（材料学专业论文）等通道转角大应变技术制备块体纳米结构铝材的研究.pdf

1 1 ，f ；j_j_j1q，：，j1，司啊#-，ii_1j。碉，1_叫嘲鼍。o气，|， j，1“。，。11j1】1， ? j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使j h 学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采j j 影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：缘 ，冬 沙f 。年占月夕日 徽彳纰谈 z 叽年6 月? 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做f j 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：绍、j 一之 日期：加f 6 年6 月日 分类号 u d c 博士学位论文 等通道转角大应变技术制备块体 纳米结构铝材的研究 徐红星 申请学位级别墟专业名称挞鲞婆堂 论文提交日期2 q ! q 生垒旦论文答辩日期2 q ! q 生鱼旦 学位授予单位和日期江菱太堂2 q ! q 生鱼县 答辩委员会主席 评阅人 2 0 10 年4 月 c l a s s i f i e di n d e x ：t b 3 8 3 u d c ：5 3 9 3 p h d d i s s e r t a t i o n s t u d y o np r e p a r a t i o no fb u l kn a n o s t r u c t u r e da ib ye q u a l c h a n n e l a n g u l a rl a r g ed e f o r m a t i o nt e c h n o l o g y b y x u h o n g x i n g m a j o r ：m a t e r i a ls c i e n c e s u p e r v i s o r s ：p r o f c h e n gx i a o n o n g j i a n g s uu n i v e r s i t y a p r i l ，2 0 1 0 摘要 摘要 当今世界随着航空航天、武器装备和交通工具的迅猛发展，对高 性能金属材料的需求日益增长，特别是对高比强纳米结构材料的需求。 如何制备具有超高比强和良好的强韧性配合的纳米结构材料，已成为 该领域科学家的热点研究课题之一。而表征纳米结构材料微结构和力 学性能之问的关系，特别是在定量准确的数学模式下建立其关系，具 有十分重要的学术价值。 强烈塑性变形是制取超细纳米结构金属材料的有效途径。其中， 等通道转角挤压( e q u a l c h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g ，简称e c a p ) 及相关 大应变技术极具工业化应用前景。本文以2 0 2 4 a i 为研究对象，围绕超 高比强超细晶材料制备及原理、强度提升的微结构机制、具有工业化 应用前景的制备技术等科学技术问题，开展的探索性工作及取得的创 新成果如下： ( 1 ) 运用有限元软件研究了工艺参数( e c a p 模具内侧圆弧半径、 通道夹角、摩擦系数、挤压速度等) 对材料e c a p 变形的应力、应变 大小及分布、温升等的影响规律。提出了“最大剪切应力5 材料剪切强 度”这一材料e c a p 变形防裂判据，为低塑性材料的e c a p 加工、模具 设计及预处理工艺等提供了原理指导及研究方法。提出了保证材料大 应变加工效果( 避免发生过时效和再结晶) 的加工安全工艺参数区域 的概念，为集成多种强化机制制备超高强材料提供了理论基础。 ( 2 ) 提出并实现了“强化固溶一强烈塑性变形( e c a p ) 低温时效” 这一超高强材料制备的技术路线。将2 0 2 4 铝合金的强化固溶、形变、 沉淀等多种强化机制实现了有机结合，制备出了超高强、大延展性纳 米结构材料，开辟了一条具有广阔应用前景的制备强韧化高强纳米结 构铝材的新途径。屈服强度从4 6 0m p a 提升至6 1 0m p a ，而延伸率仍 保持在1 3 左右。显微硬度以及x r d 测试结果显示低温时效处理进一 江苏大学博士学位论文：等通道转角大应变技术制备块体纳米结构铝材的研究 步提高了强化固溶态高强铝合金e c a p 加工后的机械力学性能。利用 强度一微结构定量关系计算发现e c a p 加工变形所引入的位错对强度 提升的贡献约占升高总强度的6 2 2 。 ( 3 ) 为了探索大变形材料的强度一微结构之间的定量关系，对经过 时效预处理的2 0 2 4a i 进行了多道次e c a p 加工及后续液氮温度下的大 应变压缩变形加工。研究结果显示，合金的屈服强度主要由基体大角 度晶界强化、位错强化、亚晶界强化和晶格摩擦应力四部分组成，其 中亚晶界强化是一个亟待深入研究的课题。液氮温度下压缩变形所引 入的位错对强度贡献不大；连续的大应变加工对此类超细晶粒2 0 2 4 铝 合金的强度和硬度不敏感，其原因为高密度的面缺陷使位错运动至( 亚) 晶界，从而不能形成有效的位错强度累积，导致动态回复现象的发生。 