高负载液压实验机和专用模具如何在Ecap中实现材料强化？

高负载液压实验机和专用模具协同工作，在不改变材料横截面的情况下引起严重塑性变形。液压机提供精确的冲头速度控制和巨大的挤压力以克服摩擦，迫使合金通过具有锐角的专用模具（通常为90度）。这种几何约束使材料承受强烈的剪切应变，从而引起微观结构变化，显著提高屈服强度和硬度。

ECAP的核心机制在于将高吨位的机械力转化为内部剪切应力；这会触发高密度位错的累积，并将晶粒细化至超细水平，从而实现显著的加工硬化。

高负载液压机的作用

ECAP工艺在金属被强制通过狭窄通道时会产生极大的变形抗力和显著的摩擦力。

为了克服这一点，机器必须以工业级高负载运行。在某些应用中，力可达1680 kN，以维持高达1020 MPa的挤压力，确保样品成功通过通道。

仅有强大的力量是不够的；力的施加必须一致，以避免毛坯出现缺陷。

液压系统通过精确控制冲头的速度来产生连续稳定的挤压力。这种稳定性对于加工敏感材料（如选择性激光熔化（SLM）铝合金）而不引起断裂至关重要。

模具是将机械能引导到材料微观结构中的主要工具。

它通常具有一个具有90度交叉角的通道。当液压机将样品推过这个拐角时，材料被迫承受强烈的剪切应变。

与传统的轧制或拉拔不同，专用的ECAP模具设计用于保持毛坯的横截面尺寸不变。

这使得可以通过模具进行重复的传递以累积应变。模具的几何形状确保强化仅通过内部结构细化发生，而不是通过几何尺寸减薄。

冲头提供的强烈机械功和模具产生的剪切力会在材料内部引入高密度位错。

这些缺陷的累积是强化的初始阶段。机械能输入以缺陷的形式存储在材料晶格中，而不是以形状变化的形式。

随着工艺的继续，这些位错会演变并重组为新的晶界。

这会将材料从粗晶结构转变为纳米级或亚微米级超细晶粒组织。这种晶粒细化是加工合金中观察到的屈服强度和硬度增加的主要驱动因素。

使ECAP能够工作的物理原理也造成了其最大的挑战：极端的摩擦。

将固体毛坯强制通过一个锐角会产生巨大的阻力。如果液压机缺乏足够的吨位，工艺将停滞，或者机器可能无法维持必要的稳定压力。

更严格的模具角度（如90度）会产生更高的单次传递应变，但需要显著更高的力。

虽然90度模具对于快速强化是理想的，但与更缓和的角度（如135度）相比，它对工具和机器施加了更高的应力。设备必须能够承受所加工特定合金的峰值流动应力。

为了优化ECAP工艺以满足您的特定材料应用，请考虑以下几点：

ECAP中的真正材料转变仅在机器的功率完全克服模具的阻力，在原子层面细化微观结构时才会发生。

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Przemysław Snopiński, Michal Kotoul. Investigation of Microstructure and Mechanical Properties of SLM-Fabricated AlSi10Mg Alloy Post-Processed Using Equal Channel Angular Pressing (ECAP). DOI: 10.3390/ma15227940

本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .