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1.2 SPD 简介
如何能够细化晶粒？20世纪90年代俄罗斯科学家R.Z.Valiev和他的同事在大量纯剪切大变形实验的基础上发展而来了SPD[1]，即剧烈塑性变形法（Severe Plastic Deformation，简称SPD），具有强烈的细化晶粒的能力，可直接将材料的内部组织细化到亚微米甚至纳米级别，甚至可以将晶体非晶化[2]. 它之所以引起了材料专家们越来越多的兴趣和关注，不仅仅是因为纳米材料本身所具有的独特的物理和力学性能，更重要的是SPD法与其他制备方法相比，具有许多独特的优点，比如：可以在不改变材料尺寸的前提下, 通过施加很大的剪切应力而引入高密度位错，能够将平均晶粒尺寸细化到1μm 以下[3]；适用范围广，可以制备大体积的试样，试样无残留缩孔，不易引入杂质等。
纳米组织应是主要含有大角度晶界颗粒型的超细晶组织，因此采用SPD 法制备大体积超细晶材料必须满足以下要求[4]：
1）能够在材料内部获得具有大角度晶界的超细晶结构。只有这样，材料的性能才能出现质的变化。
2）整个试样中的超细晶结构应该是均匀的，这是获得稳定性能的必要条件。
3）试样虽然经历了剧烈的塑性变形，但是试样不应有机械损伤或裂纹。
根据SPD技术需满足的三个条件，SPD得到了迅猛的发展。目前，SPD技术主要有等径角挤压（Equal Channel Angular Pressing，ECAP），高压扭转（High PressureTorsion，HPT）和累积轧制 (Accumulative Roll-Bonding，ARB) 、多向锻压法(multi-directional forging ,MDF)、反复褶皱压直法(repetitive corrugation and straightening, RCS)、反复模压变形法(constrained groove press, CGP)等方法[5]。下面具体介绍高压扭转和等径角挤压的操作方法。
1.2.1 高压扭转（HPT）
高压扭转变形法所用的装置最初是由Zhorin等[4]在著名的勃利日敏(Bridgeman)锻砧装置的基础上设计使用的。HPT工作原理如图1.1所示,其装置主要由模具和压头组成,其中下模是固定的,而压头是可转动的。圆盘状试样处于下模与压头之间并受到数个吉帕的压力，当压头转动时，表面摩擦力将使试样产生剪切变形，从而获得很大的塑性变形。在试样内部形成均匀的，具有大角度晶界的超细晶结构。
图1.1 HPT工艺示意图[6]
1.2.2 等径角挤压（ECAP）
ECAP原理图如图1.2所示，它采用的模具是两个具有相同形状和相等横截面的通道按一定角度相互交截而成，两个通道的内交角为 ，外接弧角为 。外加载荷的作用下，试样从模具的一端压入，另一端压出。理想条件下，变形是通过在两等截面通道的交截面（剪切平面）发生简单切变实现的。由于变形前后试样的横截面积不发生变化，因此，同一试样可以重复进行，以达到所需要的变形程度，使材料的组织和物理性能都发生显著变化，在材料内部形成亚微米甚至纳米晶粒结构。背压ECAP(BP-ECAP)即在模具出口通道施加背压的ECAP技术，可以有效地控制和改善材料的微观组织和机械性能。BP-ECAP为材料的塑性变形提供了静水压力环境，由于静水压力的作用阻碍裂纹的形成与长大，使是变形更加均匀，因此难加工材料即使在低的温度下挤压，也可以有效地细化晶粒而且试样表面不出现裂纹。
图1.2 ECAP工艺示意图[7]
1.3 微成形简介
微成形(microforming) 是指以塑性加工的方式生产至少在二文方向上尺寸处于亚毫米量级的零件或结构的工艺技术[8] 。它在现代工业生产中的实际应用主要源于电子工业的兴起,随着大规模集成电路制造技术和以计算机为代表的微电子工艺的发展,越来越多的电子元件、电器组件及计算机配件等相关零件开始采用这一工艺方法进行生产。随着制造领域中微型化趋势的不断发展,微型零件的需求量越来越大,特别是在微型机械和微型机电系统中。由于它大批量、高效率、高精度、低成本、无污染等优点, 赢得了国内外学者的青睐, 近10 年得到了迅速发展[9-10] 。
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