- 上一篇：纳米非晶材料的力学性能表征
- 下一篇：合金元素对Al-Mn合金箔带强度的影响
表1-3-1 大变形技术最早的几种形式[11-14]
1.3.1 等径角挤压(Equal Channel Angular Extrusion or Pressing, ECAE o r ECAP)工艺
等通道转角挤压技术(ECAE)是大塑性变形技术(SPD)中发展最为迅猛的技术之一。它的基本原理如图1-3-1:挤压模具内有2个截面相等的通道,两通道的内交角为中,外接弧角为小,挤压时,试样在冲头的作用下经过两通道的转角处(常见的内交角为90°和120°)产生局部大剪切塑性变形。由于材料的横截面形状和面积不改变,故多次反复挤压可使各次变形的应变量累积迭加,从而得到相当大的总应变量。通过N次横截面后的总应变可用下式计算[17]:
由上式,当Φ=90°,中ψ=0°时,材料每次挤压通过两通道交截处的应变总量约为1。等通道转角挤压技术(ECAE)的特点在于:①可以制备大体积试样,每次挤压通过两通道转角处的应变总量约为1;②常见有3种不同的挤压路径,采用的挤压试样横截面为圆形或方形,直径或方形对角线一般不超过20mm;③可以加工塑性差的材料,需采用较高温度或者较大的转角;经过该工艺加工的材料晶粒大小可达10-200nm;④不能连续变形,为了实现连续挤压,可以设计成U形和IJ形循环等通道挤压,工作原理如图1早在20世纪90年代初,Valiev和他的合作者就开始采用该工艺制备微米和纳米晶粒[18-19]。Berbon等[20]研究了纯铝和Al-Mg-Li-Zr合金,原始晶粒约为40μm,经过等通道转角挤压后,真应变达到3.7时,晶粒细化到1μm,屈服强度和抗拉强度均得到提高,在33扩C时,可以得到超塑性550%。Koji Neishi等[21]研究了AI-40%Zn合金,经过1道次挤压后,得到lμm的细晶粒,在温度673K,应变速率为1×10-2s-1条件下,该细晶材料的延伸率为640%。Z.Horita等[22]对Al-3%Mg-0.2%Sc合金的研究发现,在室温下进行等通道转角挤压,应变量达到8时,晶粒从200μm细化到0.2μm,细化后的材料在温度673K,应变速率为3.3×0.01S-1时,超塑变形量达到最大值2280%,应变敏感系数约为0.5等通道转角挤压技术也被成功地应用于塑性变形能力较差的镁合金。Mabuchi等[23]利用等通道转角挤压工艺研究AZ91镁合金,成功开发出低温超塑性,在200C(0.5%Tm)等到661%的高变形量。
图1-3-1 等通道挤压示意图
1.3.2 高压扭转(High PressureT orsion,HPT)工艺
高压扭转(HPT)是大塑性变形技术(SPD)中发展较为迅猛的技术之一。Bridg ma最早研究了静水压力对塑性变形的影响,后来高压扭转逐渐发展成为一种制备纳米结构材料的新方法。其基本原理如图1-3-2:工件在冲头与模具之间承受约几个吉帕的压力作用,同时由于模具的旋转和摩擦力的作用,导致工件受到强烈剪切变形力,从而使得工件尽管产生大应变塑性变形而不破裂[24]最大剪切应变值可以用下式计算[25]：
γ=2πrN/t
式中:t为工件的厚度,r为工件的半径,N为旋转圈数。高压扭转的特点在于:①工件为盘状,尺寸较小,直径一般为10-20mm,厚度为0.2-0.5mm;②细化能力强,被认为是大塑性变形中细化能力最强的工艺,可以获得均匀的纳米晶粒,尺寸大小约为100nm;③工艺参数可调,可以方便地调节累积应变,施加压力和变形速度等。R.Wadsack[26]采用高压扭转工艺加工纯铬,将初始晶粒尺寸80μm细化到50-500nm,对细晶材料的硬度测试表明,细晶材料的硬度是没有变形的相同材料的4倍。R.K.Islamgaliev等[27]利用高压扭转工艺制备的细晶AI-7.5%Zn-2.7%Mg-2.3%Cu-0.15%Zr合金的晶粒尺寸小于l00nm,抗拉强度达到800MPa,延伸率高达20%。
图1-3-2 高压扭转示意图
1.3.3 往复挤压压缩(Cyclic Extrusion Compression,CEC)工艺
往复挤压的基本原理如图1-3-3:模具内有2个截面积相等、在1条直线上、中间有1个紧缩区分开的模腔,在模腔的两边分别装置1个油压式冲头。在挤压过程中,试样在冲头的作用下,到达紧缩区,此时,试样将受到正挤压变形,挤压后的试样在另一个模腔的冲头作用下,发生墩粗变形当第一模腔内的试样全部被挤压到第二模腔时,再重复上述过程反向压回,就完成一个动作循环。重复以上的过程,直至获得所要的应变为止,这时移去一侧冲头,就可以将试样挤出成型。原则上说这一过程可以无限次的进行下去,从而获得无限大的应变和细小均匀的等轴晶粒。累积应变量可用下式计算[28]：