0   引 言

利用塑性变形的方法将金属材料晶粒细化至纳米晶或超细晶（100 ~ 1 000 nm）尺度,已被证实是提升材料力学性能的有效手段之一^[1-2]。对块体纳米晶、超细晶金属材料制备、力学行为及强韧化机制的研究,已成为该领域最受关注的研究方向^[3-4]。目前,严重塑性变形（SPD）^[5-8]方法如等通道转角挤压(ECAP）^[9-11]、高压扭转（HPT）^[12-14]、冷轧^[15-17]等是制备纳米材料最有效的方式,受到国内外研究学者的广泛研究,这类方法不仅工艺简单、污染小,而且能够高效地制备尺寸大而致密的块状纳米结构材料。其中轧制是工业界最常用的金属加工成型手段,同时轧制可以有效地细化晶粒结构和提升强度^[18],90%以上的金属需经轧制处理后才能实现工业应用。SUN 等^[19]对镍基合金进行压下率98.89%的轧制,轧制样品屈服强度达到1 455 MPa。HUGHES等^[20]通过70%、90%、98%压下率的室温冷轧,在纯镍中实现了晶粒细化,当压下率为98%时超细晶组织的尺寸可以细化至133 nm。

由此可见,为了在样品中获得纳米结构,需要对样品进行较大压下率的轧制。传统的轧制工艺局限于单方向轧制,当单方向轧制压下率较大时,样品厚度较小^[21]。这将导致两方面的问题：一是由于样品厚度较小,难以继续施加变形,导致无法进一步细化晶粒、提升强度。二是材料厚度小限制了轧制变形制备纳米结构金属材料的应用场景。因此,亟须发展新的轧制工艺突破大压下率轧制样品的尺寸限制。为此,我们设计了一种多方向轧制工艺,通过改变轧制方向,一方面可以加大压下率进一步细化纳米晶粒结构,另一方面使样品受到大塑性变形的情况下,样品尺寸得以保持,便于后续根据具体应用场景进行加工。本研究选取Nimonic-263合金作为研究对象,开展不同轧制压下率和轧制方向的轧制实验,研究轧制过程中合金微观结构演变、晶粒细化行为、力学性能和强化机理。通过比较多方向轧制和单方向轧制样品的微观结构和力学性能,展示多方向轧制的优势,为纳米晶镍基合金工业化生产提供新的加工策略。

1   实验部分

1.1   实验材料

选用的实验材料为一种广泛应用的商业Nimonic-263合金,其化学成分如表1所列。轧制之前,对该材料进行了固溶处理,工艺为1 150 ℃下保温0.5 h,随后空冷降温。

表  1  本研究使用的Nimonic-263合金的化学成分

Table  1.  The chemical composition of the Nimonic-263 alloy used in this study

元素	Ni	Co	Cr	Mo	Ti	Al	C	Fe	Mn	Si	W	P	S
质量分数/%	余量	19.69	19.61	6.19	2.07	0.55	0.05	0.66	0.001	0.07	0.12	0.002	0.002

下载: 导出CSV 

| 显示表格

1.2   轧制工艺

采用同步轧制方法处理镍基合金样品,轧制前的材料样品尺寸为40 mm × 14 mm × 10 mm（长×宽×高）,使用砂纸打磨去除表面氧化层。随后进行不同压下率的轧制实验。

轧制态（CR）试样为在粗晶态试样基础上,将厚10 mm的块状样以单次压下率为5%进行轧制。其中轧制压下率50%样品累计轧制10次,轧制后样品厚度为5 mm,90%轧制压下率样品累计轧制18次,轧制后样品厚度为1 mm。多方向轧制（MD）样品的轧制工艺为：首先对轧制面法向方向（ND）进行单次压下率为5%,累计压下率为50%的处理,结束后翻转样品对横向（TD）进行单次压下率为5%,累计压下率为50%,具体见图1。重复上述工艺改变方向4次,通过计算得到累计压下率约为98.8%。

图  1  多方向轧制工艺示意

Figure  1.  Schematic diagram of sample preparation procedure for multi-directional cold rolling

