D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.03.014 第29卷第3期 北京科技大学学报 Vol.29 No.3 2007年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2007 累积叠轧焊强化金属材料的力学性能 许荣昌)唐获)任学平)侯红亮)王耀奇)王小红) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京航空制造工程研究所，北京100024 摘要在多功能热轧机上对广泛应用的代表性金属材料Q235碳素钢和L2铝分别进行了累积叠轧焊实验，重点研究了变 形温度、累积叠轧次数和压下量对金属材料强度、应力应变曲线、显微硬度，塑性的影响规律，分析了规律形成的原因·结果 表明：Q235碳素钢和L2铝在不加入任何强化元素的情况下完全可以达到良好的自身结合，材料的抗拉强度得到提高，金属 材料的塑性分别有不同程度的下降 关键词金属材料：Q235钢：L2纯铝；累积叠轧焊；力学性能 分类号TG142.1 累积叠轧焊山(accumulative roll bonding, 200mm×300mm的铝板，半硬化态L2纯铝分别在 ARB)是将表面进行脱脂、加工硬化等处理后尺寸相 室温和250℃的条件下进行了6道次的累积叠轧焊 等的两块薄板材料在一定温度下叠轧并使其自动焊 实验；完全退火态L2纯铝在室温条件下进行了10 合，然后重复进行相同的工艺反复叠片、轧制焊接， 道次的累积叠轧焊实验，实验用钢首先在热轧机上 从而使材料的组织得到细化，夹杂物均匀分布，大幅 轧制成5.0mm厚的钢板并空冷，退火，取试样尺寸 度提高材料的力学性能，由于累积叠轧焊工艺在理 500mm×100mmX5mm作为原始态，并进行了6 论上能获得比较大的压下量，突破了传统轧制压下 道次的ARB强加工实验， 量的限制，并可连续制备薄板类的超细晶金属材料， 表1实验用金属材料的化学成分（质量分数） 所以ARB被认为是大应力变形工艺中唯一有希望 Table 1 Chemical composition of the experimental metal materials 能生产大块超细晶金属材料的方法[].ARB工艺 % 属于强烈塑性变形(SPD)方法中的一种.日本学者 材料SiFe十Si Cu C Mn P S Al Fe 利用此工艺对铜、铝、铝合金等易变形金属材料进行 纯铝0.200360.01- -99.600.25 了研究，获得了200nm超细晶铝合金金属和500nm 普碳钢0.23- -0.160.620.0170.02-其余 的超细晶低碳钢；国内还未见对ARB工艺系统研究 的报道3).目前，Q235钢和铝在我国应用比较普 将材料表面经过酸洗、脱脂、表面硬化处理后叠 遍，由于它们不需加入任何强化元素，可回收性强， 合在一起，叠片周围密封防止加热时内表面二次氧 是比较典型的环保型金属材料.本文从挖掘材料的 化，加热并保温，在北京科技大学强力轧机上轧制， 性能潜力出发，在原有工艺的基础上结合我国的实 一次压下率为50%，退火并保温、均分，循环轧制， 际情况首次探索了ARB工艺对L2纯铝和普碳钢 每次留取分析试样.用NEOPHOT21大型光学显 Q235的组织演变与力学性能的影响规律，分析了规 微镜观察材料的金相组织；应用Cambridge 律形成的内在机理 S250MK2型扫描电子显微镜(SEM)与800透射 1 实验方法 电镜(TEM)观察材料的微观组织；应用3O0kN微 机控制电子万能力学实验机在室温下对材料进力学 实验材料分别为商用L2纯铝和首钢生产的工 性能测试：应用DMH一2显微硬度计测量每个道次 业用Q235连铸方坯(120mm×120mm),其化学成 试样的显微维氏硬度， 分如表1所示.实验用铝材料选用半硬化态L2纯 铝与完全退火态L2纯铝.试样采用1mm× 2 实验结果与分析 收稿日期：2005-12-31修回日期：2006-06-06 2.1ARB次数对力学性能的影响 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。.50375019) 实验用Q235母材抗拉强度，为385MPa,屈 作者简介：许荣昌(1972-)：男，博士研究生；唐获(1955一)，男， 服强度o,为255MPa,延伸率29%.经过ARB工艺 教授，博士生导师
