技術(shù)背景
單純依賴某一兩種強(qiáng)化機(jī)制來(lái)提升材料的綜合性能是十分有限的，將多種機(jī)制有機(jī)組合，不僅能充分挖掘材料的性能，也是材料科學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
大塑性變形( severe plastic deformation，SPD)
在金屬的成形過(guò)程中將超大塑性應(yīng)變應(yīng)用于一定體積的金屬中以獲得超細(xì)晶材料的過(guò)程，其本質(zhì)是細(xì)晶強(qiáng)化。通過(guò)大的塑性變形使材料的位錯(cuò)密度增加，形成位錯(cuò)壁，將位錯(cuò)壁轉(zhuǎn)化為大角度晶界，從而獲得超細(xì)晶組織以及控制形成不同的織構(gòu)。該技術(shù)已經(jīng)在制備各種超細(xì)晶材料領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。
發(fā)展歷史
20 世紀(jì)70 年代初期，前蘇聯(lián)科學(xué)家Segal 教授及其合作者最早提出并研究了獲得純剪切變形的等通道轉(zhuǎn)角擠壓技術(shù)，即ECAP (EqualChannel Angular Pressing) 技術(shù)，將其作為制取超細(xì)晶( 亞微米晶和納米級(jí)晶粒組織) 材料的新方法在各國(guó)得到進(jìn)一步的研究和應(yīng)用．
Valiv 等在1989 年發(fā)明了HPT( High Pressure Torsion) 技術(shù).
Saito 等在1998 年發(fā)明了ARB( Accumulative Roll Bonding) 技術(shù)．
SPD材料制備方法共同特征：
(l) 形成了具有大角晶界的細(xì)化晶粒結(jié)構(gòu); (2) 為了保證性能的穩(wěn)定, 在整個(gè)材料內(nèi)部或材料表層形成均勻一致的納米結(jié)構(gòu); (3) 樣品經(jīng)過(guò)了很大的塑性變形, 但是不能產(chǎn)生機(jī)械損傷或裂紋?？梢钥闯? 只有采用特殊的加載方式以及合適的時(shí)間, 在較低溫度下使常規(guī)塊體材料或其表層產(chǎn)生劇烈塑性變形才能達(dá)到上述要求。
等通道角擠壓( Equal Channel AngularExtrusion，ECAE)
ECAE 技術(shù)是由前蘇聯(lián)科學(xué)家Vladimir Segal在1977 年提出。ECAE 是由兩個(gè)相交的等徑通道和一個(gè)沖頭組成，由于變形前后試樣的截面尺寸沒(méi)有發(fā)生變化，因而可以進(jìn)行多次擠壓變形，進(jìn)而增加累計(jì)轉(zhuǎn)角剪切應(yīng)變，具有顯著的晶粒細(xì)化和弱化織構(gòu)的效果。
循環(huán)擠壓( Cyclic Extrusion Compression，CEC)
CEC 由Ｒichert 和Ｒichert 最早提出并發(fā)展起來(lái)的一種SPD 方式。CEC 模具是由上下兩個(gè)沖頭和一個(gè)圓柱形模具組成，圓柱型模具具有上下兩個(gè)等直徑d0的腔體且采用小直徑dm截面相連接，每一道次CEC 變形均包含擠壓和壓縮兩個(gè)變形階段，將試樣放入通道經(jīng)過(guò)N 次循環(huán)擠壓達(dá)到與原始試樣尺寸相同的任意的大應(yīng)變變形量，如通過(guò)15 道次變形可累計(jì)應(yīng)變高達(dá)23.5，極大的促使鎂合金發(fā)生充分的DRX，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。
高壓扭轉(zhuǎn)( High Pressure Torsion，HPT)
高壓扭轉(zhuǎn)( HighPressure Torsion，HPT) 是一種有效改善組織結(jié)構(gòu)的SPD 技術(shù)，HPT 的工作原理如圖4所示，由一個(gè)圓盤薄板試樣放置于基體和壓頭之間，在壓頭上通過(guò)靜水壓力施加幾個(gè)GPa 的壓強(qiáng)，同時(shí)基體旋轉(zhuǎn)，使得試樣在基體和壓頭之間同時(shí)承受壓力和旋轉(zhuǎn)扭矩的影響而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)剪切變形，發(fā)生充分的DＲX，進(jìn)而細(xì)化晶粒。
疊軋合技術(shù) (Accumulative Roll Bonding, ARB)
日本學(xué)者Saito 等提出了一種新的制備納米結(jié)構(gòu)材料的大塑性變形方法——疊軋合技術(shù)。在ARB中，軋制件經(jīng)過(guò)多次裁剪、堆疊、軋制, 由此獲得大塑性變形，經(jīng)ARB變形的Al-Mg 合金(晶粒尺寸為280 nm)的延伸率高達(dá)220 %；IF 鋼(晶粒尺寸為420nm)的拉伸強(qiáng)度達(dá)到870 MPa，是原始材料強(qiáng)度的3倍多。此外，采用ARB 還可以制備塊體納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。
技術(shù)局限性
實(shí)際上，相比較于傳統(tǒng)加工技術(shù)與材料，盡管SPD 制備的超細(xì)晶金屬材料有較好的機(jī)械和物理性能，但其在結(jié)構(gòu)材料方面的應(yīng)用仍然很有限．原因在于: 首先，雖然有大量的學(xué)者著力于對(duì)SPD 和超細(xì)晶材料的研究，但仍然以學(xué)術(shù)研究為主，缺乏超細(xì)晶材料制備過(guò)程的工業(yè)實(shí)現(xiàn)意識(shí)。其次，超細(xì)晶材料制備往往受限于模具，制備尺寸大的( 大型) 工業(yè)零件十分困難且成本高。最后，普遍而言，SPD 方法工藝過(guò)程復(fù)雜，成本較高，目前還難以與現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)相匹配。
--本文摘自《金屬材料科學(xué)與技術(shù)》
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