等通道转角挤压研究现状

摘要：等通道抓转角挤压（ECAP）技术是一种通过对材料进行剧烈塑性变形而获得超细晶材料的方法，文章首先对国内外ECAP技术的发展状况进行了介绍，接着对其变形方法、变形后的显微组织及性能进行了总结，最后对其应用前景进行了展望。

关键词：等通道转角挤压；塑性变形；ECAP；超细晶材料；显微组织 文献标识码：A

中图分类号：TG376 文章编号：1009-2374（2015）24-0031-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.015

近几十年来，通过剧烈塑性变形制备亚微米和纳米级超细晶材料，改善材料的物理性能和综合机械性能的方法得到了广泛的研究和关注。在金属的塑性变形过程中，晶粒会发生变形和破碎，大量晶粒具有某些晶向上的择优取向后会形成织构，从而使材料的某些性能发生变化。传统的塑性变形由于受到变形量的限制，其对晶粒想的细化作用较为有限。剧烈塑性变形（Severe Plastic Deformation，SPD）技术，因其可在材料外形尺寸改变不大的基础上获得很大的变形量，克服了传统变形方法导致的材料厚度及直径尺寸的大幅度减少，不适用于结构件的弊端。

1 ECAP技术研究的材料

等通道转角挤压法首先由Segal和他的合作者在20世纪70、80年代提出，在20世纪90年代Valiev利用该技术获得了超细晶的铝合金材料，引起了世界范围内材料研究者对ECAP技术的兴趣；随后，人们利用该技术对包括纯金属，如Cu、Al、Ti等；合金，如H62黄铜，Ti-6Al-4V，Al-Mg，Zn-Al，Al-Zn-Mg-Cu超高强铝合金等合金，以及金属基复合材料在内的多种材料进行了实验，材料的性能都有不同程度的提高。目前，ECAP技术已经由单纯的学术研究向工业应用方向发展。

2 ECAP的变形方式及晶粒细化机理

等通道转角挤压（ECAP）是使棒料在一定的挤压力作用下通过两轴线成一定夹角的通道，使棒料发生纯剪切变形（如图1所示）。

在经过N次挤压后，材料的总应变量为：

式中，N为挤压的道次；φ为模具的拐角，ψ为模具的外角，如图1所示，为，的情况。

等通道角变形细化组织时，坯件经过通道的方向和次数是重要的参数，目前主要有四种途径，A途径是指每次通过模具时坯件的取向不变；BA途径是指每次通过模具时坯件的取向旋转90°，连续两次通过模具时旋转方向相反；BC途径是指每次通过模具时坯件的取向旋转90°，连续两次通过模具时旋转方向相同；C途径是指每次通过模具时坯件的取向旋转180°，如图2所示。

在剪切力的作用下，粗大晶粒被粉碎成为一系列具有小角晶界的亚晶，亚晶沿着一定方向拉长形成带状组织，随变形程度的进一步增加，最终使亚晶转变为具有大角晶界的等轴晶，从而获得超细晶材料。

3 ECAP技术对材料晶粒细化的影响因素

经过多道次ECAP变形后的金属，晶粒尺寸会有明显的减小，晶粒的最终情况取决于模具拐角φ、挤压方式、挤压温度以及挤压速度等多个因素。

3.1 模具拐角的影响

由式（1）可知，在相同的挤压道次时，较小的拐角φ可以获得较大的应变量，当拐角较大时，虽然可以通过增加挤压道次的方法来获得与较小拐角相同的应变量，但其最终难以获得大角晶界，产生超细晶粒。Nakashima K采用φ值分别为90°、112.5°、135°、157.5°的模具对纯铝进行研究，通过改变挤压道次保证获得相同的应变量，最终只有以90°和112.5°的拐角的挤压在应变量为4时能够产生大角晶界，其中，以90°拐角挤压时最容易产生大角晶界。

3.2 挤压方式的影响

如上文所述，对材料进行ECAP变形时，可以采用不同的变形路径，其晶粒细化程度也不相同。一般来说， 按BC路径进行挤压变形时，晶粒在三个方向上都可获得较大的变形，从而获得最佳的细化效果。如边丽萍等在对Al-10Mg-4Si合金进行ECAP研究时发现，按BC路径挤压8道次后，合金的显微组织由约为259nm的α-Al等轴晶和约356nm的Mg2Si颗粒组成；而经过2A+4BA+2A路径挤压8道次后，α-Al晶粒被细化成平均尺寸约为的等轴晶，Mg2Si被细化成长约，直径约370nm的棒状，尺寸明显大于按BC路径挤压8道次后的晶粒。

4 ECAP对材料力学性能的影响

4.1 对强度、硬度的影响

在一般情况下，对材料进行塑性变形，随变形程度的增加，材料会发生加工硬化，即出现强度、硬度升高而塑性、韧性下降的现象，也即是所谓的加工硬化现象。同样，经过多道次ECAP变形后，材料的强度、硬度也都会有显著提高，例如退火态的纯铜，其硬度为78.7HV、屈服强度为161MPa，经多道次的ECAP变形后，其硬度可达185.3HV、屈服强度可达449MPa；退火态的1060铝，其硬度为45.2HV、抗拉强度为90.2MPa，经8道次的ECAP变性后，其硬度可达78.2HV、抗拉强度可达261MPa。

4.2 对材料塑性的影响

大部分材料在经过ECAP变形后，相对于其他塑性变形方法，其塑性均会有一定程度的提高，如姜巨福等对AZ91D镁合金进行ECAP变形后发现，材料的延伸率由变形前的3.8%增加到变形后的10.5%，表现出良好的超塑性；徐德鹏在对1060铝合金进行不同道次ECAP变形后发现，1060铝合金的延伸率在第一道次下降最多，由32%下降至16.6%，从第二到第五道次延伸率稳定下降，而第五道次之后延伸率基本不变。

5 ECAP的应用前景

在传统的塑性变形中，随着变形程度的增加，材料的导电性和耐蚀性都会大幅度下降，而石凤健等在进行纯铜的反复墩压实验时发现，纯铜的导电率随墩压次数的增多而缓慢下降，经15道次墩压后纯铜的导电率为91.7%IACS，相对于退火态纯铜的导电率97.6%IACS下降了约6%，但其抗拉强度可达459.1MPa较退火态纯铜的198.5MPa提高了131.3%；硬度由退火态的682.1MPa提高到1358.3MPa，提高量约为100%，这表明，可以通过剧烈塑性变形制备出具有较高强度、硬度，并有良好导电性的材料。ECAP技术作为一种通过剧烈塑性变形而获得超细晶材料的技术，如何通过挤压或拉拔的方法获得高强度高导电性的铜线，以便应用于高铁等有剧烈摩擦场所的供电，是今后重要的研究课题。

参考文献

[1] VALIEV R Z ，ISLAMGALIEV R K，ALEXANDROV I V Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation[J]. Progress in Materials Science，2000，45（2）.

[2] 吴世丁，李强，姜传斌，李广义，王中光.铜单晶ECAE的剪切特征[J].金属学报，2000，36（6）.

[3] 康志新，彭勇辉，赖晓明，李元元，赵海东，张卫

文.剧塑性变形制备超细晶/纳米晶结构金属材料的研究现状和应用展望[J].中国有色金属学报，2010，20（4）.

作者简介：王斌（1980-），男，山东青岛人，青岛理工大学讲师，在职研究生，研究方向：机械工程。

（责任编辑：陈 倩）