管状材料的高压切变实验研究+文献综述(4)
图1-3 t-HPS方法原理图：该示意图采用固定芯轴并且逆时针转动环套的方式实现管材切向的剪切变形
t-HPS技术原理的关键在于要使得管状材料内部中产生较高的静水压力，高静水压力的获得有多种方式。
法国梅兹大学的Toth最先提出了利用很大压力压向芯轴，使得芯轴发生变形，从而挤压芯轴与刚性圆盘之间的管状试样并获得静水压力的实现方案，这种方案的原理如图1-4所示。他们称这种方法为管材管高压扭转法（high-pressure tube twisting 简称HPTT）。事实上，该方法实现的正是管材管壁切向的剪切变形而不是管材的扭转变形。关于扭转变形（HPT），管材的扭转变形以及管材的剪切变形（t-HPS）的区别如图1-5所示。
图 1-4 管高压扭转原理示意图[22]
该方法的思路很好，但其最主要的问题是该方法对试样的加载方式是径向加载方式，也就是说，该方法直接对芯棒施加轴向压力，芯棒发生的径向膨胀对试样产生径向压力。在这种加载方式下，压力并没有直接加载在管状材料的轴向，试样所承受的静水压力来自芯棒受压后的弹性变形，由于材料弹性变形不可能很大，很难产生高的静水压力，因而能提供的环向摩擦力有限。对于强度较高的材料，由于所能产生的摩擦力达不到材料的屈服强度，容易出现打滑等现象，无法实现所需要的变形。该方法另一方面问题是位于管状试样两端的档板是一悬臂梁式结构，对试样轴向变形的约束不够，试样承受的静水压力较高时，材料很容易从缝隙中挤出，影响加工过程。
图 1-5 应变特征区别示意图：a)HPT; b)tube torsion or twisting; c)t-HPS
我们提出了直接对管材端部进行加压从而产生静水压力的方案[23]，如图1-6所示。与我们合作的青岛科技大学王进老师课题组利用该方案，对纯铝实现了管材高压剪切变形。在该方案中管状试样被固定在具有卡槽的圆形底座上，试样外侧套有可转动的刚性环套，带有芯轴的压头从管状试样的中心穿过，压头上的环形挤压垫对试样施加压力，管状试样在巨大压力的作用下沿径向膨胀，由于刚性环套、芯轴和底座的约束作用，试样承受了很高的静水压力。高静水压力条件下，将会在管状试样的内外壁都产生很大的摩擦力。刚性环套旋转时，保持上部压头与底座固定，大的摩擦力对应的扭矩作用下，管状试样发生环向的剪切塑性变形。
图1-6 端部直接加压t-HPS装置原理示意图
图1-7 端部直接加压t-HPS装置图
图1-7装置采用72吨的液压机，依靠行程控制下压量，并用人力转动撬杠提供环套的扭转力矩。所加工的纯铝样品已经可以得到一定程度地强化。然而，在加工过程中随着轴向压力P不断增大，会导致样品向压头与环套和芯轴之间的空隙反挤。在试样的上下端与约束体之间会产生非常大的摩擦力，该摩擦力与轴向压力P的方向相反。这就使得直接作用在管材两端的轴向压力很难传递至管材中部，使得高静水压力只能在管材的上下端附近产生，管材中部静水压力很低甚至没有。因此，图1-6所示装置如果应用于较长的管材，为了能够在管材中部获得高静水压力，需要的轴向压力比理论值要大得多，加工的可行性减小，成本增大。此外，对管材端部直接加压时，上下压头与管材上下端直接接触的区域在摩擦力的作用下会形成变形死区，若为了产生高静水压力而将管的高度减小又会使边缘效应明显，这是我们不希望看到的。
1.3.5 t-HPS方法加压方式的改进
本课题组在此基础上又提出了改进方法：利用劈尖原理实现管状材料高压剪切变形的方法[21]。
图1-8为该方案的原理示意图。