高压扭转法的研究现状及展望1

高压扭转法的研究现状及展望1 如果您需要更多资料可以到www.docin.com/week114进行免费查阅 1 高压扭转法的研究现状及展望 薛克敏，张君，李萍，黄科帅 合肥工业大学材料科 学与工程学院，安徽合肥(230009) E-mail:zj8888000816@163.com 摘 要:高压扭转法是在变形体高度方向施加压力的同时，通过主动摩擦作用在其横截面上 施加一扭矩，促使变形体产生轴向压缩和切向剪切变形的特殊塑性变形工艺。本文介绍了高 压扭转法对提高材料的力学性能、超塑性等的贡献以及影响高压扭转法的因素， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了高压 扭转法目前存在的问题，并对其应用前景进行了展望。 关键词:大塑性变形;高压扭转;细晶材料 中图分类号:TG376 1. 引言 近年来，人们对大塑性变形影响材料组织性能的问题越来越感兴趣，并在研究过程中选 [1]用多种不同的方法来产生大塑性变形。大塑性变形 (SPD)是一种通过机械方法制备块体超 细晶材料的技术。SPD 法适用范围宽,可制造相对大体积、内部组织致密的超细晶试样。高 压扭转法(HPT)是大塑性变形法中的一种，即在轴向压缩的同时在横截面上施加一扭矩，就 可以变摩擦阻力为摩擦动力，从而既实现了一定的扭转变形，又实现了简单压缩变形(图 1) [2-3] 。 图 1 高压扭转原理图 2. 高压扭转的研究现状 高压扭转是由前苏联学者 О.А.Ганаго 等人于上世纪五十年代末首先提出并进行实验、 T 理论研究，而后逐步应用于实际生产中的。苏联学者在 YNM,30万能材料试验机上对高 压扭转复合加载成形方法进行了实验研究。 到上世纪九十年代，这种方法被 R.Z.Valiev 等人改进并用于研究材料大变形下的相变以 及大的塑性变形后组织结构的变化，并发现经过高压下的严重扭转变形后，材料内部形成了 大角度晶界的均匀纳米结构，材料的性能也发生了质的变化，从而使其成为制备块体纳米材 [4-6] 料的一种新方法且被认为是最有希望实现工业化生产的有效途径之一综合国内外学者 的研究表明:高压扭转与镦粗相比具有很大的优越性，如促使变形均匀，降低变形抗力，增 [7-11]加变形量等等。 2.1 高压扭转对材料组织性能的影响 目前，用HPT法已经对铝合金、钛合金、镍合金、纯铬、纯钛、纯铜和铜合金、Co-NiO 复合材料进行了实验。研究表明，金属经过高压扭转后其力学性能得到了很大的改善。 1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金(项目编号:040310B2)的资助。 如果您需要更多资料可以到www.docin.com/week114进行免费查阅 如果您需要更多资料可以到www.docin.com/week114进行免费查阅 (1)细化晶粒，改善组织 高压扭转法加工得到的晶粒尺寸在几种大塑性变形法中是最小的。纯钛、Al-3%Mg- 0.2%Sc合金经过高压扭转后平均晶粒尺寸分别为120nm、130nm。R.Wadsack采用高压扭转 法加工纯铬，将初始晶粒尺寸从80µm细化到50,500nm，对细晶材料的硬度测试表明，细 晶材料的硬度是没有变形时相同材料的4倍。R(K(IsIamgaliev等利用高压扭转法制备的细 晶Al-7.5%Zn-2.7%Mg-2.3%Cu-0.15%Zr合金的晶粒尺寸小于100nm，抗拉强度达到800MPa ，延伸率高达20%。图2是Al-2024合金在静水压力为6GPa下经高压扭转(分别为扭转0.5圈 [12-13]和5圈)后得到的微观组织。从图2(a)中可以看出，经过变形后晶粒尺寸大约为160nm ，但组织不是很均匀。图2(b)是经过5圈后的微观组织，可以看到晶粒细化更为明显，大 约为70nm，组织变得很均匀而且产生大角度晶界结构。对经过扭转5圈后的坯料进行测试发 [14]现，其拉应力达到1000MPa以上，超过了工业用铝合金。 图 2 Al-2024 合金 HPT 后的微观组织 (a)合金经扭转 0.5 圈 TEM 照片 (b) 合金经扭转 5 圈 TEM 照片 (2)使变形均匀，降低性能异向性 大量的研究表明，试样经过高压扭转后，不但试样中心 的组织细化，而且中心与半径方 向上其它位置的组织结构相似，即整个试样的组织结构比较均匀。 常规方法制备的Al6061-20 pct AlO金属基化合物晶粒分布很不均匀，有大量的晶粒簇 23 存在，尺寸大约在40µm以上(如图3a)。经过高压扭转后的微观组织有很大的改善(如图3b、 c、d)。当等效应变为1时，由于剪切应力的作用金属内部的晶粒簇被破碎、细化，组织趋于 均匀化(如图3b)。