定制的等通道角挤压（ECAP）模具主要通过严重的简单剪切变形来实现晶粒细化。该过程涉及将坯料强制通过两个以特定角度（通常为90度）相交的通道。当材料经过这个急剧的拐角时，它会经历强烈的内部剪切，同时严格保持其原始的横截面积。
通过保持坯料的形状，同时对其施加强烈的应力，ECAP允许累积加工，每次通过施加约1的等效冯·米塞斯应变。这种巨大的应变触发了内部微观结构的重组，这是将粗大晶粒转化为亚微米超细结构所必需的。
变形的几何形状
相交的通道
ECAP机制的核心在于模具的内部结构。模具具有两个横截面相等的通道，它们以精确的角度相交。
在像AlSi10Mg这样的合金的定制设置中，该相交角度通常设置为90度。这种急剧的几何过渡是材料转化的物理催化剂。
恒定的横截面积
与传统的挤压或轧制不同，ECAP工艺不会减小坯料的尺寸。材料的尺寸在出来时与其进入时完全相同。
这一特性至关重要，因为它允许坯料被重新插入并多次加工。这种能力使得在不破坏工件几何形状的情况下累积大量的塑性应变成为可能。
晶粒细化的力学
严重的简单剪切
当坯料通过相交的拐角时，它会受到严重的简单剪切。这是负责细化的基本机械力。
交叉点的材料沿着特定的平面被有力地剪切。这种机械作用在物理上和能量上分解了现有的微观结构。
高当量应变
模具的几何形状施加了极高的等效冯·米塞斯应变。在标准的90度模具中，单次通过的该值约为1。
这种应变水平远高于常规金属成型操作所能达到的水平。它提供了驱动合金深层显著微观结构变化所需的能量。
从应力到结构
位错增殖
对AlSi10Mg合金施加的强烈应变导致了大量的位错增殖。这些是金属晶格结构中的缺陷或不规则性。
这些位错不会导致失效，而是由于ECAP工艺的压缩性质而迅速累积。
晶胞壁的形成
随着位错密度的增加，它们不会保持混乱。它们开始在现有的粗大晶粒内组织成晶胞壁或亚晶界。
这种重组是材料适应由剪切变形引起的能量状态的方式。
分割成超细晶粒
最终，这些晶胞壁演变成高角度晶界。这有效地将原始粗大晶粒分割成更小的单元。
最终结果是均匀分布的亚微米超细晶粒。从粗大到细小结构的这种转变增强了合金的机械性能。
理解权衡
应变依赖性
该机制的有效性完全取决于应变水平。如果模具角度与最佳的90度显著偏离，则产生的冯·米塞斯应变可能会降低。
较低的应变水平可能无法产生完全晶粒分割所需的位错密度。
模具定制的复杂性
实现“定制”细化需要精确的通道工程。相交处必须精确，以确保整个坯料的均匀剪切。
模具通道中的任何不规则性都可能导致变形不均匀，从而产生异质晶粒结构，而不是期望的均匀超细晶粒。
为您的目标做出正确选择
为了有效利用ECAP处理AlSi10Mg或类似合金，请考虑您的具体加工目标：
- 如果您的主要重点是最大程度的晶粒细化：确保您的模具设计采用严格的90度通道相交，以最大化每次通过的冯·米塞斯应变。
- 如果您的主要重点是工艺可重复性：优先考虑通道尺寸的精度，以保持恒定的横截面，从而在没有几何失效的情况下进行多次通过。
最终，ECAP的强大之处在于它能够利用纯几何形状来强制内部微观结构的演变，而无需改变外部尺寸。
总结表：
| 特征 | 机制/影响 | 对AlSi10Mg的好处 |
|---|---|---|
| 变形类型 | 严重的简单剪切 | 分解粗大微观结构 |
| 通道几何形状 | 90度相交 | 最大化等效冯·米塞斯应变 |
| 横截面 | 恒定面积 | 允许多次通过以累积应变 |
| 微观结构变化 | 位错增殖 | 形成亚微米晶界 |
| 最终结果 | 超细晶粒（UFG） | 增强的机械强度和硬度 |
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参考文献
- Przemysław Snopiński, Ondřej Hilšer. Mechanism of Grain Refinement in 3D-Printed AlSi10Mg Alloy Subjected to Severe Plastic Deformation. DOI: 10.3390/ma17164098
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