高强铝合金的制备必须依据合金元素在材料大应变变形过程中的 析出所形成的微小沉淀相对大应变变形产生位错的钉扎作用，从而实 现材料内部的高密度位错堆积。 ( 4 ) 提出了多对驱动轮驱动的连续e c a 这一工业应用前景很好的 大应变技术原型。通过仿真模拟，建立了驱动轮对数、驱动轮与工件 间的摩擦系数、驱动轮转速等工艺参数对抑制工件打滑、驱动轮扭矩、 能耗等的影响规律，优化了工艺参数，奠定了多对轮驱动连续e c a 大 应变技术的技术基础和理论依据。 本文对等通道转角大应变技术制备块体纳米结构材料的过程和影 响因素进行了实验和研究。本文的研究结果为超高强铝合金的制备提 供了理论依据和技术途径，为新一代的高效连续e c a 大应变技术奠定 了技术基础。 关键词：纳米结构金属材料，大应变技术，有限元模拟，强化机制， 微结构一性能关系 a b s t r a c t a b s t r a c t t o d a y , w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa e r o s p a c e ，a r m a m e n ta n d v e h i c l e ，t h en e e df o rh i g hp e r f o r m a n c em e t a li sk e e p i n go ni n c r e a s i n g ， e s p e c i a l l y f o rn a n o m a t e r i a l sw i t hh i g hs p e c i f i cs t r e n g t h h o w e v e r , t o p r e p a r en a n o s t r u c t u r em a t e r i a l sw i t hh i g hs p e c i f i cs t r e n g t ha n de x c e l l e n t o b d u r a b i l i t yi sad i f f i c u l tp r o b l e mf o rs c i e n t i s t si nw o r l d ，a n di ti sa l s oo n e o ft h em o s td r a s t i c a ll yc o m p e t i t i v ef i e l d sf o re v e r yc o u n t r y i ti sv e r y i m p o r t a n t t oe v a l u a t et h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nm i c r o s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t yo fn a n o s t r u c t u r em a t e r i a l ，e s p e c i a l l yt oo b t a i nt h e r e l a t i o n s h i pt h r o u g ha na c c u r a t em a t h e m a t i cm o d e l s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o ni sa ne f f i c i e n tr o u t et op r e p a r eu l t r a f i n e g r a i n e da n dn a n o s t r u c t u r em e t a lm a t e r i a l s e c a p ( e q u a l c h a n n e la n g u l a r p r e s s i n g ) a n dc o r r e l a t e dl a r g e d e f o r m a t i o nt e c h n o l o g y i sap r o m i s i n g m e t h o df o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o n i nt h ep a p e r , 2 0 2 4a 1w a su s e dt oo b t a i n s u p e r - h i g hs p e c i f i c s t r e n g t h a n d u l t r a f i n e g r a i n s t r u c t u r e t h e s t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mb a s i n go nm i c r o s t r u c t u r el e v e la n d t h ep r o m i s i n g p r o c e s s w e r ea l s o i n v e s t i g a t e d d e t a i l r e s e a r c hc o n t e n t sa n ds o m e i n n o v a t i v ec o n c l u s i o n sa r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ee