累积叠轧焊强化金属材料的力学性能 许荣昌1） 唐 荻1） 任学平1） 候红亮2） 王耀奇2） 王小红1） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 2） 北京航空制造工程研究所北京100024 摘 要 在多功能热轧机上对广泛应用的代表性金属材料 Q235碳素钢和 L2铝分别进行了累积叠轧焊实验重点研究了变 形温度、累积叠轧次数和压下量对金属材料强度、应力－应变曲线、显微硬度、塑性的影响规律分析了规律形成的原因．结果 表明：Q235碳素钢和 L2铝在不加入任何强化元素的情况下完全可以达到良好的自身结合材料的抗拉强度得到提高金属 材料的塑性分别有不同程度的下降． 关键词 金属材料；Q235钢；L2纯铝；累积叠轧焊；力学性能 分类号 TG142∙1 收稿日期：20051231 修回日期：20060606 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50375019） 作者简介：许荣昌（1972－）男博士研究生；唐 荻（1955－）男 教授博士生导师 累 积 叠 轧 焊［1］ （accumulative roll bonding ARB）是将表面进行脱脂、加工硬化等处理后尺寸相 等的两块薄板材料在一定温度下叠轧并使其自动焊 合然后重复进行相同的工艺反复叠片、轧制焊接 从而使材料的组织得到细化夹杂物均匀分布大幅 度提高材料的力学性能．由于累积叠轧焊工艺在理 论上能获得比较大的压下量突破了传统轧制压下 量的限制并可连续制备薄板类的超细晶金属材料 所以 ARB 被认为是大应力变形工艺中唯一有希望 能生产大块超细晶金属材料的方法［2］．ARB 工艺 属于强烈塑性变形（SPD）方法中的一种．日本学者 利用此工艺对铜、铝、铝合金等易变形金属材料进行 了研究获得了200nm 超细晶铝合金金属和500nm 的超细晶低碳钢；国内还未见对 ARB 工艺系统研究 的报道［3］．目前Q235钢和铝在我国应用比较普 遍由于它们不需加入任何强化元素可回收性强 是比较典型的环保型金属材料．本文从挖掘材料的 性能潜力出发在原有工艺的基础上结合我国的实 际情况首次探索了 ARB 工艺对 L2纯铝和普碳钢 Q235的组织演变与力学性能的影响规律分析了规 律形成的内在机理． 1 实验方法 实验材料分别为商用 L2纯铝和首钢生产的工 业用 Q235连铸方坯（120mm×120mm）其化学成 分如表1所示．实验用铝材料选用半硬化态 L2纯 铝与 完 全 退 火 态 L2 纯 铝．试 样 采 用1mm× 200mm×300mm的铝板．半硬化态 L2纯铝分别在 室温和250℃的条件下进行了6道次的累积叠轧焊 实验；完全退火态 L2纯铝在室温条件下进行了10 道次的累积叠轧焊实验．实验用钢首先在热轧机上 轧制成5∙0mm 厚的钢板并空冷退火．取试样尺寸 500mm×100mm×5mm 作为原始态并进行了6 道次的 ARB 强加工实验． 表1 实验用金属材料的化学成分（质量分数） Table1 Chemical composition of the experimental metal materials ％ 材料 Si Fe＋Si Cu C Mn P S Al Fe 纯铝 0∙20 0∙36 0∙01 － － － － 99∙600∙25 普碳钢 0∙23 － － 0∙160∙620∙0170∙02 － 其余 将材料表面经过酸洗、脱脂、表面硬化处理后叠 合在一起叠片周围密封防止加热时内表面二次氧 化加热并保温在北京科技大学强力轧机上轧制 一次压下率为50％退火并保温、均分循环轧制 每次留取分析试样．用 NEOPHOT 21大型光学显 微 镜 观 察 材 料 的 金 相 组 织；应 用 Cambridge S250MK2型扫描电子显微镜（SEM）与 H－800透射 电镜（TEM）观察材料的微观组织；应用300kN 微 机控制电子万能力学实验机在室温下对材料进力学 性能测试；应用 DMH－2显微硬度计测量每个道次 试样的显微维氏硬度． 2 实验结果与分析 2∙1 ARB 次数对力学性能的影响 实验用 Q235母材抗拉强度 σb 为385MPa屈 服强度σs 为255MPa延伸率29％．经过 ARB 工艺 第29卷 第3期 2007年 3月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．3 Mar．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．03．014
第3期 许荣昌等：累积叠轧焊强化金属材料的力学性能 311 6次叠轧以后材料的平均抗拉强度达到了 的幅度最大，由母材的75.2MPa和62.8MPa分别 797.5MPa,最低770MPa,最高840MPa,如图1所 提高到149.2MPa和136.4MPa;随实验道次的增 示，屈服强度o。最高达到750MPa,是母材的2.94 加，强度的增加逐渐趋于平缓，第10道次达到最大， 倍.经过第1道叠轧材料的抗拉强度急剧升高至 和6，分别是152.3MPa和190.4MPa.强度增 780MPa,是母材的2.03倍；随着叠轧次数的增加材 加的同时，材料的延伸率下降， 料的抗拉强度增加，第5道叠轧时达到最大值，拉伸 2.2温度对ARB材料力学性能的影响 强度达到840MPa,是母材(385MPa)的2.18倍；第 半硬化态L2纯铝在不同温度条件下累积叠轧 5道叠轧后继续叠轧，强度反而下降，这是由于强 焊实验后的力学性能如图2所示，250℃和室温时 加工细化了金属组织，强度增加；随着叠轧次数的增 力学性能的变化趋势基本上是一致的，250℃时材 加，氧化物夹杂物增加，结合面缺陷增加，从而降低 料的抗拉强度与屈服强度在每一个道次都低于室 了材料的强度，但是，随着叠轧道次的增加，材料出 温，而延伸率却高于室温.