等径角挤压变形的原理及国内外研究现状

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1、摘要本文主要对大塑性变形（SPD）进行介绍，并详细对等径角挤压（ECAP）能制备具有优异的物理和力学性能的超细晶金属材料（晶粒尺寸0.1~1μm），进行分析和介绍，并指出该工艺非常具有工业化应用前景。等径角挤压工艺一种新的大塑性变形方法，本方法可起到细化合金组织，改善性能，提高材料的成形性，本文论述了的ECAP的基本原理，剪切模式与变形规律，并分析了摩擦因素对变形的影响，并分析了国内外研究现状及进展。关键词：大塑性变形，等通道挤压，超细晶材料引言随着社会的不断发展和科学技术的更加进步，材料科学的发展和新材料的应用将面临着新的挑战和机遇。特别是在其他基础科学，如环境、能源、信息

2、和生物等推动下，人们对材料使用性能的要求越来越高。一方面是加快对新材料的研发，另一方面是对现有材料的潜在功能将得到更全面、更充分的发挥和利用[1]。从节能、环保和成本出发，根据材料固有的结构特征，改变工艺手段控制材料的微观组织结构来充分挖掘和利用现有材料的性能潜力，是现代材料科学的一个不断深入研究的重要课题。超细晶材料(ultra-finegrain,简称UFG)包括亚微米晶材料和纳米晶材料，由于晶粒极细、缺陷密度高且晶界所占体积比例远高于一般材料的比例，具备其他传统材料所不具备的一系列优异的力学、物理和化学性能等，在航空、化工、电子、生物和医药等诸多方面得到广泛应用，引起世

3、界各国科学界和产业界的广泛关注。材料的制备工艺和过程对材料的微观结构和宏观性能具有重要影响，为了获得大尺寸、无微孔隙、无污染且晶粒尺寸细小均匀的块体UFG材料，因此，UFG材料的制备技术成为一个很重要的课题。现有的制备方法包括：（1）惰性气体冷凝法[2]，（2）电解沉积法[3]，（3）机械球磨法[4]，（4）非晶晶化法[5]，（5）表面纳米化法[6]，（6）大塑性变形法[7]等。与其他制备方法相比，大塑性变形法制备可出具有结构均匀、无孔隙、无污染且包含大角度晶界的块体超细晶材料，并有良好的工业应用前景，受到越来越多地研究和关注。大塑性变形技术(Severeplasticdef

4、ormation，简称SPD)使材料在外力作用下通过特制模具，产生剧烈的晶粒细化效果，可将材料的内部组织细化到亚微米乃至纳米级，达到细化晶粒、改善材料性能的目的。被认为是制备块体UFG材料的最有前途的方法之一[8]。SPD方法的研究发展大致经历了以下几个阶段[9]：（1）20世纪80年代初期阶段，提出和开始初步对SPD进行研究；（2）20世纪90年代为平稳发展阶段，SPD方法逐渐受到国际材料学界的重视并形成热点；（3）1999年以来进入快速发展阶段。SPD方法已经成为结构材料科学前沿重要的研究热点之一，论文发表和专利申请数量剧增。目前，SPD方法主要包括：等径角挤压（Equa

5、lchannelanglepressing，ECAP）、高压扭转(HighPressureTorsion，HPT)、累积叠轧焊（accumulativerollbonding，ARB）、往复挤压技术(CyclicExtrusionCompression，CEC)、多重锻造（MultipleForging，MF）、反复折皱-压直法(RepetitiveCorrugationandStraightening,RCS)等。1.ECAP工艺国内外研究现状在众多的SPD方法中，ECAP具有工艺简单、成本低廉、变形均匀、材料组织致密度高，无污染等特点，在基础研究，实际应用中得到进一步发展

6、和完善，被认为最有前途的一种SPD工艺。在国际上，从事ECAP研究的主要有美国德克萨斯A&M大学SegalV[10小组、俄罗斯UFA航空学院Valiev[9]小组、南加利福尼亚大学LangdonTG[11]小组、美国Almos国家重点实验室ZhuYT[12]和SemiatinSL[13]小组、日本九州大学HoritaZ[14]小组和日本大阪府立大学东健司小组[15]等。国内有山东大学、中南大学、东北大学、西安建筑科技大学、昆明理工大学和兰州理工大学等[16]三十几所高校和研究单位进行相关报道。近20年来，ECAP工艺参数、ECAP材料的组织与性能和应用等方面做了大量的研究。2

7、.ECAP工作原理图1ECAP变形示意图（a）ECAP纯剪切示意图(b)Fig.1SchemeoftheECAPfacility（a）;PrincipleofshearingonpassagethroughtheECAPdie如图1所示，ECAP模具是由两个具有相同形状且横截面积相等的通道按照一定的角度相互交截组成的，两通道相交的内角为Φ，外角的外模角为Ψ。挤压时，将与模具通道形状一致且润滑良好的试样放入垂直通道中，在压头的压力P的作用下试样从一个通道被挤压到另一个通道。如图1（b）所示，当经过两通道的