其中有一种大塑性变形技术，高压扭转法（High-PressureTorsion，简称HPT）是在变形体高度方向施加压力的同时，通过主动摩擦作用在其横截面上施加扭矩，使变形体产生轴向压缩和切向剪切变形的塑性变形工艺[7]。以制备出块体纳米材料而备受国内外研究者的关注，近年来，针对HPT开展了大量的研究，并成功地制备出Al、Cu、Mg、Ni、Ti等多种致密金属及其合金的块体超细晶材料。如图1，显示了高压扭转的示意图。

图1-1几种高压扭转工艺

（a）非限定性型；（b，c）限定性型；（d）圆环型

大量的试验证明压头扭转1/2转后，试样的内部微观结构就已经发生了显著的变化。高压扭转法使试样在压头旋转产生的高压力、摩擦力和剪切力的共同作用下得到超细晶材料。按照应变量的计算公式，试样边缘部分应变量最大，而试样中心的应变量为零，所以加工后试样的边缘部分晶粒细小，中心晶粒依然不变。然而大量的研究表明，试样经过若干转的高压扭转后，不但试样中心的组织细化，而且中心与半径方向上其它位置的组织结构相似，即整个试样的组织结构比较均匀。显微硬度的测试结果也证实此方法制备的纳米组织结构是均匀的。高压扭转法加工得到的晶粒尺寸在众多SPD工艺中是比较小的。

1.2国内外高压扭转研究现状

1.3选题的目的和意义

通过不断的深入研究，科学工作者们发现高压扭转存在的一些问题。由于高压扭转特殊的模具结构使得能够进行高压扭转实验的材料尺寸受到很大的限制。常规的高压扭转实验将试样密封在模具结构中，对其施加压力并且加扭矩，让其发生扭转。由于要施加高压和扭矩，使得能够进行实验的试样尺寸较小。试样尺寸较大无法施加高压，对试验设备要求高，因此增大高压扭转试样的尺寸成为高压扭转的一大难题。这也是促进高压扭转产业化的一大难题。根据工程力学的扭矩知识，我们知道试样外表面的扭矩最大，内部几乎不受扭矩，因此当试样的外部区域受到很大的应变量时，试样内部所产生的应变量可能为零，这就是高压扭转的变形死区问题。而且，由于现代工业对于轻量化和高性能产品的需求，管状制品的研究受到广泛关注。利用大塑性变形连续地制备管材也成为研究热点。

为了克服这些难题，研究者们想出各种方法，不论是创新模具，还是优化各类参数，力图得到更加优秀的材料。本文利用数值模拟的方法，采用一种芯棒以一定速度扭转，凸模以一定速度向下运动，挤压坯料，得到最后材料的方法来探究管材的旋转挤压工艺。

1.4本课题主要研究内容

目前国内外对高压扭转的研究大多是通过对不同材料的小尺寸试样进行实验，然后对实验后试样的应力及应变进行分析，并通过电子显微镜观察高压扭转实验后试样的微观组织变化和晶粒形貌。实验中的工艺参数设置主要是凭借经验或者通过不断试验得到，针对新工艺，本文采用有限元模拟的方法对管材挤压成形过程进行模拟，并对变形后的试样的应力应变、凸模载荷和芯棒所受扭矩进行分析。通过单因素变量法，总结了在一定凸模下行速度，一定凸模运动距离等条件下，不同摩擦系数条件、不同芯棒旋转速度、不同的工作带长度以及不同的挤压比对于挤出管材的应力应变大小和分布和模具载荷的影响规律。本文的管材旋转挤压模具及坯料的原理设计图如图1-7所示，图中标示的Z方向就是有限元模拟中的Z方向，也是凸模的轴向。

图1-7管材旋转挤压模具及坯料的原理设计图

1-芯棒；2-凸模；3-凹模；4-坯料