当等效应变为64时，晶粒分布更加均匀，但还有少数密集的晶粒存在(如 图3c)。当等效应变增加到512时，内部组织非常均匀，晶粒簇在剪切作用下几乎全部消失(如 图3d)。微观组织的变化表明，随着等效应变的增大金属内部的剪切作用也随之增加，组织 [15]更趋于均匀化。 Tamas Ungar,Levente Balogh 等人在室温下分别对纯 Cu 和 Cu-30%Zn 合金进行高压扭 转，测试其晶粒尺寸和微硬度。结果表明:纯 Cu 和 Cu-30%Zn 合金经高压扭转后，在径向 [16]上的晶粒尺寸和微硬度值基本相同，说明试样经高压扭转后内部组织变得很均匀。 (3)产生相变，提高性能 国内对高压扭转的研究比较晚，而且大部分是与镦粗相比较而进 行的研究，对高压扭转 过程中产生的相变和组织结构的变化研究的很少，国外对这方面已经有了初步的成果。 对 熔融非晶态CuZrTi合金进行高压扭转，促进纳米尺寸晶粒的形成，并嵌入非晶态 602020 基体中。用X射线衍射仪观察表明:在热处理过程中CuZr、CuZrTi相从非晶态基体中析 51142 [17] 出(先析出CuZr再析出CuZrTi)，但在室温下强烈的变形使合金只析出CuZrTi晶核。511422如果您需要更多资料可以到www.docin.com/week114进行免费查阅 如果您需要更多资料可以到www.docin.com/week114进行免费查阅 (,) (,) (;) (,) 图3 061-20 pct AlO金属基化合物的微观组织 Al623 (a)原始状态下 (b)经HPT(等效应变为1)后(c)经HPT(等效应变为64)后(d)经HPT(等效应变为512)后 Ti-45Al-4(Cr,Nb,Ta,B)合金在 900?、静水压力为 400MPa 条件下进行高压扭转，用透射 电镜观察其微观组织可以看到:在晶界和 TiAl(γ 相)基体相内部析出 TiAl 和 TiAl 相(如 23[18] 图 4)。 Co粉末经过高压扭转后其矫顽磁性明显增加，从16.0mT增加到23.6mT，这主要是因为 在高压扭转过程中同素异形相从面心立方(fcc)结构转变成密排六方(hcp)结构，而密排 [19]六方(hcp)相表现出很大的磁晶各向异性。 (a) (b) 图4 Ti-45Al-4(Cr,Nb,Ta,B)合金TEM微观组织图 2.2 高压扭转法的影响因素 高压扭转适用于生产轴对称件，最终零件的微观组织和力学性能主要由高径比、扭转角 速度、挤压速度、静水压力、摩擦系数、温度等工艺参数影响。 高压扭转过程中由于模具旋转和摩擦力的作用，导致工件受到强烈剪切作用，从而使得 [20]工件尽管产生大塑性变形而不破裂。据研究表明最大剪切应变值可以用下式计算: π r N2 γ = t 式中:t为工件的厚度，r为工件的半径，N为旋转圈数。从上式中可以看到，最大剪切应变 值与工件的厚度、工件的半径、旋转圈数有关。在一个实验中工件的厚度和半径是确定的， 所以最大剪切应变值由旋转圈数决定。图2表明扭转圈数不同所得到的工件内部显微组织结 构也不同。??当高径比一定时，用Deform软件模拟摩擦系数m=0.2、0.5、1，且扭转角速度a=0/s、4/s 、 如果您需要更多资料可以到www.docin.com/week114进行免费查阅 如果您需要更多资料可以到www.docin.com/week114进行免费查阅 ????6/s 、8/s 、10/s、12/s时的变形。其变形过程成形力分布如图5所示，图中―m2a8‖表示m=0.2、 ?a=8/s。从图中可以直观地反映出高压扭转法能降低成形力，且随着摩擦的增大，成形力降 低的越显著。可见，摩擦系数和转动速度是决定成形力降低程度的主要因素，摩擦越大，则 ?[21]用越显著。在m=1时，每增加1载荷降低约5%。 角速度的作 图5 成形力分布图 3. 目前存在的问题 大量的实验已经证明，高压扭转制备块体细晶材料是一种行之有效的方法。但是高压扭转法目前还存在如下一些问题: (1) 由于对高压扭转还缺乏相关的理论，所得块体细晶材料的均匀性依赖于工艺 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 、材料 的原始微观结构等诸多因素，难于控制; (2) 高压扭转法制备可进行力学性能测试的大尺寸样品仍非常困难，因此对高压扭转加工的 材料性能还不能充分了解，而且关于高压扭转法制备块体细晶材料的拉伸性能报道也较少; (3) 目前的技术还只能生产较小体积的细晶材料，还无法进行工业化的大规模生产; 4. 应用前景 尽管高压扭转法还存在着以上诸多问题，但其还是具有广阔的发展前景。