图1  累积叠加（ARB）过程示意图[9]

以铝合金5038为例，由于再结晶会消除积累应力，因此操作过程中应严格控制加工温度低于再结晶温度。温度过低也会导致延展性和粘结强度不足。同时由于临界变形量会随着温度降低，存在一个极限温度值，超过该数值材料将不能良好的结合。如果轧辊的比温度低于0。5，一次轧制能实现的厚度减少将＞50%，这意味着材料能不经过再结晶就完成界面复合[12]。理论上如果轧制道次数无穷大，就能得到细度无限大的晶粒。举例说明，如果持续轧制七道次，那么厚度就减少为初始厚度的1/128，厚度能减少99。2%同时等效塑性应变是5。6；当轧制十道次时，最终厚度将减少99。9%而等效塑性应变为8。0，即通过ARB能方便得到超细晶材料[9]。

以铝合金6061为例，图2为未经处理的原始铝合金材料微观结构，图3为进行了不同道次累积叠轧后的铝合金微观结构图。

图2  未经处理的原始6061铝合金微观结构图[10]

当轧制至第三道次时，有明显晶界的细晶开始出现，随着轧制次数的增加，细晶所占比例逐渐增加；当第六道次轧制时，试样平均晶粒直径尺寸约为500纳米；第八道次轧制时，试样平均晶粒直径达到310纳米。轧制次数越多，细晶的尺寸和长宽比越小。当第八道次轧制结束后，试样的强度能达到363MPa——是原始合金的三倍。另一方面，在第一道次轧制后材料延伸率急剧减小，之后每一道次轧制都有轻微减少[10]。在多次轧制过程后，合金层之间的复合界面由于剪切带变形会形成波浪状颈缩[13]。

图3 累积叠轧后铝合金微观组织图，其中(a)为一道次，(b)为三道次，(c)为五道次，(d)为八道次[10]

ARB存在以下一些优点：保证足够大应变量下，通过ARB方法所得到的复合界面会结合得更良好 [9]；仅使用常规的轧制设备并且能生产大型板状材料[11]等。但同时ARB方法也存在一些缺点：处理过后材料的延展性变得非常低，当轧制次数过多时材料会有产生边缘裂缝和中心裂缝的倾向，虽然退火能增加延展性但它也会降低材料强度[10]。ARB实验多采用两种材料复合，但也可以采用两种以上材料复合实验[3]。

1。2。2  高压管扭转（High-Pressure tube twisting，HPTT）

To th等人[14]在HPT的基础上又提出了HPTT的方法，在HPTT中材料壁厚内仍然存在应变梯度。

以铝管为例，实验原理装备见图4。HPTT实验要在室温1GPa准静水压力条件下进行。试样被放于芯轴上，然后再套上一层额外的芯轴。在轴向施加一个很大的静水压力确保试样被完全约束住。在测试的第一步——轴向压缩——材料流入在内外芯轴间留出的间隙，在扭转外芯轴时试样要获得足够的摩擦力需要一定的内应力，这些细薄的边缘层对于产生这种内应力很重要。这同Ref提出的方法[14]根本上的不同在于，此种方法直接将轴向力作用于试样上端与下端，因此能减少达到相同内应力状态所需的轴向力[14]。

图4 HPTT原理设备图[14]

试样取自内外径分别为18和20毫米、高度为8毫米的A1050铝合金管材，与模具紧密配合。在测试之前，需要将试样在400℃下加热20分钟后水冷以获得大量均匀散布的平均尺寸约为24微米的等轴晶，晶粒结构见图5[15]。

图5处理之后的试样材料晶体结构[15]论文网

HPTT最有趣的特性在于通过简单的一个操作就能提供很大的应变量，虽然在试样长度上有限制，但经过变形后的管状样品尺寸较大，便于观察试样内部显微组织和织构，同时利于进行相关的力学性能测试。纯铝经过HPTT后得到的典型应力—应变曲线见图6。图6的应力—应变中卸载了三次（因为设备的极限扭转度数为60°），必须强调在HPTT测试中测到的扭矩是被逐渐增加的突起所影响的。突起在轴向逐渐扩展，并且增加了样品与外芯轴之间的表面联系，在扭转过程中毫米量级的突起一直在增长，这是测得的扭矩比不含突起的塑性变形试样所要求的要高的原因。HPTT期间的轴向力对于材料的塑性流动并无贡献，塑性流动只与所施加的应力的剪切分量有关[15]。