这是由于在250℃加热 现无屈服断裂的情况，延伸率呈下降趋势；叠轧6次 时，材料发生了部分再结晶，在一定程度上抵消了上 以后延伸率降低到7%.这说明材料经过超低温大 一个道次累积的应变，加工硬化程度有所降低，因而 变形强加工后，强度可以大大提高，而延伸率却 强度降低，延伸率上升·不同温度下累积叠轧焊对 降低 普碳钢力学性能的影响与对铝的影响是基本一 % 致的 抗拉强度 800 25 2.3ARB工艺下材料的塑性变化规律 实验材料经过累积叠轧焊实验后，塑性性能发 700 20 生了显著变化，图3反映了材料的塑性性能随道次 15 600 的变化规律.结果表明，材料的塑性随实验道次的 延伸率 10 增加而降低，第1道次材料的塑性降低的幅度最大， 500 普碳钢、纯铝材料的延伸率在第1道次都急剧下降， 叠轧次数 接近母材延伸率的5%，之后随道次的增加略有升 高，达到母材的10%.从图3(b)可以看出：母材的 图1普碳钢Q235叠轧次数与抗拉强度和延伸率的关系曲线 均匀延伸率很大，约占总延伸率的80%；累积叠轧 Fig-I Changes in tensile strength and elongation of Q235 with cy cle number during ARB process 焊实验后，材料的均匀延伸率变的很小，流动应力到 达最高点后，很快就发生颈缩，流动应力随即下降， 完全退火态L2纯铝经过10道次室温累积叠 直至断裂， 轧焊实验，材料的力学性能发生了显著变化，图2 实验结果表明，经过大塑性变形后，材料塑性降 反映了材料的力学性能随道次的变化规律.结果表 低的原因是材料的组织和结构发生了明显的变化， 明：材料的抗拉强度和屈服强度随实验道次的增加 如图4所示.晶粒尺寸细化到0.7m,晶粒内部出 而增加.第1道次材料的抗拉强度与屈服强度增加 现各种形变亚结构，位错密度大幅度增加，出现了加 200 30 工硬化现象，这是材料强度增加、塑性降低的主要原 因.此外试样表面的氧化物在下一道次的轧制过程 180 25 20 中进入了试样内部，这也对材料的强度起到了增强 使 160 0 15 作用，但同时它也是材料延伸率下降的原因，第1 140 -0-250℃ 室温 o 道次氧化物进入了试样中心，但是分布并不均匀，氧 120 6-6 化物的聚居区就成了断裂的裂纹源，因而延伸率下 100 34 6 降；随着实验的进行，氧化物逐渐分布均匀，因而延 5 道次 伸率略有升高， 累积叠轧焊使材料产生了塑性不稳现象，这是 图2不同温度条件下累积叠轧焊实验半硬化态L2纯铝的力学 强加工金属材料普遍存在的刊.图5表明，在高温 性能对比 Fig-2 Comparison of the mechanical properties of half-hardening 拉伸的过程中，累积叠轧焊实验使产生的超细晶组 12 pure aluminum at different temperatures during ARB process 织并不稳定，很容易发生长大现象，并且随温度的升 高越容易长大，原因在于普碳钢和纯铝中并没有一
6 次 叠 轧 以 后 材 料 的 平 均 抗 拉 强 度 达 到 了 797∙5MPa最低770MPa最高840MPa如图1所 示．屈服强度 σs 最高达到750MPa是母材的2∙94 倍．经过第1道叠轧材料的抗拉强度急剧升高至 780MPa是母材的2∙03倍；随着叠轧次数的增加材 料的抗拉强度增加第5道叠轧时达到最大值拉伸 强度达到840MPa是母材（385MPa）的2∙18倍；第 5道叠轧后继续叠轧强度反而下降．这是由于强 加工细化了金属组织强度增加；随着叠轧次数的增 加氧化物夹杂物增加结合面缺陷增加从而降低 了材料的强度．但是随着叠轧道次的增加材料出 现无屈服断裂的情况延伸率呈下降趋势；叠轧6次 以后延伸率降低到7％．这说明材料经过超低温大 变形强加工后强度可以大大提高而延伸率却 降低． 图1 普碳钢 Q235叠轧次数与抗拉强度和延伸率的关系曲线 Fig．1 Changes in tensile strength and elongation of Q235with cycle number during ARB process 图2 不同温度条件下累积叠轧焊实验半硬化态 L2纯铝的力学 性能对比 Fig．2 Comparison of the mechanical properties of half-hardening L2pure aluminum at different temperatures during ARB process 完全退火态 L2纯铝经过10道次室温累积叠 轧焊实验材料的力学性能发生了显著变化．图2 反映了材料的力学性能随道次的变化规律．