劇烈塑性變形（SPD）作為一種新興的塑性變形方法，可以在變形過程中引入大的應變量，從而有效細化晶粒，在變形過程中通過控制微觀組織，可以獲得同時具有高強度與大塑性的塊體材料。其中高壓扭轉（HPT）與等徑角擠壓變形（ECAP）是目前研究最熱最多的兩種劇烈塑性變形方法。鋅合金是前景可觀的可生物降解的結構材料，最近的研究主要集中在新型Zn基合金的制造和加工上。鋅合金通常使用常規的熱軋、冷軋或擠壓工藝進行加工，而劇烈塑性變形加工方法的應用較少，目前關于使用高壓扭轉加工Zn及其合金的報道非常少。

波蘭克拉科夫AGH科技大學首次使用HPT加工低合金準單相Zn基合金，系統地分析了HPT處理不同圈數后的Zn-0.5Cu合金微觀結構和織構的演變，探討了HPT處理后機械性能的變化機理。相關論文以題為“Microstructure and mechanical properties of a Zn-0.5Cu alloy processed by high-pressure torsion”于3月3日發表在Materials Science & Engineering A。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921509320301350

研究人員制備了鑄態Zn-0.5Cu合金，退火后進行室溫高壓扭轉試驗。研究發現在HPT處理過程中，最初變形的晶粒和孿晶會發生再結晶，從而產生高度取向的未變形晶粒。研究者認為孿晶發生在初始應變過程中，隨后的連續剪切引入了高位錯密度，進而導致了高度變形的粗晶粒的動態再結晶，合金中的銅元素具有阻礙動態再結晶的作用。

扭轉開始時合金中出現孿晶和連續晶粒細化；進一步扭轉會產生大量晶粒生長，Zn-0.5Cu合金與純Zn晶粒生長之間的主要區別是合金中形成了亞結構；嚴重扭轉變形后，高角度晶界分離的小晶粒轉變為由初始小晶粒相同大小的亞晶粒組成的粗晶粒。扭轉過程中，基層面滑移是首選的滑移系統，因此基層面平行于剪切面定向產生典型的基層纖維織構，加大扭轉會增強織構的強度。

圖1 HPT加工前后Zn-0.5Cu合金的IPF圖

圖2 HPT加工前后Zn-0.5Cu合金中晶界取向差的分布

HPT加工可顯著減小晶粒尺寸并引起織構銳化，兩者都對材料的機械性能產生重大影響。雖然HPT與等通道轉角擠壓（ECAP）處理后晶粒尺寸相近，但是HPT產生的異常晶界取向差分布能夠有效阻礙晶界滑動，從而導致HPT處理的合金機械性能顯著提高。合金加工處于低應變時能夠顯著增加硬度，進一步的應變導致硬度值降低到退火態以下。

圖3 扭轉10圈后Zn-0.5Cu合金不同位置的顯微組織

綜上所述，研究人員通過微觀組織，織構和力學性能分析，探討了高壓扭轉對Zn-0.5Cu合金的影響。合金隨著扭轉次數的增加，形成了纖維微結構。扭轉后期出現明顯晶粒長大，而亞晶粒尺寸能夠穩定到1.9μm。應變率敏感性隨著晶粒的生長和亞晶粒的增加而增加。本研究對Zn-0.5Cu進行高壓扭轉加工，強度高于等通道轉角擠壓，為后續高壓扭轉實際應用于鋅合金提供了理論基礎。