超细晶镍的组织和性能研究(3)
1.2.1 轧制法(Rolling)
轧制法是金属材料成型的主要方法，轧制成型的钢材是数量最大的金属材料制品。冶金钢的90%以上要经过轧制工艺才能成为可用的钢材。轧制钢材与汽车、建筑、能源等国民经济支柱产业密切相关，因此它也是与人民的生活紧密相连的[1]。
轧制的基本原理如下所述。
轧制过程是靠旋转的轧辊与轧件之间形成的摩擦力将轧件拖进辊缝之间，使之受到压缩产生塑性变形的过程，如图1.1所示。轧制过程除使轧件获得一定形状和尺寸外，还必须使组织和性能得到一定程度的改善。
轧制工艺的等效应变计算公式：
(1.1)
式(1.1)中H为轧制前轧件厚度，h为轧制后轧件厚度。
传统的轧制工艺具有一定的局限性，根据变形量与等效应变之间的关系，当变形量达到50%时，等效应变为0.8，变形量为98%时，对应的等效应变为4.5。可以发现，若想获得大应变量变形组织，会严重损失材料厚度尺寸，从而无法制备块体的超细晶(纳米晶)材料。
1.2.2 剧烈塑性变形法(SPD)
相对于其它一些传统的方法，剧烈塑性变形法由于具有无污染、无机械损伤、无裂纹，制备的超细晶材料内部无残留孔隙，整个超细晶材料结构均匀等优点[2]，已经成为制备超细晶材料最有效的方法。目前剧烈塑性变形法主要包括以下变形工艺高压扭转法(HPT)[3]、等径角挤压法(ECAP)[3-6]、叠轧薄板法(ARB)[4]、反复褶皱压直法(RCS)[4]、冷拔工艺(CD)、超音喷丸(USP)等。其中，等径角挤压法和高压扭转法是剧烈塑性变形法的代表，采用这两种方法可以获得具有亚微米级或者纳米级晶粒尺寸的组织[7]。以下主要介绍这两种方法。
(1) 高压扭转(High Pressure and Torsion, HPT)
高压扭转是由前苏联学者于20世纪50年代末首先提出并进行实验、理论研究, 而后逐步应用于实际生产中的。苏联学者在YNM-30T万能材料试验机上对高压扭转复合加载成形方法进行了实验研究。到20世纪90年代, 这种方法被R. Z. Valiev等人改进并用于研究材料大变形下的相变以及大的塑性变形后组织结构的变化。他们发现经过高压下的严重扭转变形后, 材料内部形成了大角度晶界的均匀纳米结构, 材料的性能也发生了质的变化。这一成果使高压扭转成为制备块体纳米材料的一种新方法, 且被认为是最有希望实现工业化生产的有效途径之一。综合国内外学者的研究表明: 高压扭转与镦粗相比具有很大的优越性, 如促使变形均匀, 降低变形抗力, 增加变形量等[ 8-12]。
高压扭转法原理如图1.2所示[13]。
在室温或低于0.4Tm温度的条件下, 模具内的盘状试样被施以几个GPa的压力P ，同时下模转动通过主动摩擦在其横截面上施加一扭矩, 促使变形体产生轴向压缩和切向剪切变形。其实质在于控制接触摩擦力和变形体内部剪切变形强度, 从而将变形体与模具间有害的摩擦变成有益的作用,使材料产生较大的塑性变形, 改善材料内部组织, 获得亚微米级甚至纳米级块体材料[14,15]。试样在类似于静水压力的条件下产生变形, 即使承受很大的应力,也不会被破坏。
在剪应变 <0.8的情况下，变形量可以由公式(1.2)得出[16]：
(1.2)
其中，N为扭转圈数，r为距中心的距离，h为坯料厚度。若γ≥0.8，等效应变公式可以由式(1.3)得到[13]：
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