结果表 明：材料的抗拉强度和屈服强度随实验道次的增加 而增加．第1道次材料的抗拉强度与屈服强度增加 的幅度最大由母材的75∙2MPa 和62∙8MPa 分别 提高到149∙2MPa 和136∙4MPa；随实验道次的增 加强度的增加逐渐趋于平缓第10道次达到最大 σb 和 σs 分别是152∙3MPa 和190∙4MPa．强度增 加的同时材料的延伸率下降． 2∙2 温度对 ARB 材料力学性能的影响 半硬化态 L2纯铝在不同温度条件下累积叠轧 焊实验后的力学性能如图2所示．250℃和室温时 力学性能的变化趋势基本上是一致的．250℃时材 料的抗拉强度与屈服强度在每一个道次都低于室 温而延伸率却高于室温．这是由于在250℃加热 时材料发生了部分再结晶在一定程度上抵消了上 一个道次累积的应变加工硬化程度有所降低因而 强度降低延伸率上升．不同温度下累积叠轧焊对 普碳钢力学性能的影响与对铝的影响是基本一 致的． 2∙3 ARB 工艺下材料的塑性变化规律 实验材料经过累积叠轧焊实验后塑性性能发 生了显著变化．图3反映了材料的塑性性能随道次 的变化规律．结果表明材料的塑性随实验道次的 增加而降低第1道次材料的塑性降低的幅度最大 普碳钢、纯铝材料的延伸率在第1道次都急剧下降 接近母材延伸率的5％之后随道次的增加略有升 高达到母材的10％．从图3（b）可以看出：母材的 均匀延伸率很大约占总延伸率的80％；累积叠轧 焊实验后材料的均匀延伸率变的很小流动应力到 达最高点后很快就发生颈缩流动应力随即下降 直至断裂． 实验结果表明经过大塑性变形后材料塑性降 低的原因是材料的组织和结构发生了明显的变化 如图4所示．晶粒尺寸细化到0∙7μm晶粒内部出 现各种形变亚结构位错密度大幅度增加出现了加 工硬化现象这是材料强度增加、塑性降低的主要原 因．此外试样表面的氧化物在下一道次的轧制过程 中进入了试样内部这也对材料的强度起到了增强 作用但同时它也是材料延伸率下降的原因．第1 道次氧化物进入了试样中心但是分布并不均匀氧 化物的聚居区就成了断裂的裂纹源因而延伸率下 降；随着实验的进行氧化物逐渐分布均匀因而延 伸率略有升高． 累积叠轧焊使材料产生了塑性不稳现象这是 强加工金属材料普遍存在的［4］．图5表明在高温 拉伸的过程中累积叠轧焊实验使产生的超细晶组 织并不稳定很容易发生长大现象并且随温度的升 高越容易长大原因在于普碳钢和纯铝中并没有一 第3期 许荣昌等： 累积叠轧焊强化金属材料的力学性能 ·311·
·312 北京科技大学学报 第29卷 些合金元素来阻碍晶粒在动态回复中的长大，这就 拉伸过程中并没有表现出和其他铝合金、微合金钢 是完全退火态纯铝、普碳钢累积叠轧焊试样在高温 一样具有很高延伸率的拉伸性能的原因). 200 (a) 200 40 (b) 180 8道次 ■ 180 35 4道次 30 140 2道次 160 25 140 0道次 O一屈服强度 20 80 120 口一抗拉强度 △一延伸率 100 10 80 20 △ 5 A 06寸0i5202方303540 012345678900 应变% 道次 图3完全退火态L2纯铝拉伸性能随道次的变化·()应力应变曲线，(b)强度和延伸率与道次的关系 Fig-3 Changes of the tensile properties of full-annealed 12 Al during ARB process:(a)curve of stress to strain:(b)curves of strength and e- longation to cycle number I um I um 图4L2铝ARB10的TEM照片(a)和普碳钢ARB5的SEM照片(b) Fig.4 TEM and SEM images for ARB10 of L2 Al (a)and ARB5 of Q235 (b) (a) (b) 100 100 100℃ 80 80 150℃ 60 150℃ o 250℃ 200℃ 200℃ 300℃ 250℃ 300℃ 350℃ 20 20 00 10 20 3040 506070 00 10203040 5060 70 应变% 应变% 图5铝试样高温拉伸的应力应变曲线.(a)母材；(b)叠轧样 Fig.5 Stress-strain curves of Al specimens at high temperatures:(a)original material specimens:(b)ARB material specimens 另外，随着叠轧次数的增加，拉伸试样逐步由韧 为材料未经再结晶，晶粒处于拉长破碎状态（见图 性断裂转向脆性断裂，加工硬化现象消失，这是因 4)·析出物、夹杂物、空洞的增加若能均匀分布会对
