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摘 要

本文首先论述了铜锌合金即黄铜的优缺点及其在生产生活中的应用。然后对应其塑性有余而强度不足的缺点，提出了采用等通道挤压方法来制备超细晶黄铜的方法。多晶体材料的晶界越多，晶粒越细，其屈服强度越大，材料强度也增大。同时，大数量的晶界可以起到协调晶粒变形的作用。提高强度的同时还能保持一定的塑韧性。对Cu-10%Zn合金分别进行轧制、以及不同道次的ECAP变形后分别得到试样。对不同的样品进行EBSD及电化学测试后，由测试的数据分析了不同变形程度下的样品在晶粒尺寸、取向差、局部取向差、再结晶数据、抗腐蚀性能等方面的区别，发现ECAP制取的超细晶对材料的组织性能改善十分明显。

关键词：等径角挤压 铜锌合金 超细晶 塑性变形

Effect of severe plastic deformation on Microstructure and properties of Cu-Zn Alloy

Abstract

This paper first discusses the advantages and disadvantages of copper zinc alloy, namely brass, and its application in production and life. Then, according to the shortcomings of its plasticity and strength, the equal channel extrusion method is proposed to prepare ultrafine grained brass. The more the grain boundary, the finer the grain, the higher the yield strength and the higher the material strength. At the same time, a large number of grain boundaries can coordinate grain deformation. At the same time, it can maintain a certain plastic toughness. After rolling and ECAP deformation of Cu-10%Zn alloy respectively, the samples were obtained. After EBSD and electrochemical tests on different samples, the differences in grain size, orientation difference, local orientation difference, recrystallization data and corrosion resistance of samples under different deformation degrees are analyzed from the test data. It is found that the ultra-fine grains produced by ECAP can significantly improve the fabric properties of the materials.

Key Words: ECAP; Copper zinc alloy;Ultrafine grain; Plastic deformation

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章：绪论 1

1.1铜及铜合金简介 1

1.2剧烈塑性变形原理 2

1.2.1组织细化机理 2

1.2.2合金强化机制 5

1.3等径角挤压（ECAP） 7

1.4研究现状 9

第二章：实验过程 11

2.1实验材料 11

2.2实验仪器 11

2.3样品制备及检测 12

2.3.1挤压式样制备 12

2.3.2EBSD样品制备及检测 13

2.3.3电化学性能测试试样制备及测试 14

第三章：结果与讨论 15

3.1组织形貌分析 15

3.2 晶粒尺寸（Grain Size）分析 16

3.3取向差（Misorientation）分析 18

3.4局部取向差（KAM）分析 19

3.5再结晶数据统计 20

3.6极化曲线分析 21

3.7小结 22

参考文献 23

致谢 26

第一章 绪论

Cu及Cu-Zn合金具有优良的力学性能、导电性及导热性、良好的抗腐蚀性及防海生物污损性能，是目前应用比较广泛的铜合金之一，虽然其塑性极佳，但强度不足这一缺陷使得Cu-Zn合金无法满足某些场景的特定需求，随着在其生产生活中的应用逐渐加大，对该材料的性能提出了越来越高的要求，因此，发展高强度大伸长率的铜锌合金材料迫在眉睫。通过剧烈塑性变形可以使材料的原始晶粒超细化，制得的超细晶可以使得材料的内部结构得到极大的改善，从而提高材料的性能，使其强度提高的同时保持极高的韧性，材料的综合性能得以提高。系统地认识和了解Cu及Cu-Zn合金剧烈塑性变形对晶粒细化的影响具有重要的意义。相较于传统的材料加工手段，剧烈塑性变形技术通过形变过程中产生的大变形量使得组成材料的晶体细化至微米甚至是纳米级,从而得到超细晶。

