累积叠轧焊

累积叠轧焊 ( 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。 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200 nm 超细晶铝合金金属和500 nm的超细晶低碳钢；国内还未见对ARB 工艺系统研究的报道。 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。

用Q235 母材抗拉强度σb 为385 MPa ，屈服强度σs 为255MPa ，延伸率29 %。 经过ARB 工艺6 次叠轧以后材料的平均抗拉强度达到了797.5 MPa ，最低770MPa ，最高840MPa。 屈服强度σs 最高达到750 MPa ，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840 MPa ，是母材(385 MPa) 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。

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。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75.2 MPa 和62.8 MPa 分别提高到149.2 MPa 和136.4 MPa ；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152.3 MPa 和190.4 MPa。 强度增加的同时，材料的延伸率下降。

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。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。

材料经过累积叠轧焊实验后，塑性性能发生了显著变化。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 %。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。

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，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。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。

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。 析出物、夹杂物、空洞的增加若能均匀分布会对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。

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。

2 　ND 方向不同位置显微维氏硬度变化

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。

(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800 MPa 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。