些合金元素来阻碍晶粒在动态回复中的长大这就 是完全退火态纯铝、普碳钢累积叠轧焊试样在高温 拉伸过程中并没有表现出和其他铝合金、微合金钢 一样具有很高延伸率的拉伸性能的原因［5］． 图3 完全退火态 L2纯铝拉伸性能随道次的变化．（a）应力－应变曲线（b）强度和延伸率与道次的关系 Fig．3 Changes of the tensile properties of ful-l annealed L2Al during ARB process： （a） curve of stress to strain；（b） curves of strength and elongation to cycle number 图4 L2铝 ARB10的 TEM 照片（a）和普碳钢 ARB5的 SEM 照片（b） Fig．4 TEM and SEM images for ARB10of L2Al （a） and ARB5of Q235（b） 图5 铝试样高温拉伸的应力－应变曲线．（a）母材；（b）叠轧样 Fig．5 Stress-strain curves of Al specimens at high temperatures： （a） original material specimens；（b） ARB material specimens 另外随着叠轧次数的增加拉伸试样逐步由韧 性断裂转向脆性断裂加工硬化现象消失．这是因 为材料未经再结晶晶粒处于拉长破碎状态（见图 4）．析出物、夹杂物、空洞的增加若能均匀分布会对 ·312· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第3期 许荣昌等：累积叠轧焊强化金属材料的力学性能 313. 材料的强度有所贡献，但是缺陷超过一定的限度对 70m 材料的力学性能会起到反作用.另一方面，经过夹 60 杂物分析表明，随着叠轧次数的增加，外来夹杂物的 50 数量特别是氧化物夹杂数量增加，也是导致材料塑 40 性降低的原因之一[6]. 30 D一第10道次试样 2.4累积叠轧焊材料的显微硬度 。一第1道次试样 2.4.1累积次数与显微硬度的关系 完全退火态L2纯铝经过10道次累积叠轧焊 -300-100 100300500 距试样中心的距离μm 实验后，材料的显微维氏硬度的变化（图6）与抗拉 强度和屈服强度的变化相似，随着道次的增加而增 图7试样不同位置显微维氏硬度的变化 加，第1道次的增幅最大，由母材的HV25.7增加 Fig.7 Changes of Vickers microhardness for full-annealed L2 pure 到HV42.3,第10道次的时候达到最大值 aluminum at different sites HV49.3,是母材的1.93倍.这种变化规律与普碳 钢的变化基本一致，随着叠轧焊次数的增加，试样 3 结论 中累积的应变也逐渐增加，这是显微维氏硬度随道 (1)随着ARB次数的增加，L2纯铝强度增加， 次增加的主要原因，由于累积叠轧焊是在无润滑的 延伸率下降；热叠轧L2纯铝的强度要低于室温叠 条件下进行的，因此表面剪切力所产生的应变对总 轧的；同种成分不同状态L2纯铝经过数道累积叠 应变的增加有所贡献，对显微维氏硬度的增加也有 轧焊实验后强度相当，完全退火态要高于半硬化态； 一定的作用 对于普碳钢Q235的ARB实验具有一致的结论 (2)ARB工艺实验结果表明，Q235钢在低温 下经过累积叠轧实现大的压下量可以生产超高强度 宝 钢，在不加入任何强化元素的情况下抗拉强度可达 40 800MPa以上，这说明累积叠轧焊是一种有效的形 ◇-显微维氏硬度 变强化方法；但随强度增加的同时，塑性急剧下降. (3)完全退火态L2纯铝显微维氏硬度随累积 253 叠轧焊实验道次的增加而增加，第1道次的增幅最 2001234寸6789101 大，并且在材料的横向硬度分布出现有规律的变化， 道次 (4)微观分析表明，金属材料强度增加而塑性 图6完全退火态L2铝显微维氏硬度随道次变化 下降的原因是循环超大压下量使得材料轧制层数的 Fig.6 Changes in Vickers microhardness of full-annealed 12 pure 增加，晶粒尺寸明显变小；由于结合界面、夹杂物粒 aluminum with cycle number 子、残余、应力、缺陷等在材料内部分散均匀，所以材 2.4.2ND方向不同位置显微维氏硬度变化 料强度增加，同时缺陷的增加致使塑性下降， 材料第1道次和10道次试样横向(ND)的硬度 参考文献 分布如图7所示，结果表明，经过数道次的累积叠 [1]Saito Y.Utsunomiya H.Tsuji N,et al.Novel ultra-high strain- 轧焊实验后，材料在ND方向的硬度分布比较均匀， ing process for bulk materials development of the accumulative 变化不是很大，说明材料的显微组织是比较均匀的 roll-bonding (ARB)process.Acta Mater.1999.47(2):579 第10道次显微维氏硬度要高于第1道次显微维氏 [2]Tsuji N.Saito Y.Utsunomiya H,et al.Formation of ultra fine 硬度.