累積疊軋焊

累積疊軋焊 ( accumulative roll bonding ，ARB) 是將表面進行脫脂、加工硬化等處理後尺寸相等的兩塊薄板材料在一定溫度下疊軋並使其自動焊合，然後重複進行相同的工藝反覆疊片、軋制焊接，從而使材料的組織得到細化，夾雜物均勻分布，大幅度提高材料的力學性能。

基本介紹

• 中文名：累積疊軋焊
• 外文名：Accumulative Roll-Bonding, ARB
• 學科：冶金工程
• 領域：冶煉
• 簡稱：ARB
• 作用：提高材料的力學性能

簡介

累積疊軋焊 ( accumulative roll bonding ，ARB) 是將表面進行脫脂、加工硬化等處理後尺寸相等的兩塊薄板材料在一定溫度下疊軋並使其自動焊合，然後重複進行相同的工藝反覆疊片、軋制焊接，從而使材料的組織得到細化，夾雜物均勻分布，大幅度提高材料的力學性能。 由於累積疊軋焊工藝在理論上能獲得比較大的壓下量，突破了傳統軋制壓下量的限制，並可連續製備薄板類的超細晶金屬材料，所以ARB 被認為是大應力變形工藝中唯一有希望能生產大塊超細晶金屬材料的方法。 ARB 工藝屬於強烈塑性變形(SPD) 方法中的一種。 日本學者利用此工藝對銅、鋁、鋁合金等易變形金屬材料進行了研究，獲得了200 nm 超細晶鋁合金金屬和500 nm的超細晶低碳鋼；國內還未見對ARB 工藝系統研究的報導。 目前，Q235 鋼和鋁在我國套用比較普遍，由於它們不需加入任何強化元素，可回收性強，是比較典型的環保型金屬材料。

ARB次數對力學性能的影響

用Q235 母材抗拉強度σb 為385 MPa ，屈服強度σs 為255MPa ，延伸率29 %。 經過ARB 工藝6 次疊軋以後材料的平均抗拉強度達到了797.5 MPa ，最低770MPa ，最高840MPa。 屈服強度σs 最高達到750 MPa ，是母材的2.94倍。 經過第1 道疊軋材料的抗拉強度急劇升高至780MPa ，是母材的2.03 倍；隨著疊軋次數的增加材料的抗拉強度增加，第5 道疊軋時達到最大值，拉伸強度達到840 MPa ，是母材(385 MPa) 的2.18 倍；第5 道疊軋後繼續疊軋，強度反而下降。 這是由於強加工細化了金屬組織，強度增加；隨著疊軋次數的增加，氧化物夾雜物增加，結合面缺陷增加，從而降低了材料的強度。 但是，隨著疊軋道次的增加，材料出現無屈服斷裂的情況，延伸率呈下降趨勢；疊軋6 次以後延伸率降低到7 %。 這說明材料經過超低溫大變形強加工後，強度可以大大提高，而延伸率卻降低。

完全退火態L2 純鋁經過10 道次室溫累積疊軋焊實驗，材料的力學性能發生了顯著變化。結果表明:材料的抗拉強度和屈服強度隨實驗道次的增加而增加。 第1 道次材料的抗拉強度與屈服強度增加的幅度最大，由母材的75.2 MPa 和62.8 MPa 分別提高到149.2 MPa 和136.4 MPa ；隨實驗道次的增加，強度的增加逐漸趨於平緩，第10 道次達到最大，σb 和σs 分別是152.3 MPa 和190.4 MPa。 強度增加的同時，材料的延伸率下降。

溫度對ARB材料力學性能的影響

半硬化態L2 純鋁在不同溫度條件下累積疊軋焊實驗後的力學性能。250 ℃和室溫時力學性能的變化趨勢基本上是一致的。 250 ℃時材料的抗拉強度與屈服強度在每一個道次都低於室溫，而延伸率卻高於室溫。 這是由於在250 ℃加熱時，材料發生了部分再結晶，在一定程度上抵消了上一個道次累積的應變，加工硬化程度有所降低，因而強度降低，延伸率上升。 不同溫度下累積疊軋焊對普碳鋼力學性能的影響與對鋁的影響是基本一致的。

ARB工藝下材料的塑性變化規律

材料經過累積疊軋焊實驗後，塑性性能發生了顯著變化。材料的塑性隨實驗道次的增加而降低，第1 道次材料的塑性降低的幅度最大，普碳鋼、純鋁材料的延伸率在第1 道次都急劇下降，接近母材延伸率的5 % ，之後隨道次的增加略有升高，達到母材的10 %。可以看出:母材的均勻延伸率很大，約占總延伸率的80 %；累積疊軋焊實驗後，材料的均勻延伸率變的很小，流動應力到達最高點後，很快就發生頸縮，流動應力隨即下降，直至斷裂。

