高纯镍大变形组织性能研究+文献综述(2)
在工业中通常是在晶体中设法引入更多的缺陷，从而有效阻碍位错运动，提高金属的力学性能达到金属强化的效果。然而根据霍尔-佩奇(Hall-Petch)关系式：σs = σ0 + Kd-1/2，可以知道平均晶粒尺寸越小，金属的变形能力、抗拉强度和硬度就越大。所以当金属材料的晶粒尺寸通过特定方法细化到一定程度后，金属组织和力学性能发生了很大的改善。因此对超细晶材料的研究逐渐引起了各国科学家的重视。超细晶材料(包括纳米材料和亚微米材料)具有较高的强度和良好的塑韧性，具有重要和广阔的工业应用前景。
本课题以金属纯镍为研究对象有其独到的意义。
首先，镍是非常重要的战略型金属，这是因为Ni具有优异的物理、化学和力学特性。镍质地坚硬并且耐磨，具有磁性和良好的塑性，并且Ni的抗腐蚀性非常好。Ni合金主要用来制造不锈钢材料以及其他的耐腐蚀合金，如镍钢、铬镍钢及各种有色金属合金，纯镍优秀的物理性能，使其在军事研究、航空航海等特殊场合扮演着重要的角色。因此，如果能通过SPD进一步提高镍的综合力学性能，Ni将会得到更加广泛的应用。
其次，镍为典型的面心立方(fcc)金属，加工硬化能力强，所以在大应变量下金属变形难度增加。现阶段对不同纯度的镍的大变形，其杂质对组织性能影响的研究还很匮乏，本文通过对不同纯度的镍实施ECAP变形，对现有的研究结果进行补充，并且可以比较不同道次和杂质元素对组织性能和力学性能的影响。
1.2 金属大变形工艺
目前对金属进行剧烈变形可通过传统的轧制法和剧烈塑性变形法(SPD)得到。
1.2.1 轧制法（Rolling）
轧制法是传统金属材料成型的主要方法。轧制后的钢材常用于汽车业制造、建材、能源等重要场合，是非常重要的一种材料加工方法[1]。
轧制的基本原理如下所述。
轧制过程中，利用旋转的轧辊与轧件之间形成的摩擦力，轧件被拖进辊缝，受到压缩产生塑性变形，如图1所示。轧制过程除了改变轧件的形状和尺寸外，还能对材料的组织和性能进行一定程度的改善。
轧制工艺的等效应变计算公式：
εVM =1.15ln(h/H) [1] (1)
式(1)中H为轧制前轧件厚度，h为轧制后轧件厚度。
虽然轧制加工方法非常常用，且加工方便，但是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，如果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、无裂纹的特点，同时大变形下金属材料内部无残留孔隙，整个金属材料结构均匀 [2]。目前剧烈塑性变形法主要包括以下几种工艺：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) [4]、超音喷丸(USP)等[4]。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]，本文采用的变形方法为等径角挤压法，以下主要介绍这种方法。
等径角挤压变形(Equal Channel Angular Pressing, ECAP)是通过试样在挤压通道内发生纯剪切变形从而使晶粒发生细化的剧烈塑性变形方法，前苏联Segal教授[7]在70年代最早提出了等径角挤压变形的方法。 在80年代初Segal[8]在研究钢的变形织构与微观组织时，进一步提出和研究了等径角挤压变形。90年代，Valiev教授[9]成功利用等径角挤压变形方法，对金属及合金实现了组织超细化，从而ECAP逐渐成为一种重要的SPD细化晶粒的方法。ECAP近年来得到了进一步的发展与应用，同时也成为重要的块体超细晶金属材料的制备技术之一。以该方法研究拓展为基础，当今许多国际前沿热都围绕着以ECAP加工后材料的工艺、组织和力学性能而展开。