试样表面和中心区域的硬度值比其他区域 grains in ferrous and aluminum alloys highly strained by the accu- 高，是由于表面剪应力的存在使得在这两个区域中 mulative roll-bonding (ARB)/The Fourth International Confer- ence on Recrystallization and Related Phenomena,1999 累积了更多的应变，加工硬化现象更明显的结果， [3]Lee S H.Saito Y,Park K T,et al.Microstructures and mechan- 实验过程中，钢刷对表面的打磨也对中心区域的显 ical properties of ultra low carbon IF steel processed by accumula- 微维氏硬度有一定的增强作用， tive roll bonding process.Mater Trans.2002.43(9):320
材料的强度有所贡献但是缺陷超过一定的限度对 材料的力学性能会起到反作用．另一方面经过夹 杂物分析表明随着叠轧次数的增加外来夹杂物的 数量特别是氧化物夹杂数量增加也是导致材料塑 性降低的原因之一［6］． 2∙4 累积叠轧焊材料的显微硬度 2∙4∙1 累积次数与显微硬度的关系 完全退火态 L2纯铝经过10道次累积叠轧焊 实验后材料的显微维氏硬度的变化（图6）与抗拉 强度和屈服强度的变化相似随着道次的增加而增 加．第1道次的增幅最大由母材的 HV 25∙7增加 到 HV 42∙3第 10 道 次 的 时 候 达 到 最 大 值 HV 49∙3是母材的1∙93倍．这种变化规律与普碳 钢的变化基本一致．随着叠轧焊次数的增加试样 中累积的应变也逐渐增加这是显微维氏硬度随道 次增加的主要原因．由于累积叠轧焊是在无润滑的 条件下进行的因此表面剪切力所产生的应变对总 应变的增加有所贡献对显微维氏硬度的增加也有 一定的作用． 图6 完全退火态 L2铝显微维氏硬度随道次变化 Fig．6 Changes in Vickers microhardness of ful-l annealed L2pure aluminum with cycle number 2∙4∙2 ND 方向不同位置显微维氏硬度变化 材料第1道次和10道次试样横向（ND）的硬度 分布如图7所示．结果表明经过数道次的累积叠 轧焊实验后材料在 ND 方向的硬度分布比较均匀 变化不是很大说明材料的显微组织是比较均匀的． 第10道次显微维氏硬度要高于第1道次显微维氏 硬度．试样表面和中心区域的硬度值比其他区域 高是由于表面剪应力的存在使得在这两个区域中 累积了更多的应变加工硬化现象更明显的结果． 实验过程中钢刷对表面的打磨也对中心区域的显 微维氏硬度有一定的增强作用． 图7 试样不同位置显微维氏硬度的变化 Fig．7 Changes of Vickers microhardness for ful-l annealed L2pure aluminum at different sites 3 结论 （1） 随着 ARB 次数的增加L2纯铝强度增加 延伸率下降；热叠轧 L2纯铝的强度要低于室温叠 轧的；同种成分不同状态 L2纯铝经过数道累积叠 轧焊实验后强度相当完全退火态要高于半硬化态； 对于普碳钢 Q235的 ARB 实验具有一致的结论． （2） ARB 工艺实验结果表明Q235钢在低温 下经过累积叠轧实现大的压下量可以生产超高强度 钢在不加入任何强化元素的情况下抗拉强度可达 800MPa 以上．这说明累积叠轧焊是一种有效的形 变强化方法；但随强度增加的同时塑性急剧下降． （3） 完全退火态 L2纯铝显微维氏硬度随累积 叠轧焊实验道次的增加而增加第1道次的增幅最 大并且在材料的横向硬度分布出现有规律的变化． （4） 微观分析表明金属材料强度增加而塑性 下降的原因是循环超大压下量使得材料轧制层数的 增加晶粒尺寸明显变小；由于结合界面、夹杂物粒 子、残余、应力、缺陷等在材料内部分散均匀所以材 料强度增加同时缺陷的增加致使塑性下降． 参 考 文 献 ［1］ Saito YUtsunomiya HTsuji Net al．Novel ultra-high straining process for bulk materials-development of the accumulative rol-l bonding （ARB） process．Acta Mater199947（2）：579 ［2］ Tsuji NSaito YUtsunomiya Het al．Formation of ultra-fine grains in ferrous and aluminum alloys highly strained by the accumulative rol-l bonding （ARB）∥The Fourth International Conference on Recrystallization and Related Phenomena1999 ［3］ Lee S HSaito YPark K Tet al．Microstructures and mechanical properties of ultra low carbon IF steel processed by accumulative roll bonding process．Mater Trans200243（9）：320 第3期 许荣昌等： 累积叠轧焊强化金属材料的力学性能 ·313·
