高强度挤压模具是诱导严重塑性变形的主要物理催化剂。通过将坯料挤压通过精确的 90 度通道交叉口，模具在拐角处对材料施加强烈的剪切力，同时不改变其横截面尺寸。这种特定的几何形状是驱动从粗大微观结构向高性能、超细状态转变的关键硬件变量。
90 度模具几何形状是产生强大累积塑性应变的关键硬件条件。它有效地将机械压力转化为微观结构细化，将粗大晶粒减小到纳米或亚微米级别，从而极大地提高材料强度。
剪切变形的力学原理
通道交叉口的作用
模具内的 90 度角度并非随意设置；它代表了经过计算的几何约束。
当材料通过这个尖锐的拐角时，它无法简单地流动；它必须发生剪切。这迫使材料经历强烈的剪切变形，这是 ECAP 工艺的基本机制。
产生累积塑性应变
模具设计允许重复通过，通常使用扭曲的出口设计来重新定向坯料。
由于横截面保持不变（“等通道”），材料可以被多次加工。这会产生强大的累积塑性应变，叠加变形效果，以实现单道次挤压无法达到的效果。
材料转变和优势
从粗大结构到纳米结构
主要参考资料强调了该模具对 AA5083 等合金的特定影响。
90 度角度施加的剪切力会破坏金属的内部结构。这个过程将材料从标准的粗晶粒结构转变为纳米或亚微米超细晶粒组织。
高密度位错累积
除了晶粒尺寸减小外，模具的几何形状还会引发机械加工硬化。
强烈的应变会在晶格内引入高密度位错累积。这是提高屈服强度和硬度的主要驱动因素，尤其是在选择性激光熔化 (SLM) 铝合金中。
粘合异质材料
在复杂应用中，例如加工铜铝 (Cu-Al) 坯料，模具起着统一的作用。
强烈的剪切变形会破坏表面氧化膜。这使得不同金属之间能够实现机械互锁和冶金结合，将独立的部件转变为粘合的复合材料。
理解权衡
极端压力要求
90 度角度产生了巨大的流动阻力。
为了克服这一点，该工艺需要高吨位液压机，能够提供连续稳定的压力（高达 1020 MPa）。模具必须由高强度工具钢制成，以承受这些力而不会自身变形。
摩擦和样品取出
通道壁和 90 度拐角处产生的摩擦力很大。
这可能导致表面损坏或难以取出样品。因此，分体式模具设计通常是必不可少的，它允许拆卸工具，以便于样品取出和通道维护。
为您的目标做出正确选择
为了最大限度地提高 ECAP 工艺的功效，请根据您的具体材料目标调整模具配置：
- 如果您的主要重点是最大化晶粒细化：确保您的模具保持严格的 90 度交叉口角度，以最大化每道次的剪切应变，这对于在 AA5083 等合金中实现亚微米结构至关重要。
- 如果您的主要重点是工艺寿命和效率：采用分体式模具设计，以减轻高摩擦的风险，从而更容易弹出样品并减少内部通道的磨损。
90 度挤压模具不仅仅是金属的容器；它是一种精密仪器，决定了加工材料的最终机械性能。
总结表：
| 特征 | 机械影响 | 材料结果 |
|---|---|---|
| 90 度角度 | 强制进行强烈的剪切变形 | 将粗大晶粒转变为亚微米级别 |
| 等通道横截面 | 允许重复加工 | 产生强大的累积塑性应变 |
| 几何约束 | 引发高密度位错 | 极大地提高屈服强度和硬度 |
| 高压环境 | 破坏表面氧化膜 | 实现异质材料的粘合 |
| 分体式模具设计 | 减轻高摩擦和磨损 | 简化样品取出和工具维护 |
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参考文献
- Nagendra Singh, Manoj Kumar Agrawal. Effect of ECAP process on deformability, microstructure and conductivity of AA5083 under thermal effect. DOI: 10.1051/matecconf/202439201028
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
