镁合金室温力学性能尺寸效应研究+文献综述(3)
1.2.2 等径弯曲通道变形工艺
等径弯曲通道变形（Equal Channel Angular Pressing, ECAP）也叫等径角挤压法，是制备超细晶金属材料的重要方法之一，属于SPD(Severe Plastic Deformation)技术[6]，指通过强烈纯剪切塑性变形而获得大尺寸为亚微米或纳米级块体材料的有效方法之一。其原理如图4所示,利用由两个相交的等径通道组成的挤压模具来使被挤压材料获得大的塑性切应变。试样变形前后的形状和尺寸不发生改变,因而可以进行多次变形以增大变形量。
图1.1 等通道挤压原理示意图[7]
在镁合金ECAP过程中，影响材料组织和性能的工艺参数主要包括:模具结构、挤压路径和挤压道次、挤压温度和挤压速度等。
(1)ECAP模具结构参数主要包括:两通道夹角φ、内侧过渡圆弧半径r和外侧夹角Ψ、外侧圆弧半径R等，如图1.1所示[8]。Iwahashi[9]给出了在摩擦条件下的总应变计算公式：
（1.1）
其中N表示挤压道次。
试验研究表明[10-14]，两通道夹角φ较小时，每道次可以获得较大的应变量，当φ=90°时晶粒细化效果最佳。加大内侧过渡圆弧半径r可以降低应变量，但r过小会在挤压转角内侧处形成未填充型区;降低外侧夹角Ψ可以增大每次变形的应变量，但Ψ值过小会在挤压材料外侧形成难变形区，不利于挤压材料的均匀化。因此选取合理的模具结构参数对于细化晶粒，提高材料的强度和韧性具有十分重要的意义。
（2）挤压路径：有四种典型的装料方式，即A,Bc，Ba，C。本实验采用Bc挤压路径（即试样每道次通过模子后绕轴依次顺时针旋转90°），研究表明[15-16]沿路径Bc挤压后能够最有效地细化组织，形成大角晶界，路径C次之，而路径A和Ba最差。
（3）挤压道次：对镁合金的显微组织有重要的影响。这将在第三章具体介绍。
等径角挤压法与其他制备方法(如球磨法、非晶晶化法、气相沉积法等)相比,有许多独特的优点。譬如,该方法适用范围宽,可以在室温或者不太高的温度下将三文的大尺寸块体材料的晶粒细化至接近纳米级水平。材料无残留缩孔,不易引入杂质,设备简单,具有工业应用的潜力。
镁合金经ECAP后晶粒尺寸可以细化到0.5-几个微米[17-19]，并表现出与众不同的力学行为[20,21]。另外，由于镁合金需在高温下挤压，所以最终获得的为再结晶的组织，而在变形过程中是通过多种方式细化组织的，如位错滑移、变形孪晶以及再结晶的相关机制。
1．3 尺寸效应
1.3.1 尺寸效应的定义
随着产品的微型化，运用微塑性成形工艺加工金属微型零件，在微尺度下材料的一些力学特征表现出与传统尺度下的不同，那些在宏观加工中与尺度无关的力学量，在微尺度下尺寸已不再是独立的，而是表现出对尺寸的依赖性，这就是所谓的尺度效应（Size effects）。在微塑性成形过程中，由于尺寸的微小化,金属成形不再是以前简单的金属塑性加工,它已经变成了多种学科交叉的边缘技术,涉及物理、化学、材料科学、制造技术等研究领域,具有独特的特点。影响尺度效应的主要因素有：材料属性，工件形状、尺寸及表面特征等。当零件特征尺寸为微米量级时，晶粒数量和缺陷减少，位错效应发生变化，材料的塑性也随之改变；零件的表面效应对尺度效应发生显著影响，表面积与体积之比（S/V）随体积减小而增大，与特征尺寸成反比。当材料的微观结构的绝对尺寸、工具和坯料的表面粗糙度以及坯料与工具间的润滑状态保持不变,金属工艺按比例缩小到微小尺寸时,金属的成形行为会发生一定的变化,除了工艺参数的影响外,导致这些变化的主要原因在于材料流动规律对坯料尺寸的敏感性(表现出明显的尺寸效应),它对金属的流动行为及摩擦产生影响[22]。
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