.314 北京科技大学学报 第29卷 [4]Lee S H.Saito Y,Tsuji N.et al.Role of shear strain in ultra- lative roll bonding (ARB).Mater Sci Forum.2002.396/402: grain refinement by accumulative roll-bonding (ARB)process. 429 Scripta Mater.2002.46:281 [7]Tsuji N,Ueji R.Minamino Y.Nanoscale crystallographic analy- [5]Kim H W.Kang S B.Xing Z P.et al.Texture properties of sis of ultrafine grained IF steel fabricated by ARB process.Scripta AA8011 aluminum alloy sheet manufactured by the accumulative Mter,2002,47.69 roll bonding process (ARB).Mater Sci Forum.2002.408/412: [8]Kamikawa N.Tsuji N.Minamino Y.Microstructure and texture 727 through thickness of ultralow carbon IF steel sheet severely de- [6]Heason C P,Prangnell P B.Grain refinement and texture evolu- formed by accumulative roll-bonding.Sci Technol Adv Mater. tion during the deformation of Al to ultra-high strains by accumu 2004,5.163 Mechanics properties of metal materials strengthened by accumulative roll bonding process XU Rongchang,TANG Di),REN Xueping,HOU Hongliang,WANG Yaoqi,WANG Xiaohong 1)Materials Science and Engineering School.University of Science and Technology of Beijing Beijing 100083.China 2)Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute.Beijing 100024.China ABSTRACT Accumulative roll bonding (ARB)industrial experiments of Q235 plain carbon steel and L2 pure Al were carried out with a multi-function hot -rolling mill.The effects of deformation temperature,reduction and cycle pass on the tensile strength,stress to-strain relation,microhardness and plasticity of these two metal mate- rials were investigated,and the reasons for these effects were analyzed.The results indicated that Q235 plain carbon steel and L2 pure Al could be well-bonded themselves by ARB process without the addition of any strengthening elements,their tensile strength increased,but their plasticity decreased in a certain extent. KEY WORDS metal material:Q235 steel;L2 pure aluminum:accumulative roll bonding process;mechanical properties
