管状材料的高压切变实验研究+文献综述(6)
（1）粗磨金相：采用金相砂纸对试样进行打磨，从400号金相砂纸开始打磨致600号，再经抛光机抛光；（2）电解抛光，选用电解液：高氯酸+无水乙醇（体积比1:9），电解抛光时温度控制在40度以内，电解时间：15S，电压：20V，电流：0.1A；（3）阳极（氧化）覆膜，覆膜溶液：4~6ml 氟硼酸（HBF4）+200ml 蒸馏水，电压控制为20~22V，覆膜时间控制在90~180s，温度为室温。
此外还对纯铝试样进行横截面硬度分布测量。
选用仪器为HVS-1000Z型文氏显微硬度计。
实验参数：对内半径10mm，外半径14mm的管状工件，沿径向从内到外每隔0.4mm的位置进行硬度测量，压入力0.025kgN，保压10s。
图3-2 文氏显微硬度测试数据点选取方案示意图
显微硬度和金相实验结果分别如图3-3、3-4、3-5和3-6所示。
图3-3 显微硬度沿不同半径位置的分布
图3-4 显微硬度与等效应变关系
图3-5 通过显微硬度估算通等效应变沿不同半径位置的分布与等效应变解析曲线
图3-6 纯铝金相显微图：(a)原始态；(b)变形态
图3-6（a）为原始态纯铝管材横截面的金相组织照片，从图中可以看出，原始态组织呈等轴状且晶粒尺寸分布较为均匀。图3-6（b）为经过t-HPS变形后管状试样横截面靠近内径处的金相组织，从图中可以看出，经过t-HPS变形后，原来等轴状的晶粒被明显拉长、细化。由于是典型的变形组织，位错密度较高，因此晶界也变得不清晰。靠近外径处的晶粒拉长和细化不太明显，这里金相图省略。
显微硬度沿半径方向的分布如图3-3所示，经过对比可以得出：经过t-HPS变形后纯铝管状试样横截面上文氏显微硬度值分布在50~35MPa之间，硬度明显高与初始态，初始态硬度分布较为均匀，在30MPa左右。
参考本教研室张悦博士之前对纯铝的实验结果，我们建立了纯铝显微硬度与等效应变之间的关系，如图3-4所示。结合图3-3结果我们估算了经过t-HPS变形的纯铝管材的等效应变沿径向分布。结果如图3-5所示，可以看出，沿整个径向均发生了塑性变形，靠近内径处发生的等效应变比外径处大，应变呈梯度分布。这与金相观察结果相吻合。
本课题组推导得到的以 为材料切变本构方程时的t-HPS方法应变分布解析解：
其中：为管状工件外半径比；
n为应变硬化指数；
进过t-HPS变形的角度；
r管材管壁方向半径变量。
利用该解析解得到的纯铝管材等效应变沿径向分布曲线如图3-5所示，与通过显微硬度估算结果较为吻合。
3.2 AZ31镁合金的t-HPS实验
针对端部直接加压方案实验情况及出现的问题，我们课题组根据利用劈尖原理实现t-HPS的方案设计了模具。该方法利用劈尖原理的力放大作用，能够直接将较高的压力直接施加在管壁上，有效解决原先方案对管材端部直接加压时，管中部压力不足的问题，而且当前方案管材端部采用无约束设计，避免了剪切变形时的边缘效应（无变形死区）。
模具装配图如图3-7所示，图3-8、3-9为模具的重要工作部分刚性环套内层和刚性芯轴的设计图，其工作面均为半锥角10°的锥面。图3-10为模具实物图。图3-11、3-12为管状试样设计图及实物图。AZ31镁合金管状试样下端内径21mm，外径24mm，壁厚1.5mm，高度5mm，半锥角10°。
图3-7 利用劈尖原理实现的t-HPS模具装配图
图 3-8 环套内层套的设计图
图 3-9 芯轴的设计图
图3-10 利用劈尖原理的t-HPS模具实物图
图3-11 锥管试样的设计图
图3-12 AZ31镁合金试样实物图
如图3-8、图3-9所示，芯轴的两端分别有一组对称于中轴的平行面，两组平行面相互垂直。实验的进行时将试样放在环套内，再把芯轴插于环套之中。芯轴两端的平行面都有对应的槽固定，芯轴可沿轴向运动保证加压过程，但其绕轴转动被限制，此时对芯轴加压，压力放大后传递至管材内壁，由于管材内外壁的约束作用，在管材内部产生静水压力。然后用钢管套入环套四周的推杆，以人力推动环套发生转动，在摩擦力的驱动下实现切向的剪切变形。