c） III 型組織 圖 18 拉伸變形多晶銅的顯微組織特征 單鳳蘭 [30]等人采用透射電鏡衍射成像技術(shù)觀察了在室溫下變形銅中位錯胞結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生和發(fā)展， 測定了胞壁厚度及位錯環(huán)尺寸等隨應變的變化規(guī)律。觀察表明，當ε 3%時，只是在局部區(qū)域形成一些不完整的位錯胞結(jié)構(gòu)，胞壁不連續(xù)，胞壁中的位錯線比較平直，但略有纏結(jié)，分布比較松散。當ε 3%時，胞壁中的位錯線長度隨應變增加逐漸變短、彎折，并進一步纏結(jié)。胞壁逐漸變得連續(xù)，完整地包圍一個位錯胞的小區(qū)域。隨著應變進一步增加，伴隨著胞壁中位錯纏結(jié)現(xiàn)象加劇，胞壁的厚度變小，極限尺寸為 m，位錯胞尺寸也隨之減少，極限尺寸為 m，在胞壁內(nèi)或者附近觀察到位錯環(huán)，平均尺寸也減少，極限尺寸為 m，位錯線密度 隨之增加，極大值為 1010cm2。當ε 20%，位錯胞的排列呈現(xiàn)有方向性，多數(shù)位錯胞沿 111方向拉長，胞壁傾向沿11 100、 110方向排列。 Wartington 在純銅中改變形變溫度時也發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。在拉伸變形后的多晶體銅中也發(fā)現(xiàn)了 3 種不同層次的亞組織。 圖19 示出拉伸變形 23 %的試樣，其中一個晶粒的 SEM channeling contrast 圖 18 像?？梢钥闯?，該晶粒已被分割為兩個亞晶粒（在圖中用虛線隔開），每個亞晶粒中都有帶狀的胞塊，但它們的走向明顯不同，亞晶界 不像軋制組織中形變帶界面具有平直特征