f f e c t so fp a r a m e t e r s ，s u c ha si n n e ra r cr a d i u s ，c h a n n e la n g l e ， f r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n de x t r u s i o nv e l o c i t yo ne c a pd e f o r m a t i o n ，s t r a i n v a l u e ，s t r a i nd i s t r i b u t i o na n dt e m p e r a t u r er i s i n gh a v eb e e na n a l y z e db y f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r e w h e nt h em a t e r i a l sa r es u b j e c t e dt o e c a p , t h ec r a c k so c c u ro rn o tc a nb ej u d g e db yt h er e l a t i o n s h i pt h a tt h e m a x i m u ms h e a rs t r e s si sl e s st h a nt h es h e a rs t r e n g t ho fm a t e r i a l s t h i s p r o v i d e sat h e o r e t i c a lg u i d a n c ea n dr e s e a r c hm e t h o df o re c a pp r o c e s so f l o wp l a s t i cm a t e r i a l s ，m o u l dd e s i g na n dp r e t r e a t m e n tp r o c e s s t oa v o i d o v e r a g i n ga n dr e c r y s t a l l i z a t i o n ，t h ec o n c e p to fs a f ep a r a m e t e rr e g i o nf o r 江苏大学博士学位论文：等通道转角大应变技术制备块体纳米结构铝材的研究 l a r g es t r a i nt e c h n o l o g yw a sp u tf o r w a r d t h i so f f e r st h e o r e t i c a le l e m e n t s f o r i n t e g r a t i n g s e v e r a l s t r e n g t h e n i n gp r o c e s s e s t o p r e p a r es u p e r - h i g h s t r e n g t hm a t e r i a l ( 2 ) i ti sf i r s tt i m et oc o m b i n et h et e c h n i c a lr o u t eo fe n h a n c e ds o l i d s o l u t i o n - - s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ( e c a p ) 一a r t if i c i a la g e i n gt r e a t m e n t a tl o wt e m p e r a t u r ef o rp r e p a r i n gh i g hs p e c i f i cs t r e n g t ha n dw e l ld u c t i l e 2 0 2 4a 1 t h i sp r o v i d e san e wp r o m i s i n gr o u t ef o rp r o d u c i n gh i g hs p e c if i c s t r e n g t h a n dw e l ld u c t i l en a n o s t r u c t u r e2 0 2 4a lw h i c hh a sw i d e a p p l i c a t i o np e r s p e c t i v e t h er e s u l t ss h o wt h a ty i e l ds t r e n g t ho f2 0 2 4a 1i s i n c r e a s e df r o ma b o u t4 6 0m p at oa b o u t610m p aa n dt h e e l o n g a t i o n r e m a i n sa b o u t13 m i c r o h a r d n e s st e s ta n dx r ds p e c t r ai n d i c a t et h a t a r t i f i c i a l a g e i n gt r e a t m e n ta tl o wt e m p e r a t u r ec a nf u