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.3   形貌和结构表征

本研究主要利用扫描电子显微镜（SEM）对不同处理状态样品进行微观结构观察。使用的 SEM 设备为Zeiss公司生产的Auriga型扫描电子显微镜。电子通道衬度技术（Electron Channeling Contrast, ECC）,使用ECC探头,加速电压为15~20 kV。背散射电子衍射(Electron Back-Scatter Diffraction,EBSD)成像技术采用 BSE 探头,其加速电压为20 kV,步长为1 μm,工作距离为13 mm。使用TSL和Channel 5软件进行分析EBSD实验数据采集和后期分析处理。使用 FEI Tecnai 20 高分辨透射电镜（TEM）进行样品的微观结构观察。TEM 操作时的加速电压设置为200 kV,以获得高分辨率的图像。使用FEI Talos F200X透射电镜与能量色散X射线光谱（EDS）探测器组合,进行样品的元素分析。

1.4   力学性能测试

采用 Qness Q10 A+ 设备完成硬度实验。将样品表面进行机械研磨抛光,达到镜面般光亮。每组维氏硬度数据都是多组数据取平均值的结果（统计数据大于100组）。采用电火花线切割技术从轧制样品中获得标距段横截面积为2 mm², 长为5 mm的标准“狗骨头”形状拉伸试样。拉伸实验使用 Instron 5982 室温拉伸实验机对样品进行单向拉伸测试,拉伸速率为3×10^-4 s^-1。

2   结果与分析

2.1   轧制压下率对微观组织的影响

图2（a）所示为1 150 ℃、保温0.5 h固溶处理后样品的 SEM-ECC 图,可以看出晶粒尺寸相对比较均匀,晶粒内部有平直退火孪晶。EBSD 结果表明晶粒存在清晰的边界,晶粒内部干净,表明位错密度低（图2（b））。通过对超过200个晶粒的统计,得到的平均晶粒尺寸,结果如图2（c）所示, 固溶处理后样品的晶粒尺寸为（145 ± 10） μm。

图  2  固溶处理的镍基合金：（a）SEM-ECC 像；（b）EBSD 像；（c）晶粒尺寸分布柱状图

Figure  2.  Ni-based alloy treated with solid solution ：（a） SEM-ECC image； （b） EBSD image； （c） grain size distribution

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图3（a）展示了固溶处理后轧制压下率50%样品的 TEM 图。对比固溶处理的样品,经过了50%的轧制变形后晶粒已经被完全破坏,其存在着清晰可见的平行条带结构。图3（b）所示为该区域的选区电子衍射（SAED）图,[011]晶带轴下采集的衍射斑点证实了这种平行条带为纳米孪晶结构,同时没有发现面心立方孪晶结构之外的衍射斑点,这表明样品为单相 γ 固溶体结构。图3（c）—图3（f）为样品的 EDS 图片,元素整体分布均匀,没有发现有其他相的存在,与 SAED 图结果一致。统计表明,孪晶尺寸为（12 ± 5） nm（图3（g））。

图  3  轧制压下率50%样品：（a）BF-STEM 像；（b）选区电子衍射照片；（c）—（f）EDS 像；（g）孪晶晶粒尺寸分布柱状图

Figure  3.  The rolled sample with 50% thickness reduction： （a） BF-STEM image； （b） selected area electron diffraction pattern, （c）—（f） EDS images； （g） Twin/Matrix lamellar thickness distribution

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图4（a）所示为固溶处理后轧制压下率90%镍基合金经的 TEM 图, 可以看到样品中存在大量沿某一方向拉长的细长晶粒。统计表明晶粒短轴尺寸为（35 ± 8） nm（图4（f））,表明压下率90%样品的晶粒已经细化至纳米尺度。图4（b）中 SAED呈现出多晶衍射环,表明晶粒之间取向差相对较大,具有一定数量的大角度晶界。SAED 图中的衍射环从内到外依次分别对应单相镍合金的(111)、(200)、(220)、(311)、(222)晶体面^[22],这说明经过大变形室温冷轧处理后,材料中存在大量的纳米晶粒,并且材料为单相结构,轧制过程中没有发生相变。图4（c）—图4（f）为样品的 EDS 图片,元素整体分布相对均匀,说明轧制处理没有新相的析出。