［4］ Lee S HSaito YTsuji Net al．Role of shear strain in ultragrain refinement by accumulative rol-l bonding （ARB） process． Scripta Mater200246：281 ［5］ Kim H WKang S BXing Z Pet al．Texture properties of AA8011aluminum alloy sheet manufactured by the accumulative roll bonding process （ARB）．Mater Sci Forum2002408／412： 727 ［6］ Heason C PPrangnell P B．Grain refinement and texture evolution during the deformation of Al to ultra-high strains by accumulative roll bonding （ARB）．Mater Sci Forum2002396／402： 429 ［7］ Tsuji NUeji RMinamino Y．Nanoscale crystallographic analysis of ultrafine grained IF steel fabricated by ARB process．Scripta Mater200247：69 ［8］ Kamikawa NTsuji NMinamino Y．Microstructure and texture through thickness of ultralow carbon IF steel sheet severely deformed by accumulative rol-l bonding．Sci Technol Adv Mater 20045：163 Mechanics properties of metal materials strengthened by accumulative roll bonding process XU Rongchang 1）TA NG Di 1）REN Xueping 1）HOU Hongliang 1）WA NG Y aoqi 2）WA NG Xiaohong 1） 1） Materials Science and Engineering SchoolUniversity of Science and Technology of BeijingBeijing100083China 2） Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research InstituteBeijing100024China ABSTRACT Accumulative roll bonding （ARB） industrial experiments of Q235plain carbon steel and L2pure Al were carried out with a mult-i function hot-rolling mill．The effects of deformation temperaturereduction and cycle pass on the tensile strengthstress-to-strain relationmicrohardness and plasticity of these two metal materials were investigatedand the reasons for these effects were analyzed．The results indicated that Q235plain carbon steel and L2 pure Al could be wel-l bonded themselves by ARB process without the addition of any strengthening elementstheir tensile strength increasedbut their plasticity decreased in a certain extent． KEY WORDS metal material；Q235steel；L2pure aluminum；accumulative roll bonding process；mechanical properties ·314· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