r t h e ri m p r o v et h e m e c h a n i c a lp r o p e r t yo ft h es o l i ds o l u t i o ns t r e n g t h e n i n ga l u m i n u ma l l o y a f t e re c a p p r o c e s s a c c o r d i n gt oq u a n t i t a t i v ec a l c u l a t i o nb a s i n go nt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a t e r i a ls t r e n g t ha n dm i c r o s t r u c t u r e ，t h ed i s l o c a t i o n s t r e n g t h e n i n gd u e t oe c a p p r o c e s sa c c o u n t sf o ra b o u t6 2 2 i nt o t a l ( 3 ) t oq u a n t i t a t i v e l yi n v e s t i g a t et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r e n g t ha n d m i c r o s t r u c t u r e ，o v e r a g i n g2 0 2 4a 1w a sp r o c e s s e dw i t hs e v e r a le c a p p r o c e s s e s a n d l a r g e s t r a i n c o m p r e s s i v ep r o c e s s a t l i q u i dn i t r o g e n t e m p e r a t u r e t h er e s u l ts h o w st h a ty i e l ds t r e n g t ho fa l l o ym a i n l yc o m e f r o ml a r g ea n g l eg r a i nb o u n d a r ys t r e n g t h e n i n g ，d i s l o c a t i o ns t r e n g t h e n i n g ， s u b - b o u n d a r ys t r e n g t h e n i n g a n df r i c t i o ns t r e s so f l a t t i c e ，w h i l e t h e s u b b o u n d a r ys t r e n g t h e n i n gs h o u l db ef u r t h e rd i s c u s s e d t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ed i s l o c a t i o ni n t r o d u c e db y l i q u i dn i t r o g e nt e m p e r a t u r e c o m p r e s s i v ed e f o r m a t i o nh a ss l i g h te f f e c t o nt h es t r e n g t h c o n t i n u o u s s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o nc a no n l yp u tm i l de f f e c to nt h es t r e n g t ha n d h a r d n e s so f2 0 2 4a lw i t hu l t r a f i n e g r a i n t h i sm a yb ed u et ot h a t d i s l o c a t i o nm o v e st os u b - b o u n d a r yb yh i g hd e n s i t yf a c ed e f e c t ，a n dt h e n i v a b s t r a c t t h ed i s l o c a t i o nc a nn o tp l a ye f f e c to nd i s l o c a t i o ns t r e n g t h ，l e a d i n gt o d y n a m i cr e c o v e r y h i g hs t r e n g t h a l u m i n u ma l l o ys h o u l db ep r e p a r e db yt h ep i n n i n g e f f i c i e n c yw h i c hc o m e s f r o mt h ed i s l o c a t i o nd u et ot h et i n yp r e c i p i t a t i o no f a l l o ye l e m e n t sd u r i n gl a r g es t r