图  4  轧制压下率90 % 样品：（a）BF-STEM 像；（b）选区电子衍射照片；（c）—（f）EDS 像；（g）晶粒尺寸分布

Figure  4.  The rolled sample with 90% thickness reduction： （a） BF-STEM image； （b） selected area electron diffraction pattern, （c）—（f） EDS images； （g） grain size distribution

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图5（a）所示为固溶态镍基合金经 MD 轧制后的 TEM 图,统计结果表明晶粒短轴尺寸为（27 ± 8） nm（图5（g））,小于轧制压下率90%样品的晶粒尺寸,说明 MD 具有更加显著的晶粒细化效果。图5（b）所示为相对应 SAED 图,其衍射环特征表明晶粒之间具有较大的取向差,存在一定数量的大角度晶界。对衍射图谱进行标定,发现 MD 轧制处理镍基合金为单相固溶体结构,加工过程中没有第二相析出。图5（c）—图5（f）为 EDS 图,观察到元素整体分布均匀,与轧制压下率90%样品的元素分布情况类似。

图  5  MD轧制样品的：（a）BF-STEM 像；（b）选区电子衍射照片；（c）—（f）EDS 像；（g）晶粒尺寸分布

Figure  5.  MD Cold-Rolled sample： （a） BF-STEM image； （b） selected area electron diffraction pattern； （c）—（f） EDS images； （g） grain size distribution

下载: 全尺寸图片 幻灯片

在图6（a）—图6（c）TEM图中可以观察到不同轧制压下率处理的镍基合金所呈现出的组织不同。经压下率50%轧制处理后,样品微观结构由大量的纳米孪晶（Nanotwin,NT）和位错（Dislocation）组成,纳米孪晶将基体分割成层片相间的组织,孪晶的平均尺寸为12 nm。通过面积法统计得位错区域和孪晶区域体积分数分别为62%和38%,说明随着压下率的增大,样品的变形机制逐渐转变为变形孪生为主（图6（a））。随着压下率增加至90%,样品中孪晶减少,体积分数下降至5%,同时样品中出现大量纳米晶（Nanograin,NG）结构,晶粒沿轧制方向呈拉长状、平行排列,短轴平均晶粒尺寸为35 nm。因此,样品微观结构主要是由纳米晶、纳米孪晶组成（图6（b））。当通过MD轧制处理（图6（c））时,由于样品能够保持与单方向轧制变形同等样品厚度的情况下实现更剧烈的塑性变形,晶粒也进一步发生细化现象,短轴平均晶粒尺寸可以低至27 nm。相比于压下率90%的样品,可以看到MD轧制样品中微观结构以纳米晶结构为主体,几乎没有孪晶区域,这说明更大的塑性变形下,晶粒继续细化。

图  6  （a）轧制压下率50%样品的 TEM 图片及孪晶区域选区电子衍射图谱；（b）轧制压下率90%样品的TEM 图片及孪晶和纳米晶区域选区电子衍射图谱；（c）MD 轧制样品的 TEM 图片及纳米晶选区电子衍射图谱

Figure  6.  （a） The TEM image and SAED pattern of nano-twins for the rolled sample with 50% thickness reduction； （b） the TEM image and SAED patterns of nano-twins and nano-grains for the rolled sample with 90% thickness reduction； （c） the TEM image and SAED pattern of nano-grains of MD rolled samples

