椭圆截面螺旋等通道挤压剧烈塑性变形细晶化机理研究

A new severe plastic deformation (SPD) method named elliptical cross-section spiral equal-channel extrusion (ECSEE) is proposed. In order to prevent the embryo defective of deformation, to get the right back pressure, additional stress and the ideal SPD deformation stress state, to achieve reasonable sequence and proportion of normal deformation and shear deformation, and to meet the requirements of the mechanisms of deformation (strain) and rheology (strain rate) in the SPD refinement process, ECSEE technology integrates a set of circumferential torsion shear, axial extrusion and radial upsetting deformation, utilizes the conversion of round and ellipse cross-section, and effectively combines the shear and extrusion deformation. The ECSEE smooth turbulent generated by the simple shear after the critical strain, could rapidly blur initial grain boundaries, achieve saturation of strain hardening and rotation of grain boundaries, ultimately obtain the ultra-fine grain structure with high angle grain boundaries. The SPD refinement mechanism is closely related to dislocations and grain boundaries, and the abnormal relationship of strength-plasticity in materials is probably embroiled the saturated performance under the above-mentioned mechanism. Based on the combination characteristic of ECSEE technology, the SPD refinement mechanism of metal materials with different crystal structure and stacking fault energy is analyzed and investigated including the multiple-slip, cross-slip, and single-slip, twinning and kink and so on. The whole anticipate programs are believed to promote basic theory researche of preparation of ultrafine-grained/nano materials via SPD and the limit refinement quantitative mechanism for SPD technology.

提出一种集周向扭转剪切、轴向挤压和径向镦粗变形为一体的椭圆截面螺旋等通道挤压（ECSEE）剧烈塑性变形（SPD）新方法。利用ECSEE工艺特殊的圆和椭圆截面的变换，通过有效组合挤扭变形方式，防止变形缺陷的过早产生，获得合适的背压和付应力及理想的SPD变形应力状态，实现切变形与正变形的合理时序与比例，满足SPD细晶化过程中对形变（应变）和流变（应变速率）机制的要求。并利用临界应变后，简单剪切所产生的平稳湍流，迅速模糊初始晶粒边界，快速实现应变硬化饱和及晶界旋转，最终获得具有大角度晶界的超细晶结构。SPD细晶机制与位错及晶界行为密切相关，而材料强度、塑性等的反常变化也与上述机制下的性能饱和密切关联，结合ECSEE工艺，分析不同晶体结构与层错能材料的多滑移、交滑移、单滑移、孪生和扭折等SPD细晶化机理，对于推动超细晶/纳米材料的SPD法制备和极限细化定量机理的研究具有重要的理论意义和学术价值。

相比于传统成形加工技术，剧烈塑性变形（SPD）制备的超细晶金属材料具有良好的机械和物理性能。项目基于单一挤压加载模式的基础研究，实现扭转剪切变形与正向挤压变形的合理时序与比例组合，提出一种集周向扭转剪切、轴向挤压和径向镦粗变形为一体的连续椭圆截面渐变螺旋等通道挤压（ECSEE）方法。.相继开展了ECSEE组合式SPD方法研究：有效组合ECSEE挤、扭变形工艺，获得合适背压和付应力，达到较优的SPD变形应力状态；ECSEE组合式SPD工艺研究：合理组合SPD体积变形和形状变化，以及切变形与正变形的时序及比例，实现优化后的变形应变组合，满足SPD细晶对形变（应变）和流变（应变速率）的要求；SPD机理研究与微观组织分析：探讨不同层错能材料SPD组织、晶界特征和取向织构演变规律，分析不同晶体结构与层错能金属材料的多滑移、交滑移、单滑移、孪生和扭折等SPD细晶化机理；ECSEE组合式SPD工艺优化：探索SPD材料变形位错机制和晶界机制以及形变机理和流变机理之间关系，明确工艺路线—微观组织—材料性能间的宏微观关系，优化设计ECSEE模具结构。.为累积剧烈塑性应变，防止挤压过程中变形损伤等缺陷的过早产生，基于应变能密度，建立了含材料内秉特性和应力状态参数的损伤模型；基于模拟试验和解析解分析，建立了形变和流变多因素耦合作用的材料本构模型—二重多元回归本构；基于商用有限元软件，并对其二次开发，将解析解与有限元方法相结合，实现了ECSEE变形工艺模拟研究与模具型腔及工艺参数优选；结合试验研究发现，大塑性变形细晶机制由外部加载条件和材料内秉特性决定，针对研究材料，总结归纳的细晶机制可分为三类：机械式细晶、物理细晶和晶界演化细晶；基于构建的挤、压、扭组合变形方式于一体的ECSEE工艺，探讨了形变和流变对剧烈塑性变形的影响规律，以及正变形与切变形在金属材料剧烈塑性变形细晶化过程中的作用，最终实现了ECSEE简单剪切变形为主导的、平稳湍流旋转破碎晶界为特征的晶粒细化工艺。.为推动SPD技术制备超细晶（UFG）材料的商业应用，拓展了对UFG材料综合性能改善的研究，以力学性能和抗腐蚀性能为目标，不断修正配套热处理工艺，提高剧烈塑性变形材料强度、塑性和抗腐蚀性能的综合匹配。项目为大块超细/纳米晶材料SPD工程制备和学术研究提供了参考，具有一定的理论意义和学术价值。.