等通道转角挤压(ECAP)是一种应用非常广泛的剧烈塑性变形技术，这一过程中材料发生近乎完全的纯剪切变形，从而得到超细晶。由于铜是低层错能金属，因此它的塑性变形既包括位错的滑移，也通过孪生方式产生孪晶而达到变形的效果。等通道角挤压方法可以在不改变材料尺寸的前提下，通过引入大的形变量来减小晶粒尺寸，大幅提高材料的强度及综合力学性能。

1.1铜及铜合金简介

铜锌合金，即黄铜。作为一种从远古时代就被已经人们开发利用的金属，从利用纯铜，到通过冶炼铜矿获取纯铜，再到冶炼出青铜、黄铜、紫铜等，铜及铜合金的应用贯穿了人类发展的历史。现代生活中其主要应用方面包括电器、电子、交通运输、冶金、建筑、运输等重工业，也涵盖了造纸、印刷、空调、医药等轻工业。

普通黄铜也就是铜锌合金的其室温组织也不尽相同。如图1.1所示的Cu-Zn二元状态图，黄铜的室温组织有三种：黄铜和（ β）两相黄铜以及β黄铜。这三种黄铜的相结构不同一种是只有相的黄铜，一种是只有β相的黄铜，还有一种是含有两相的黄铜。

图1.1 Cu-Zn二元相图

Fig. 1.1 Binary phase diagram of Cu-Zn

1.2剧烈塑性变形原理

1.2.1组织细化机理

金属变形过程中晶粒的细化原因一方面是由于各种位错之间的作用，另一方面也与材料的另一种变形机制即孪生有关，这两种变形机制共同存在并在一定程度上竞争，综合作用使得材料的微观组织发生改变。

1.2.1.1位错结构演化机理

近年来,对于形变晶体中由位错构成的胞状亚结构的形成和形变过程中各个晶粒之间呈现的不同的大小各异的取向，主要发展出了两种理论，一种是粘塑性自恰理论（VPSC），另一种是旋错理论(Disclinatio)^[1,2]。塑性变形后的材料内部存在着形变储存能，在微观组织上表现为各种各样的位错，这些位错的分布具有一定的规律性，彼此之间产生了界面，从界面内部可以观测到相比于其他位置较少的位错密度。由此可知，对于位错胞细化后的体系中整体的能量较小。已证实的两种位错界面分别为取向一定的平坦位错界面与取向随机的胞状界面^[3]。以上两种位错界面可以各自分别形成形变组织的不同亚结构，但在大多数的研究中，平坦位错界面与取向随机的胞状界面是同时存在于晶体结构中的。相关学者一般对于这两种形变组织结构统称为位错胞状结构，同时也可称其为位错胞。在位错胞区域内部形成更小的胞状界面，将整个位错胞分割成一个个更加细小的胞状区，这些区域的界面也是由多余的位错缠结构成的，这些位错具有相同的滑移系^[1,2],形成所谓的包装亚结构可以起到细化晶粒的作用。研究发现,当进一步加大形变量时,例如在剧烈塑性变形条件下,不但会形成位错胞状亚结构，而且位错胞的尺寸也会进一步减小，最终可达到极强的细化效果，对于不同金属晶粒细化程度不同，纯铜的尺寸可细化至约为200nm,对于纯镍的晶粒细化效果更好，尺寸甚至可以减小至100nm左右，这实验观察结果相一致^[4]。

此外，另有研究证明，位错胞结构的界面取向差大都为小角度晶界，或者为取向差不超过40°的大角度晶界^[5-7],而根据通常SPD方法得出的晶粒具有大角度晶界，且通常处于高能态^[4,8]，这一矛盾使得这与位错胞细化模型无法完美的解释晶粒组织细化的全过程

1.2.1.2剪切带细化（Shear Bands）

高应变速率下的塑性变形（SMAT、DPD方法）所制得的变形组织中典型的显微组织结构队为变形绝热剪切带^[9,10]。此外，对于低层错能的金属（如Cu-5%Al中），也可能在应变量较低的形变状态下产生剪切结构队^[11-14]。

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