a i np r o c e s s ，l e a d i n gt ot h ea c c u m u l a t i o no f h i g hd e n s i t yd i s l o c a t i o n w i t h i nm a t e r i a l ( 4 ) t h ec o n t i n u o u se c at e c h n o l o g yw h i c hd r i v e db ys e v e r a lp a i r so f w h e e l sw a sc r e a t i v e l yp r o v i d e dt os o l v et h el i m i t a t i o no fe c a et h r o u g h e m u l a t i o n a ls i m u l a t i o n ，t h ee f f e c tr u l e so ft h ed r i v i n gw h e e ln u m b e r , f r i c t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e nd r i v i n gw h e e la n dw o r k p i e c e ，t h er o t a t i n g s p e e do fd r i v i n gw h e e l so nt h er e s t r a i n i n gs k i d d i n go fw o r k p i e c e ，t o r q u eo f d r i v i n gw h e e l sa n de n e r g yc o n s u m p t i o na r ee s t a b l i s h e d ，a n dt h et e c h n i c a l p a r a m e t e r s a r ea l s o o p t i m i z e d h e n c e ，t h et e c h n o l o g y f o u n d a t i o na n d t h e o r e t i c a lb a s i so fe c aa r ee s t a b l i s h e d i nt h i sp a p e r , t h ep r e p a r a t i o na n de f f e c tf a c t o r so fb l o c kn a n o s t r u c t u r e m a t e r i a lb ye q u a l c h a n n e la n g u l a rl a r g ed e f o r m a t i o nt e c h n o l o g yw e r e s t u d i e d t h er e s e a r c hr e s u l t sm a yp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sa n dt e c h n o l o g y r o u t ef o rp r e p a r i n gs u p e r - h i g hs t r e n g t ha l u m i n u ma l l o y , a n dt h et e c h n o l o g y f o u n d a t i o no fn e we f f i c i e n tc o n t i n u o u se c al a r g ed e f o r m a t i o nt e c h n o l o g y i se s t a b l i s h e d k e yw o r d s ：n a n o s t r u c t u r e dm e t a l s ，l a r g es t r a i nt e c h n o l o g y , f i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n ，s t r e n g t h i n g m i c r o s t r u c t u r e - p r o p e r t yr e l a t i o n s h i p v m e c h a n i s m ， 江苏大学博士学位论文：等通道转角大应变技术制备块体纳米结构铝材的研究 目 录 目录 第一章绪论l 1 1引一言1 1 2 制备块体纳米结构材料的目的和方法1 1 2 1提高材料力学性能2 1 2 2 提高材料成形性能2 1 2 3 制备方法2 1 3 传统等通道转角挤压技术一3 1 3 1 e c a p 原理3 1 3 2e c a p 工艺参数4 1 3 3 经e c a p 挤压后材料微观结构特征10 1 3 4 e c a p 加工后材料的机械性能变化一11 1 4 h p t 法12 1 5m u l t i r a mf o r g i n g 法13 1 6 传统连续e c a p 技术14 1 7 有限元方法数值模拟技术15 1 8 本文的研究目的和内容1 6 第二章e c a p 制备块体纳米材料的试验过程及研究方法1 7 2 1试验方案17 2 2试验所用的e c a p 模具18 2 3 试样材料19 2 4 预处理19 2 5 强变形试验19 2 5 1e c a p 试验19 2 5 2 压缩变形试验2 0 2 6 后处理2 0 2 7 材料性能测试和显微组织分析2 0 2 7 1 显微硬度测试2 0 2 7 2 拉伸性能测试2 0 2 7 3显微组织分析2l v i i 江苏大学博士学位论文：等通道转角大应变技术制备块体纳米结构铝材的研究 2 7 4x i 乇d 物相分析2 l 第三章e c a p 变形过程数值模拟。