文 献 综 述
剧烈塑性变形(Severe Plastic Defermation,SPD)是一种制备块体超细晶／纳米晶材料的方法,近年来受到了广泛的关注。通过剧烈塑性变形法细化材料的组织,可以显著地提高材料的力学性能,改变其物理化学性能。综合目前剧塑性变形方法制备超细晶及纳米晶结构金属材料的研究现状，有等通道转角挤压(Equal Channel Angular Pressing,ECAP)、高压扭转(High Pressure Torsion,HPT)、累积轧制复合(Accumulative Roll-Bonding,ARB)、多向锻造(Multiple Forging Process,MFP)以及新兴的管状样品高压剪切(tube High Pressure Shearing)等剧塑性变形方法。对研究剧塑性变形金属材料的组织演变和晶粒细化机制，分析金属材料经剧塑性变形后强度与延展性的变化趋势，及其对超塑性变形的影响规律，展望剧塑性变形方法对金属材料应用的前景有非常重大的意义。
采用SPD变形技术制备超细晶/纳米晶不仅避免了其他方法如高压凝固或球磨研磨中出现的残留孔隙或粉末杂质污染所产生的危害；还可保证在变形过程中各种金属材料的形状不发生明显变化，从而克服传统加工方法如轧制、锻造及挤压对金属材料进行较大塑性应变而导致厚度及直径尺寸的减小、使材料不适合用于结构件的缺点；同时，SPD制备所获得的超细晶/纳米晶结构材料具有良好的室温抗拉强度、高温超塑性及摩擦性能，对材料的实际应用具有重要的意义。
通常认为剧烈塑性变形组织细化的机理有：位错结构演化、剪切带细化以及孪生细化等。随着研究的深入,连续再结晶在剧烈塑性变形中的作用受到重视。已有的研究表明,在大变形量（如轧制压下率gt;95%）、高的应变速率和较低的变形温度等条件下,由于可以获得相对均匀的变形组织（如对铝而言大角度晶界比例gt;70%）、同时较低的温度有利于抑制晶界的快速长程迁移,从而有利于抑制不连续再结晶,促进连续再结晶的发生。这些条件在通常的塑性加工中难以满足,阻碍了对连续再结晶规律的深入认识。而这些条件恰好符合剧烈塑性变形的特征,因而可望通过剧烈塑性变形中组织演变的研究推动连续再结晶的研究,同时也为探索剧烈塑性变形组织细化机制提供一条新的途径。
在文献调研中发现，三个团队在相近的时间内分别独立提出了实现管周向切变的剧烈塑性变形方法。分别是上海交通大学的单爱党教授团队（2008年）提出的旋转剪切变形（Rotation Shear, RS），法国梅兹大学的Toacute;th 教授团队（2009年）高压管材扭转（High Pressure Tube Twisting, HPTT）以及南京理工大学的王经涛教授团队提出的管状样品高压剪切变形（tube High Pressure Shearing，t-HPS）。
其中，管的高压扭转成形方法早期技术方案是一种利用芯轴材料在轴向压载下发生很大弹性变形为管状样品施加压力，从而产生切变，实现晶粒超细化的技术,。该技术的具体原理如图1所示,即利用很大压力压向芯轴,使芯轴变形,从而挤压芯轴和刚性圆盘间的试样,同时刚性圆盘旋转,在摩擦力的驱使下促使试样外圈相对内圈产生运动,进而细化晶粒。Toth对该技术做了大量的分析研究,指出薄壁圆管试样的应变随着从内半径到外半径的厚度增加而减小,并且旋转的圈数越多,相同位置处的应变越大。
图1.管的高压扭转成型原理图[1]
管的高压扭转成形能产生很大应变,理论上能很好地制备超细晶管状材料,并且管状试样旋转时最大的应变在试样的内圈,最小值在试样外圈,应变由内圈向外圈逐渐减小。扭转过程中试样中一点的应变随着时间的变化呈线性关系。在壁厚一定的情况下,不同试样相同位置处的应变随着试样平均半径的增大而增大,很好地说明试样的壁厚不是材料应变的关键因素[1]。
南京理工大学的王经涛教授团队的t-HPS构想则是将泰勒流变装置的基本流变原理在金属材料加工上实现。其技术方案通过管状工件端部压力环直接施加轴向压力至样品，从而产生高静水压力，利用模具与样品接触面的摩擦力作为驱动力，实现周向切变，同时提高晶粒细化效果及材料的可加工性,通过采用回转运动来实现单道次大变形、并实现连续加工提高效率。原理如图2所示：管状样品同轴放置于芯轴与外环套之间，样品的内壁与芯轴的外壁紧密接触，样品的外壁与环套的内壁紧密接触，芯轴和环套作为约束体，对管状样品进行径向约束。样品在轴向上被与之端面形状完全吻合的两个压力环所约束。此时，对压力环施加轴向压载。同时转动外环套并固定芯轴，或者转动芯轴而固定外环套。管状样品内外壁之间将产生相对转动，从而产生沿圆周切向的剪切变形，与此同时，管状样品的宏观外形不发生任何改变[16]。