經過大塑性變形後，材料塑性降低的原因是材料的組織和結構發生了明顯的變化，晶粒尺寸細化到0.7μm ，晶粒內部出現各種形變亞結構，位錯密度大幅度增加，出現了加工硬化現象，這是材料強度增加、塑性降低的主要原因。 此外試樣表面的氧化物在下一道次的軋制過程中進入了試樣內部，這也對材料的強度起到了增強作用，但同時它也是材料延伸率下降的原因。第1道次氧化物進入了試樣中心，但是分布並不均勻，氧化物的聚居區就成了斷裂的裂紋源，因而延伸率下降；隨著實驗的進行，氧化物逐漸分布均勻，因而延伸率略有升高。

累積疊軋焊使材料產生了塑性不穩現象，這是強加工金屬材料普遍存在的。在高溫拉伸的過程中，累積疊軋焊實驗使產生的超細晶組織並不穩定，很容易發生長大現象，並且隨溫度的升高越容易長大，原因在於普碳鋼和純鋁中並沒有一些合金元素來阻礙晶粒在動態回覆中的長大，這就是完全退火態純鋁、普碳鋼累積疊軋焊試樣在高溫拉伸過程中並沒有表現出和其他鋁合金、微合金鋼一樣具有很高延伸率的拉伸性能的原因。

另外，隨著疊軋次數的增加，拉伸試樣逐步由韌性斷裂轉向脆性斷裂，加工硬化現象消失。 這是因為材料未經再結晶，晶粒處於拉長破碎狀態。 析出物、夾雜物、空洞的增加若能均勻分布會對材料的強度有所貢獻，但是缺陷超過一定的限度對材料的力學性能會起到反作用。 另一方面，經過夾雜物分析表明，隨著疊軋次數的增加，外來夾雜物的數量特別是氧化物夾雜數量增加，也是導致材料塑性降低的原因之一。

累積疊軋焊材料的顯微硬度

1 　累積次數與顯微硬度的關係

完全退火態L2 純鋁經過10 道次累積疊軋焊實驗後，材料的顯微維氏硬度的變化與抗拉強度和屈服強度的變化相似，隨著道次的增加而增加。第1 道次的增幅最大，由母材的HV 25.7 增加到HV 42.3 ，第10 道次的時候達到最大值HV 49.3 ，是母材的1.93 倍。 這種變化規律與普碳鋼的變化基本一致。 隨著疊軋焊次數的增加，試樣中累積的應變也逐漸增加，這是顯微維氏硬度隨道次增加的主要原因。 由於累積疊軋焊是在無潤滑的條件下進行的，因此表面剪下力所產生的應變對總應變的增加有所貢獻，對顯微維氏硬度的增加也有一定的作用。

2 　ND 方向不同位置顯微維氏硬度變化

經過數道次的累積疊軋焊實驗後，材料在ND 方向的硬度分布比較均勻，變化不是很大，說明材料的顯微組織是比較均勻的。第10 道次顯微維氏硬度要高於第1 道次顯微維氏硬度。 試樣表面和中心區域的硬度值比其他區域高，是由於表面剪應力的存在使得在這兩個區域中累積了更多的應變，加工硬化現象更明顯的結果。實驗過程中，鋼刷對表面的打磨也對中心區域的顯微維氏硬度有一定的增強作用。

總結

(1) 隨著ARB 次數的增加，L2 純鋁強度增加，延伸率下降；熱疊軋L2 純鋁的強度要低於室溫疊軋的；同種成分不同狀態L2 純鋁經過數道累積疊軋焊實驗後強度相當，完全退火態要高於半硬化態；對於普碳鋼Q235 的ARB 實驗具有一致的結論。

(2) ARB 工藝實驗結果表明，Q235 鋼在低溫下經過累積疊軋實現大的壓下量可以生產超高強度鋼，在不加入任何強化元素的情況下抗拉強度可達800 MPa 以上。 這說明累積疊軋焊是一種有效的形變強化方法；但隨強度增加的同時，塑性急劇下降。

(3) 完全退火態L2純鋁顯微維氏硬度隨累積疊軋焊實驗道次的增加而增加，第1道次的增幅最大，並且在材料的橫向硬度分布出現有規律的變化。

(4) 微觀分析表明，金屬材料強度增加而塑性下降的原因是循環超大壓下量使得材料軋制層數的增加，晶粒尺寸明顯變小；由於結合界面、夾雜物粒子、殘餘、應力、缺陷等在材料內部分散均勻，所以材料強度增加，同時缺陷的增加致使塑性下降。