Effects of equal-channel angular pressing and equal-channel multi-angular pressing on the microstructure and mechanical performance of aluminum strips

金属很少以其原始的铸造形式被使用。为了使它们足够坚固，足以用于飞机、汽车或建筑，工程师必须改变它们的内部结构。想象一下，一块金属是由许多微小的晶体或“晶粒”紧密堆积而成的。在一段柔软、未经处理的铝材中，这些晶粒相对较大且排列松散。为了使金属变得更硬、更强，科学家们使用了一种被称为“剧烈塑性变形”的技术。这涉及将金属挤压通过一个受限的空间，而不改变其整体形状，本质上是将内部的晶粒挤压成更小的碎片。晶粒越小，金属就越强，因为晶粒之间的边界充当了阻碍材料轻易弯曲或断裂的屏障。这一过程对于那些需要能够承受巨大压力的轻质材料的行业至关重要。

在最近的一项研究中，研究人员试图比较两种特定的这种“挤压”方法，以观察哪一种对铝条的效果更好。这两种方法被称为“等通道角压延”和“等通道多角压延”。两者都涉及将金属条推过一个具有交叉通道的模具（或模具）。区别在于设计：一种方法使用单个交点，而另一种方法使用两个交点。团队想要了解哪种设计能创造出最细腻、最均匀的晶粒结构，并产生最强的材料。他们选择了一种常见的、商业纯铝合金（常用于绝缘和通用制造），并对其进行了多达三次的处理，以观察金属随着每一次循环会发生怎样的变化。

研究人员首先使用通过在烤箱中加热而软化的铝条作为起始材料，这一步骤使得其内部晶粒变得大而均匀。然后，他们在室温下将这些铝条送入两种不同的压力机中。第一种压力机是单通道版本，它迫使金属通过一个锐利的弯曲。第二种压力机是多通道版本，它引导金属通过两个连续的弯曲。在每一次循环后，团队都在高倍显微镜下检查了金属，并测试了它在断裂前能承受多少力量。他们还测量了金属对划痕的抵抗力（即硬度），并在金属断裂后观察了其表面情况。

结果显示，两种方法都成功地将大晶粒分解成了更小的晶粒，但它们实现的方式和程度各不相同。单通道压力机被证明是一种更具侵略性的工具。经过三次循环后，它将晶粒范围从高达8微米降低到了仅为2.4微米的范围。这一过程创造了一种由极细晶粒和一些超细纳米级晶粒组成的混合结构。金属变得显著更强、更硬。其抗拉强度（即抵抗拉伸力的能力）增加了近94%，屈服强度（即抵抗永久弯曲的能力）上升了约21%。金属也变得更难触摸，其在压制方向上的硬度增加了63%以上。

多通道压力机也改善了金属，但变化没那么剧烈。虽然它确实细化了晶粒，但在三次循环后，最终的晶粒尺寸仍然较大，稳定在最高5.5微米的范围。金属确实变强了，其抗拉强度增加了约129%，屈로强度增加了约31%，但其硬化效果不如单通道方法那样强烈。金属在压制方向上的硬度增加了约54%，这虽然也很可观，但仍低于单通道的结果。研究人员观察到，多通道过程有时会导致某些区域出现结构略显粗大的现象，这可能是因为金属在通过两个弯曲时经历了不同的应力模式。

当团队观察金属是如何断裂时，他们发现了这些内部变化的明确证据。原始的软铝在断裂时表面会出现大而深的凹坑，这是其在断裂前容易拉伸和变形的迹象。随着金属经过加工，这些凹坑变得越来越小且越来越浅。这种转变表明金属变得更强，但也变得更缺乏柔韧性。经单通道处理后的金属表现出最显著的凹坑减小，证实了其内部结构受到了最剧烈的改变。团队指出，虽然金属变得更强，但也失去了一些拉伸能力，这是此类强化过程中的常见权衡。

研究结论认为，虽然这两种技术在细化铝条结构方面都是有效的，但单通道法在实现特定材料的最大硬度和强度方面表现更优。单通道压力机创造了更均匀、更细小的晶粒结构，从而导致了更显著的强化效果。多通道压力机虽然也有益处，但产生的结构略显粗大。这些发现为制造商提供了明确的指导：如果目标是使薄铝条尽可能强硬且坚固，那么单通道压延路线是更高效的选择。这项研究强调了工具的具体几何形状如何决定材料的最终质量，为定制满足严苛工业需求的金属提供了一种精确的方法。