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为了达到细晶强化的效果需要得到细晶组织,而通过塑性变形的方式使材料晶粒细化是最简单和直接的办法。但传统的金属塑性加工方法,如扭转、锻造、挤压等,其塑性应变都较小,一般小于2.5(板带轧制压下率约为90%时)。如果扭转、挤压、拉拔的道次增加使其塑性应变达到2.5以上时,被加工材料的厚度和直径将变的很小,多数情况下不再适合用作结构零件[9],而较小的塑性应变量不足以使材料晶粒细化到足够小的程度,影响细晶强化的效果。根据实验研究,至少真应变达到4.0及以上才能够获得微米及亚微米晶粒[2],体现出较好的细晶强化效果,选择新的塑性加工工艺,使材料能够获得更大的塑性应变量,是细化晶粒的有效途径,SPD技术就是一种较好的解决方案。
1.2.1 SPD技术分类及其存在问题
SPD法有两种：等通道转角挤压(ECAE)和大扭转塑性应变法(SPTS)。最近几年,SPD技术得到了迅速的发展,出现了一些大塑性变形工艺：往复挤压(Reciprocating Extrusion,RE)、等通道转角挤压(Equal Channel AngularExtrusion,ECAE)、高压扭转变形(High Pressand Torsion,HPT)、叠轧(Accumulative RollBonding,ARB)、反复折皱一压直(RepetitiveCorrugation and Straightening,RCS)、搅拌摩擦加工(Friction Stir Processing,FSP)等。大量的研究表明,SPD法可有效地将多晶材料的晶粒尺寸细化至微米尺度以下。目前已开发的SPD工艺中有3种晶粒细化机制：形交诱导晶粒细化、热机械变形细化晶粒和形变组织再结晶导致晶粒化。块体超细晶粒材料由于具有大量与众不同的特性,可做超高强度材料和超塑性材料等,广泛应用于航空航天等领域。
大工业规模生产超细晶材料是全球金属工业追求的核心技术之一。用传统加工技术,例如轧制、锻造和挤压等方法产生大塑性形变来细化晶粒有很多问题,其中最基本的问题是在获得足以生成细晶(微米级)或超细晶(亚微米级)的大塑性形变后工件的尺寸至少在一个尺度上变得很小,从而限制了材料的实用价值。通过大塑性形变细化显微结构是生产超细晶金属结构材料的有效方法。到目前为止,在结构钢和低合金钢,铝、钛、铜、镍、镁金属及合金等诸多材料中利用大塑性形变已获得亚微米级超细晶显微结构,并有小规模成功应用于医疗器械和体育器材等领域的实例。为克服传统工艺施加大塑性形变的困难而开发的ECAE、ARB等方法在原则上可用于大规模工业化生产,但在工艺设计、生产成本和生产效率以及应用范围等方面还有很多问题,工业开发价值有限。
1.2.2 SPD加工过程中材料的组织转变特点
在SPD加工过程中,变形体中的晶粒和晶界都会参与变形。由于低温条件下晶粒内部较晶界更易变形,最初的形变主要发生在晶粒内部,随着变形的增加,晶界也会发生转动或滑动。块体材料在SPD加工过程中晶粒的细化机制及模拟、非平衡态晶界的形成、变形织构的空间分布及再结晶遗传行为是目前SPD技术的研究重点。这些研究不仅可以揭示SPD材料的组织与性能的关系,而且可以加深对SPD变形机制的认识,进而指导SPD工艺的改进与提高。
1.2.3 晶粒细化
细化晶粒不仅可以提高材料的强度,而且还可以改善塑性,一直是金属结构材料的研究热点。细化晶粒是改善材料性能的有效手段,传统的压力加工技术(如轧制、挤压、拉拔和锻造等)可以细化晶粒(微米量级)。纳米结构金属由于具有很小的晶粒尺寸(20---500nm)和独特的缺陷结构,从而表现出优异的物理、力学性能。
1.2.4 大角晶界
一般认为相邻晶粒的取向差大于150的晶界是大角晶界[10]。许多研究表明,SPD材料在塑性变形过程中其晶粒不断地侧倾和转动,逐渐形成大角晶界[11-12]。Rybin[13]认为经过大塑性变形后,形变诱导晶界的最大晶界取向差可以由公式δmax=A（ε-ε0）计算。式中：A和ε0。是实验测得的常数,ε为材料经历的塑性变形量,ε0可以视为由于塑性变形导致亚晶界的基本应变量。公式表明形变量越大,形变诱导晶界的取向差越大,纳米晶块体SPD材料中的大角晶界正是强烈塑性变形的结果。