下载: 全尺寸图片 幻灯片

通过上述实验结果可以看出,随着单向轧制压下率的增大,单向轧制样品中孪晶体积分数逐渐减小,孪晶层片厚度基本保持不变。同时纳米晶结构体积分数逐渐增加,纳米晶尺寸可以细化至（35 ± 8） nm。另外,MD 轧制样品中主要结构特征为纳米晶,晶粒细化至（27 ± 8） nm,略小于单向90%轧制压下率的样品。NiCoCr 合金为一种典型的低层错能材料,当塑性变形量逐渐累加,相应的位错密度积累到一定程度,材料应力升高到一定程度足以激活孪生变形模式^[23]。随着变形量的进一步增加,孪晶的体积分数逐渐增加,孪晶层片厚度逐渐减小。在轧制压下率为50%时,获得了体积分数为38%的纳米孪晶结构。当压下率进一步增大时,变形孪生在未发生孪生的位错区域主导变形。同时由于纳米孪晶超过一定程度,纳米孪晶片层结构也要参与协调变形。但是其强度较高,变形难以较为均匀的方式进行。大量的研究表明,高强度孪晶片层的主要变形方式为剪切带在孪晶区域开动^[24-25],切割孪晶界,同时剪切带内的微观结构特征以纳米晶为主。可以看到,当轧制压下率达到90%时,NiCoCr 样品的微观结构为典型的剪切带切割孪晶片层结构,剪切带内的晶粒尺寸为（35 ± 8） nm（图4（g））。一般由于热作用的影响,剪切带内的晶粒一般略大于孪晶层片厚度。由于剪切带对孪晶片层的切割,孪晶的体积分数逐渐下降。另外,对于 MD 轧制样品,多方向的轧制更有利于剪切带在孪晶片层结构区域开动,剪切纳米孪晶片层结构,从而产生更高体积分数的纳米晶结构。这与实验观察结果一致,MD轧制样品的微观结构基本以纳米晶结构为主,纳米孪晶结构基本消失殆尽。

2.2   压下率对力学性能的影响

图7（a）所示为轧制前后镍基合金样品的硬度数据。样品在固溶处理后硬度为（275 ± 14） HV,伴随着轧制压下率的增加,硬度逐渐上升。在压下率50%的样品中,样品的硬度为（446 ± 17） HV,这主要是来自纳米孪晶对于强度提升的贡献。当轧制压下率达到90%,样品硬度进一步增加到（523 ± 13） HV。MD轧制样品的硬度为（525 ± 17） HV,相比于90%压下率样品硬度有轻微上升。整体上样品的硬度趋势是伴随着轧制量的增加呈现出先增加再趋向于平缓。

图  7  （a）固溶处理和不同轧制压下率样品的维氏硬度；（b）固溶处理和不同轧制压下率样品的工程应力-应变曲线,插图为黄色虚线框内的放大图

Figure  7.  （a） Microhardness and （b） engineering stress-strain curves of samples subjected to solid solution treatment and cold rolling with various rolling thickness reductions, inset is the enlarged view within the yellow dashed line

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图7（b）所示为轧制前后镍基合金样品的室温拉伸工程应力-应变曲线, 其屈服强度、抗拉强度和均匀延伸率如表2所列。均匀延伸率是指在拉伸过程中载荷达到抗拉强度时对应的伸长率。由表2可知,固溶态粗晶合金的屈服强度和抗拉强度分别为（353 ± 8） MPa 和（747 ± 14） MPa,均匀延伸率达50%以上,样品呈现出良好的塑性和加工硬化能力。相比于轧制前固溶态粗晶合金,压下率50%纳米孪晶镍基合金强度大幅提高,合金屈服强度和抗拉强度分别达到（1 312 ± 12） MPa 和（1 396 ± 19） MPa。压下率90%轧制样品屈服强度高达（1 599 ± 10） MPa,MD 轧制样品强度更是达到（1 705 ± 15） MPa。这意味着通过压下率和变形方式的调控可以引入更多的纳米结构提升材料强度。

表  2  固溶处理和不同轧制压下率样品的屈服强度、抗拉强度和均匀延伸率

Table  2.  Yield strength, tensile strength and uniform elongation of samples subjected to solid solution treatment and cold rolling with various rolling thickness reductions

参数名称	固溶态	轧制压下率50%	轧制压下率90%	MD轧制
屈服强度/MPa	353±8	1 312±12	1 599±10	1 705±15
抗拉强度/MPa	747±14	1 396±19	1 670±11	1 771±22
均匀延伸率/%	54.6±1.1	1.5±0.4	1.8±0.2	2.1±0.1

