管状材料的高压切变实验研究+文献综述(3)
1.3.1 高压扭转（HPT）
HPT[19]的原理图如图1-1所示。装置主要由可运动的冲头和固定的模具构成。对模具中的试样施加GPa级别的高压，同时通过旋转冲头来扭转试样，样品同时受到压力和剪切力。在变形过程中，试样尺寸不发生改变，所以在试样外侧可以引入很大的剪切应变。在整个过程中，试样在类似于静水压力的条件下发生剪切应变，因此尽管应变量较大，试样仍不会发生破裂，在较大变形后可获得均匀的纳米结构。通常这种方法制备的样品为圆盘状，直径为10～20mm，厚度为0.2～0.5mm。
图1-1 HPT示意图
1.3.2 等径角挤压（ECAP）
ECAP[20]原理图如图1-2所示，它采用的模具是两个具有相同形状和相等横截面的通道按一定角度相互交截而成，两个通道的内交角为 ，外接弧角为 。外加载荷的作用下，试样从模具的一端压入，另一端压出。理想条件下，变形是通过在两等截面通道的交截面（剪切平面）发生简单切变实现的。由于变形前后试样的横截面积不发生变化，因此，同一试样可以重复进行，以达到所需要的变形程度，使材料的组织和物理性能都发生显著变化，在材料内部形成亚微米甚至纳米晶粒结构。背压ECAP(BP-ECAP)即在模具出口通道施加背压的ECAP技术，可以有效地控制和改善材料的微观组织和机械性能。BP-ECAP为材料的塑性变形提供了静水压力环境，由于静水压力的作用阻碍裂纹的形成与长大，使是变形更加均匀，因此难加工材料即使在低的温度下挤压，也可以有效地细化晶粒而且试样表面不出现裂纹。
(a)ECAP (b)BP-ECAP
图1-2 ECAP和BP-ECAP示意图[21]
1.3.3 现有工艺的不足
虽然用ECAP进行超细晶金属加工处理具有巨大潜力，但是，对于一些难加工合金（如镁合金等），进行ECAP经常发生开裂，如果提高工艺温度，又不能达到理想的晶粒细化效果。而且ECAP虽然可以多道次操作，但是每一道次都要浪费大量材料。背压ECAP在一定程度上解决了ECAP加工镁合金等难变形金属的开裂问题，但是BP-ECAP所能提供的背压有限，静水压力水平只能文持在几百兆帕，因此，细化晶粒至纳米尺寸需要很高的道次，实际操作繁琐。
在现有的SPD技术之中，HPT技术晶粒细化能力最强。然而，HPT所能加工的试样尺寸很小，厚度仅为0.2～0.5mm，并且HTP所加工的盘状试样，沿径向存在较大的应变梯度，变形不均匀，晶粒细化程度也不均匀。
1.3.4 新工艺的提出——t-HPS
针对现有SPD技术存在的可取之处、主要问题和不足，我们课题组将给出一种新的剧烈塑性变形方法：管状工件高压剪切 (tube High Pressure Shearing，简称t-HPS) 技术。该技术很好地满足了采用SPD方法制备超细晶材料应满足多项条件，如大塑性变形量、相对低的变形温度、材料内部承受高静水压。能实现大尺寸超细晶材料的制备，并可避免ECAP等技术需要多道次操作的繁琐工艺过程，同时该技术在加工材料时能提供类似HPT技术的高静水压力条件，从而提高了对难变形金属及合金的可加工性，达到理想的晶粒细化效果。
t-HPS技术原理如图1-3所示，管状工件的内外壁被约束在芯轴与环套之间，通过某种方式管状材料内部产生较高的静水压力的同时，使得芯轴与环套之间绕其共有的中心轴发生相对转动（如采用固定芯轴同时转动环套，反之亦可；甚至可以同时让芯轴与环套反向转动等方式），由于管材承受了高压，在管状工件内外壁与芯轴及环套接触面上的摩擦力将保证接触面上的材料与芯轴以及环套保持相对静止（不打滑）。在摩擦力的驱动下，管壁不同厚度处的材料将以不同的角速度转动，从而实现切向的剪切变形。