国内外对它的 研究越来越多，而且越来越深入，因此所存在的技术和理论问题可望在不久的将来得到解决。 目前对亚微米、纳米结构材料的市场需求存在于各个行业领域，例如航空、交通、医疗 器械、体育用品、电子技术等，而高压扭转法是目前生产块体亚微米、纳米细晶材料的行之 有效的加工方法。对一些材料的高压扭转研究也取得了一定进展，可以相信在不久的将来， 高压扭转法将普遍应用于实际生产。这不仅能拓宽传统塑性加工技术的应用领域，而且有望 [22-25]大幅度提高传统材料的性能，将带来巨大的经济和社会效益。 5. 结束语 国内外对高压扭转法的研究还处于起步阶段，但已经证明了此法能有效的细化晶粒、提 高材料的力学性能。国内在这方面的研究还不是很多，为了在该领域不落后于国际科研步伐， 还需要努力开展以下工作: (1)对高压扭转的制备工艺(组织结构演变、工艺参数等)、细晶结构的均匀性和稳定性与性能 (强度、超塑性等)的关系展开深入、细致的理论研究，实现技术可操作化、成本低廉化; (2)开发新的适合于工业化、产业化生产的高压扭转工艺; (3)充分地研究、开发高压扭转法制备块体细晶材料的巨大优势，采用计算机模拟和高压扭 转相结合，模拟实验条件(如实验温度、扭转速度等)和实验过程，实现计算机优化 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 。 如果您需要更多资料可以到www.docin.com/week114进行免费查阅 如果您需要更多资料可以到www.docin.com/week114进行免费查阅 参考文献 [1]毕见强,康宁,王素梅.塑性变形法制备块体纳米材料[J].工艺研究，2002,6(2)43–45. 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Valiev, Yuri Estrin, Zenji Horita, Terence G. Langdon. Producing bulk ultrafine-grained materials by severe plastic deformation[J]. Nanostructured Materials, (2006) 33–39. Research status and future expectation on High—Pressure Torsion Xue Keming, Zhang Jun, Li Ping, Huang Keshuai School of Materials Science and Engineering, Hefei University Of Technology, Hefei (230009) Abstract The High—Pressure Torsion (HPT) is a special kind of plastic deformation technique which brings pressure to bear on the high direction of the transformed material and to put a torque on its cross section through active friction, and thus made the transformed material axial compressed and tangential shear transformed. The author of this paper makes a brief introduction to the contribution of HPT in enhancement of the mechanical performance and super-plasticity of materials and some interferential elements of HPT. It also analyzes some existing problems of HPT and a prospect of its future application. Keywords: Severe Plastic Deformation; High—Pressure Torsion; nanometer material 作者简介: 薛克敏，男，1963 年 11 月生，安徽蚌埠人，合肥工业大学材料科学与工程学院教授，博导; 张君，男，1983 年生，浙江嘉兴人，合肥工业大学材料科学与工程学院硕士研究生。 如果您需要更多资料可以到www.docin.com/week114进行免费查阅