下载: 导出CSV 

| 显示表格

通过拉伸实验数据（表2）可以看出,相比固溶态粗晶样品,纳米结构镍基合金屈服强度大幅提高,但是当样品达到屈服点以后,迅速颈缩、 断裂,表现出很差的加工硬化能力,相应的轧制样品延伸率由轧制前的54.6% ± 1.1%下降至2.1% ± 0.1%（MD轧制样品）。这一强度、塑性的变化规律与其他SPD方法所制备的纳米晶、超细晶金属的情况类似。晶粒结构细化会带来两方面的影响：一是当晶粒尺寸细化至100 nm以下时,材料中晶界所占比例迅速上升。本研究中大压下率轧制样品的纳米晶粒尺寸在（35 ± 8） nm,尚未小于出现反常 Hall-Petch 效应的晶粒尺寸范围^[26]。这就意味着大压下率轧制NiCoCr位错运动的平均自由程显著下降,晶界可以起到有效地阻碍位错运动的作用^[27-28]。一般来说,晶界强化对于屈服强度的影响可以通过$∆{\sigma }_{\mathrm{G}\mathrm{B}}=k{d}^{-\mathrm{1}/\mathrm{2}}$,其中d为晶粒尺寸,k为 Hall-Petch 斜率,其数值与晶界的强化效果有关,文献[29]中所报道的纯Ni的k值4 258.13 MPa·nm^1/2。单向轧制压下率50%的样品微观特征尺寸为12 nm,孪晶体积分数f_NT为38%,通过公式$\sigma ={\sigma }_{\mathrm{N}\mathrm{T}}{f}_{\mathrm{N}\mathrm{T}}$计算得到孪晶强化效果为467 MPa。压下率为90%的样品中纳米晶和纳米孪晶体积分数分别为95%和5%,特征尺寸分别为35 nm和12 nm,通过混合法则公式$\sigma ={\sigma }_{\mathrm{N}\mathrm{T}}{f}_{\mathrm{N}\mathrm{T}}+{\sigma }_{\mathrm{N}\mathrm{G}}{f}_{\mathrm{N}\mathrm{G}}$计算得到其界面强化（晶界+孪晶）效果为745 MPa。MD样品为纳米晶样品,晶粒尺寸为27 nm,其晶界强化效果为820 MPa。可以看到,压下率为90%和 MD 样品中界面强化效果相差75 MPa。拉伸实验结果表明,MD 轧制样品屈服强度比单向压下率为90%的样品高约106 MPa。计算结果和实验结果吻合良好,说明 MD 轧制样品屈服强度较高主要来自其较小的纳米晶粒尺寸。另一方面,纳米晶粒内部空间小,导致晶粒内部没有足够的空间用来储存后续变形过程中新产生的位错^[30-31],同时新产生的位错也易与周边的晶界发生反应进而湮灭,两者共同作用使得纳米晶粒内部难以存储位错^[32],样品也就失去了继续加工硬化的能力,这就导致了压下率90%和 MD 轧制样品的拉伸塑性十分有限。

3   结 论

1）本工作提出了多方向（MD）轧制工艺,通过调整轧制方向增加样品的塑性变形程度,在保持与单方向轧制变形同等样品厚度的情况下实现了更剧烈的塑性变形,解决了样品尺寸限制问题,为传统金属冷轧的加工方式提供了思路。

2）对比分析了不同压下率和 MD轧制样品的微观结构和力学性能,发现通过 MD变形处理后,剪切进一步加剧,材料以纳米晶的结构为主体。这是由于 MD 样品局部变形以剪切带的形式进行,导致纳米孪晶晶界严重扭曲,孪晶结构被破坏,从而形成拉长纳米晶,同时晶粒进一步细化至（27 ± 8） nm。

3）样品经过 MD 处理后,纳米晶的体积分数继续增加,样品的维氏硬度和屈服强度较90%轧制压下率样品进一步提升,分别为（525 ±17） HV和（1 705 ± 15） MPa。根据 Hall-Petch 关系计算得到50%轧制样品、90%轧制样品和 MD 样品中界面强化的贡献分别为467、745 MPa和820 MPa,证实了 MD 轧制变形进一步细化晶粒提高材料强度的可行性。