2 3 3 1 内侧圆弧半径对e c a p 变形过程影响的数值模拟及防裂判据分析一2 3 3 1 1引言2 3 3 1 2 建模：2 3 3 1 3 仿真结果2 4 3 2 通道夹角对e c a p 变形行为影响的数值模拟及分析3 3 3 2 1前言3 3 3 2 2 建模3 4 3 2 3 仿真结果及讨论3 4 3 3 主要加工参数对材料e c a p 形变中温升和应变的影响分析4 0 3 3 1 引言：4 0 3 3 2 建模与仿真4 1 3 3 3 仿真结果及分析4 2 3 3 4 加工安全区域的建立5 1 3 3 5 与实验结果的一致性5 1 3 4 本章小结5 3 第四章超高强铝合金的强化固溶- e g 心大变形制备及研究5 5 4 1 引 言5 5 4 2 实验方法5 5 4 3结果观测与分析5 6 4 3 1微观组织观测5 6 4 3 2 显微硬度5 7 4 3 3拉伸性能5 8 4 3 4 断口特征5 9 4 3 5 x r d 分析6 0 4 3 6 d s c 分析6 1 4 4 强度提升机制6 2 4 5本章小结6 3 第五章 超细晶铝合金的过时效- e c a p 大变形制备及研究6 5 5 1 引言6 5 5 2实验方法6 5 5 4 5 6 第六章 6 1 6 2 6 3 5 3 3 拉伸性能6 8 5 3 4x r d 分析6 8 过时效e c a p 态铝合会的强化机理7 0 5 4 1品界强化7 0 5 4 2 位错强化7 0 5 4 3 亚晶界强化7 l 后续液氮温度下压缩变形对强度的影响7 2 5 5 1对位错密度的影响7 2 5 5 2 对亚晶界位向差的影响7 3 本章小结7 4 连续等通道转角变形的初探7 5 引言7 5 建模7 6 结果及参数优化7 7 6 3 1 驱动轮对数的选择7 7 6 3 2 装置的工作稳定性8 2 6 3 3模具转角优化8 6 6 3 4 摩擦系数及转速的优化8 9 6 4 连续e c a 与轧制的比较9 l 6 5 打滑形成机理及控制9 3 6 6 本章小结9 4 第七章结 论9 7 第八章工作展望9 9 参考文献1 0 1 致谢10 7 攻读学位期间发表的学术论文及参研项目1 0 9 i x 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论弟一早 三百v 匕 当今世界随着航空航天、武器装备和交通工具等领域的迅猛发展，对高性能 金属材料特别是对高比强材料的需求r 益增长。如何制备具有超高比强度和良好 塑性配合的材料，一直是困扰各国材料科学家的个难题，也是固际材料领域竞 争最激烈的领域之一。就目前的各国研究现状来看，合金化强化、组织结构细化 强化、形变强化和同溶一时效沉淀强化是常用的提升材料组织性能的主要途径。近 年来，国际上本领域的大量研究成果证明，单纯依赖某一两种强化机制来提升材 料的力学性能是十分有限的。而将多种机制有机组合，不仅能充分挖掘材料的性 能，而且也更为科学合理，也是材料科学发展的必然趋势。 组织结构与性能之间的关系，特别是在定量准确的数学模式下阐明其关系， 是材料科学中的一个十分重要的研究领域，也是众所周知的研究难度最大的领域 之一。开展组织结构与性能之间的关系、高性能材料制备新技术等方面的创新研 究，不仅对材料科学理论的发展、材料组织结构的优化控制、材料制备技术的发 展以及我国国际军事地位、综合经济实力等具有重大意义，同时也对材料科学家 提出了一个更高的要求。 纳米晶体材料由于具有晶粒细小( 通常小于1 0 0n l i l ) 、晶界密度高等特性，表 现出一系列不同于常规多晶体的力学、物理、化学、电学和磁学性能，如高强度、 良好的超塑性变形能力、高比热和高热膨胀系数以及高电阻率等【i 捌。正是因为这 些独特的结构和性能特征，在最近的十多年里，纳米晶体材料迅速成为世界各国科 技界和产业界关注的热点，其制备方法也因此而成为了材料界的研究热点。迄今， 己报道了多种制备纳米晶体材料的方法【3 驯，其中许多是利用塑性变形来实现的 i l o - j h 。 1 2 制备块体纳米结构材料的目的和方法 与传统材料相比，块体纳米结构材料具有与众不同的介观尺度，其组成单元 的尺度小，界面占用相当大的成分并且在塑性变形机理中晶界起主导作用【1 2 】。 正因为如此，块体纳米结构材料有着更强的力学性能，例如材料的强度和硬度要 江苏大学博士学位论文：等通道转角大应变技术制备块体纳米结构铝材的研究 比普通材料高出5 倍左右1 1 4 1 ，延展性方面甚至会出现超塑性现象1 1 3 , 1 5 1 。 1 2 1 提高材料力学性能 目前，对铝合金、低碳钢、铜合金等材料，都有研究表明塑性变形可大幅度 提高塑性材料的力学性能f1 6 - 2 2 1 。