液压实验室压力机如何促进铜材料的晶粒细化？掌握Ecap和Spd工艺

液压实验室压力机是诱导铜材料严重塑性变形（SPD）的主要驱动力。它提供精确、高强度的机械力，将铜样品通过一个具有精确角度通道的模具，例如一个弯曲135°的模具。

通过迫使铜通过一个角度通道而不改变其横截面尺寸，压力机将机械能转化为纯剪切应力。这种应力驱动晶体位错的累积，最终重组为新的晶界，从而实现超细晶粒强化。

晶粒细化的力学原理

液压压力机不仅仅是一个锤子；它是一种促进特定冶金转变的精密仪器，这种转变被称为等通道角挤压（ECAP）。

压力机驱动冲头将铜坯推入模具通道。当材料到达通道的拐角（入口和出口通道的交汇处）时，它无法简单地向前流动。

取而代之的是，压力机的力迫使材料在拐角处发生急剧剪切以改变方向。这会在材料的整体上诱导均匀的纯剪切应力。

这种强烈的剪切作用并不会立即破坏材料。相反，它会破坏内部的晶格结构。

随着压力机继续施加力，铜内部会发生大量的位错累积。这些是晶体结构中的缺陷或不规则之处，由于液压缸提供的变形能量而“堆积”起来。

该过程并非止于无序。在压力机促进的持续压力和应变下，这些累积的位错开始组织起来。

它们演变成新的、稳定的晶界屏障。这有效地将原始的粗大晶粒分割成更小的、超细晶粒，显著提高了铜的硬度和强度。

ECAP工艺带来了独特的物理挑战，需要液压压力机基于帕斯卡原理运行的特定特性。

将固体铜推过锐角会产生巨大的摩擦和变形阻力。

液压压力机利用密闭流体将微小的输入力放大为巨大的输出力（通常可达数百吨）。这提供了克服铜屈服强度和模具壁摩擦所需的高吨位冲压力。

晶粒细化需要稳定的变形状态。如果压力波动，结构变化可能不一致。

液压系统提供连续稳定的挤压压力。与机械冲击不同，液压驱动确保铜以受控的速度移动，防止在压力过快释放时可能发生的层状分离或结构间隙。

压力机促进的ECAP的一个独特特征是，坯料保持其原始的横截面尺寸。

由于压力机将材料推入相同尺寸的约束通道，铜在不变薄的情况下得到强化（与轧制或拉丝不同）。这使得样品可以重新插入压力机进行多次挤压，进一步细化晶粒。

虽然液压压力机实现了这一过程，但仍需考虑物理限制和风险。

将铜推过角度模具所需的巨大力会产生显著的摩擦。

这种摩擦会产生热量，如果不加以控制，可能会无意中导致晶粒生长（退火），从而抵消细化效果。适当的润滑和受控的压力机速度对于减轻这一点至关重要。

施加纯剪切应力有时会超过材料的延展性，导致断裂而非流动。

为了应对这种情况，先进的设置使用压力机施加背压（出口通道处的阻力）。这增加了静水压力，抑制了微裂纹，并确保铜在承受严重应变时保持完整。

在为铜的ECAP配置液压压力机时，您的具体目标应决定您的设置。

液压压力机最终充当桥梁，将原始的机械动力转化为精确的微观结构演变。

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Paula Cibely Alves Flausino, Paulo Roberto Cetlin. The Structural Refinement of Commercial‐Purity Copper Processed by Equal Channel Angular Pressing with Low Strain Amplitude. DOI: 10.1002/adem.202501058

本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .