【摘 要】
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剧烈塑性变形后样品的晶粒尺寸和力学性能与塑性变形程度以及均匀性密切相关。不均匀变形往往将对材料性能甚至对应用产生不利影响,因此塑性变形过程中应变场的分布对于超细晶材料的制备及其力学性能至关重要。由摩擦力驱动的剧烈塑性变形方法如高压扭转（High pressure torsion,HPT）以及周向高压剪切变形（tube-High Pressure Shearing,t-HPS）,造成变形不均匀现象的
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剧烈塑性变形后样品的晶粒尺寸和力学性能与塑性变形程度以及均匀性密切相关。不均匀变形往往将对材料性能甚至对应用产生不利影响,因此塑性变形过程中应变场的分布对于超细晶材料的制备及其力学性能至关重要。由摩擦力驱动的剧烈塑性变形方法如高压扭转（High pressure torsion,HPT）以及周向高压剪切变形（tube-High Pressure Shearing,t-HPS）,造成变形不均匀现象的原因主要有三点:（1）由应变解析解描述的应变梯度,但这也是这类变形的一大特点,以此可以制备梯度结构材料;（2）变形过程中局部打滑造成的变形局部不均匀;（3）由模具结构特点以及参数造成的局部变形不均匀。由于后两点将造成变形的局部不均匀,将严重影响变形后材料的组织以及性能,因此在变形过程中需要尽量减少或避免。控制t-HPS变形过程中局部打滑问题以及了解模具结构对变形不均匀性的影响对于优化t-HPS变形参数非常重要。针对以上问题本文将通过有限元数值模拟结合部分实验验证的方法对可能影响tHPS变形不均匀性的各重要因素进行研究。本文以5N高纯铝（99.999%）为研究对象,利用Marc研究加压阶段不同因素对样品管壁接触正应力分布的影响,以减少样品管壁接触正应力轴向分布不均匀造成的局部打滑问题;利用DEFORM研究不同因素对变形阶段应变分布的影响,以减小变形过程中局部变形不均匀性,同时尽量减少材料损失。并采用5N铝t-HPS实验验证部分模拟结果。获得的主要结论如下:（1）通过对t-HPS加压阶段的有限元分析发现:组合加压方案中样品管壁接触正应力沿轴向分布相较端部以及劈尖加压方案更均匀,有利于控制变形过程中的局部打滑。（2）通过对t-HPS变形阶段的有限元分析发现:由于模具两端面摩擦效应不可避免,造成样品轴向应变分布不均匀。预测样品两端均有“变形死区”形成,并通过变形死区轴向占比定性描述样品轴向变形的不均匀性。高纯铝t-HPS实验证明晶粒尺寸分布与模拟应变场具有很好的对应关系,并且在样品中观察到与模拟结果吻合的变形死区。（3）劈尖加压方案中通过相关参数的调节不能消除样品管壁接触正应力轴向梯度,难以控制变形中的局部打滑。变形过程中半锥角的改变对应变分布影响不大。端面特征尺寸减小有利于轴向变形不均匀性降低,但过小的端面特征尺寸可能导致样品过度减薄。（4）组合加压方案中半锥角减小,样品管壁接触正应力轴向均匀性增加,有利于缓解局部打滑问题,但样品高度随之降低将导致变形死区轴向占比增加,从而增加轴向变形不均匀性,材料损失也随之增加,本文条件下2.5°～10°的半锥角在增加轴向变形的均匀性的同时减少材料损失。端面特征尺寸增加,样品管壁接触正应力轴向均匀性增加有利于缓解样品局部打滑,但两端变形死区也会增大,因此在保持样品管壁接触正应力轴向均匀性的前提下适当减小端面特征尺寸有利于轴向变形的均匀性。（5）理论解析解以及有限元结果描述t-HPS的径向应变梯度均与材料本构模型有关。t-HPS的这一特征与其他SPD方法有着本质的区别,如HPT中虽然应变硬化指数对实际应变分布有明显的影响,但其应变解析解与本构模型无关。这使得t-HPS的解析解对其变形行为的描述比其他SPD方法更具可预测性,通过实验与理论方法之间的耦合,使其在理解变形物理学的基础方面处于有利位置。
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