以l 2 工业纯铝为例，列表说明如下1 1 9j ： 表1 1大塑性变形对l 2 商业纯铝性能的影响 t a b l e1 1e f f e c to fs e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o no nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f l 2c o m m e r c i a lp u r ea i 1 2 2 提高材料成形性能 塑性变形在大幅度增加材料力学性能的同时对材料的延展性也有一定贡献。 一般说来，如果材料的强度较低，那么它的延展性就较好，而强度高的材料延展 性会相对差一些。块体纳米结构材料与常规材料不同，它具有特殊晶粒和特殊的 晶粒晶界形态以及高浓度的晶界界面，这使它具有一定的超塑性。由于块体纳米 结构材料的晶粒细小，在宏观上材料的界面具有各向同性，界面附近很难有位错 塞积发生，应力集中减小，裂纹的出现与扩展的概率也大大降低1 2 3 1 。例如：a 1 3 m g 0 5 z r 合金经过8 道次e c a p 加工和退火后的试样，在拉伸温度为5 0 0 、应变 速率为1 1 0 。s 。的条件下，该超细品材料的最大延伸率高达3 7 0 ，真实应力仅为 1 0m p a ，而且无明显的硬化特征，呈现出良好的超塑性【2 4 1 。5 0 8 3 铝的试验中也发 现了所试验的材料在一定条件下具有非常好的低温超塑性【2 5 】。 1 2 3 制备方法 到目前为止制备块体纳米材料的技术主要包括：惰性气体凝聚原位加压法、 机械合金化法、电沉积法、非晶晶化法、强烈塑性变形法、超低温碾磨法、等离 子合成法、化学气相沉积法、物理气相沉积法、脉冲电流沉积法、磁控溅射法以 及电火花腐蚀法等【2 6 2 矾。 强烈塑性变形法( s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ，简称s p d ) 主要是通过大变形使 材料内部获得足够大的应变来细化晶粒。虽然目前有很多方法可以向金属材料施 加塑性应变以减小其品粒尺寸，但是最主要的方法还是等通道转角挤压法( e q u a l 2 第一章绪论 c h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g ，简称e c a p ) 、高压扭转变形法( h i g hp r e s s u r et o r s i o n ，简 称h p t ) 、多向锻造法( m u l t i m r a mf o r g i n g ) 。由于e c a p 方法在加工过程中材料的外 形基本不发生改变，因而可以重复挤压变形以增加应变量，这在常规塑性变形方 法中是难以实现的，所以得到越来越多的研究。 1 3 传统等通道转角挤压技术 2 0 世纪7o 年代初期，前苏联科学家s e g a l 教授及其合作者最早提出并研究了 获得纯剪切变形的等通道转角挤压技术【2 9 3 0 1 ，即e c a p ( e q u a lc h a n n e la n g u l a r p r e s s i n g ) 技术，并为此获得了苏联的发明创造奖。此方法一经推出，迅速得到了 各国科学家的认可。自2 0 世纪9 0 年代以来，该技术作为制取超细晶( 亚微米晶和 纳米级晶粒组织) 材料的新方法得到进一步的研究和应用，近几年国内也有部分院 校对此进行了研究。e c a p 研究的材料有c u l 3 、a l l 3 2 1 、t i 【3 3 - 3 4 1 等纯金属、普通低 碳钢 2 0 , 3 5 - 3 6 1 、a i m g i 3 7 3 8 1 、t i 6 a i 4 v 1 3 9 1 、z n a i 合金【4 0 1 、a z 9 1 1 4 、a z 3 1 i 4 2 1 、p b - s n l 4 3 1 、 金属f h j 化合物t i a i i 4 4 1 、金属基复合材料【4 5 1 等等，目前研究范围仍在扩大。 e c a p 具有很多独特的优点，如材料组织致密性高、无污染、并且坯料的形状 和尺寸几乎不发生改变【3 l j 等等。r 本教授m n e m o t 0 1 4 6 1 曾比较了e c a p 工艺与常 规轧制工艺在达到相同真应变4 时所需要的变形量，结果发现要将厚度为1 0 0m m 的材料轧制至01m m 时在材料内部产生的真应变才为 - - 4 ，相当于压缩率9 9 ； 而e c a p 加工到同样应变量时仅需要几道次( 模具通道央角为9 0 0 时，仅需4 道 次) ，且试样的形状和横截面积基本不发生改变。在等通道转角挤压时，应变总量 达到4 8 之问即可获得的细小等轴晶粒结构，在往复挤墩实验中需要应变总量达 到6 0 才能得到。由此可见，对同一试样经e c a p 重复挤压多次后，会在试样内部 累积产生很大的剪切塑性变形。 1 3 1e c a p 原理 e c a p 技术是利用两个相交的等截面通道组成的挤压模具在交截面处( 剪切平 面) 产生近似于纯剪切变形的方式来实现块体材料大塑性变形的工艺。其原理如 图1 1 所示，两通道的夹角记为函( 一般情况下，咖为9 0 0 1 5 0 0 ) ，外圆弧角记为少， 通道内侧圆弧半径记为尺。挤压过程中，将与模具尺寸紧密配合并与通道壁润滑良 好的试样( 多为棒材) 放入通道，在冲头的挤压作用下，当试样经过两通道的交角 时，试样就会产生