等通道彎角擠壓（ECAP）變形機(jī)理數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、材料的內(nèi)在微觀結(jié)構(gòu)對(duì)外在宏觀特性具有重要影響，材料晶粒平均尺寸越小其屈服強(qiáng)度和硬度越高，因此尋求可有效細(xì)化晶粒的工藝對(duì)于開發(fā)力學(xué)性能優(yōu)越的材料具有重要的工業(yè)應(yīng)用前景。Segal等上世紀(jì)七十年代末期提出的等通道彎角擠壓(EqualChannelAngularPressing，ECAP)工藝可以將塊狀材料晶粒細(xì)化至1μm以下，獲得超細(xì)晶粒材料(包括亞微米和納米材料)。與其它制備工藝相比，等通道彎角擠壓過(guò)程具有工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)，

2、且該工藝能獲得無(wú)疏松孔洞的材料，有效避免了殘留孔隙對(duì)材料產(chǎn)生的不良影響。塊體超細(xì)晶粒材料具有大量與眾不同的特性，可做超高強(qiáng)度材料、智能金屬材料和超塑性材料等。 ECAP工藝細(xì)化機(jī)理在于累積足夠應(yīng)變使擠壓件達(dá)到晶粒細(xì)化，因此，獲得擠壓過(guò)程晶粒細(xì)化的演化機(jī)理具有十分重要的意義。本文通過(guò)數(shù)值模擬分析與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法開展對(duì)ECAP工藝的研究。采用商品化塑性成形有限元軟件CASFORM/PC和DEFORM-3D對(duì)ECAP工藝進(jìn)行大量

3、數(shù)值模擬，通過(guò)分析模具幾何形狀以及工藝參數(shù)對(duì)擠壓過(guò)程的影響，獲得擠壓過(guò)程的變形機(jī)理與合適的工藝參數(shù)。針對(duì)單道次擠壓變形不均勻的問(wèn)題，采用節(jié)點(diǎn)映射法實(shí)現(xiàn)ECAP工藝多道次擠壓有限元分析，獲得了不同工藝路線最終擠壓件變形均勻性規(guī)律。在數(shù)值模擬分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了ECAP實(shí)驗(yàn)?zāi)＞卟⒁?guī)劃了擠壓工藝方案，獲得了純鋁逐道次擠壓件，采用彩色光學(xué)顯微、電子透射和高分辨等分析手段獲得了擠壓件內(nèi)部微觀組織演化規(guī)律以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化特征。 本文討論

4、了經(jīng)典塑性力學(xué)求解ECAP變形問(wèn)題，給出了ECAP工藝的力學(xué)機(jī)理，分析了ECAP工藝的變形特點(diǎn)并給出了剛塑性/剛粘塑性有限元求解過(guò)程，規(guī)劃了采用CASFORM/PC與DEFORM-3D有限元模擬系統(tǒng)分析等圓形與等方形通道彎角擠壓工藝變形機(jī)理的方案。研究表明，模具幾何形狀和摩擦條件對(duì)ECAP擠壓過(guò)程具有重要影響。對(duì)于模具拐角和模具圓心角的取值范圍應(yīng)慎重考慮。在取得較合適的模具幾何形狀的前提下，應(yīng)盡量減小摩擦以利于擠壓件的擠出。單道次擠壓獲

5、得的擠壓件的變形分布沿?cái)D壓件中心橫截面豎直方向變形分布不均勻，在多道次擠壓過(guò)程中必須尋求較好的工藝路線。通過(guò)節(jié)點(diǎn)映射實(shí)現(xiàn)了各工藝路線的多道次擠壓，經(jīng)分析獲得了變形較為均勻的擠壓工藝路線。 在擠壓件變形微觀組織與力學(xué)性能方面：?jiǎn)蔚来蜤CAP工藝是一種不均勻的剪切變形行為，擠壓件變形后的片狀組織主要呈現(xiàn)低角度的晶界。對(duì)于多道次擠壓，雖然在不同擠壓工藝路線下擠壓道次相同，但光學(xué)微觀組織分布明顯表明不同擠壓工藝路線對(duì)擠壓件中晶粒的大小、

6、晶粒分布及均勻程度均具有重要影響。微觀組織分析表明退火初始試樣是由高角度晶界的大晶粒組成，隨著擠壓道次的增加晶粒微觀組織逐漸得到細(xì)化，不同工藝路線獲得的晶粒及其分布與晶界取向差別較大。高分辨表明在初始純鋁半個(gè)大晶粒邊界附近具有位錯(cuò)和孿晶缺陷，不同工藝路線八道次擠壓后獲得的高分辨研究表明，在試樣初始晶粒晶界產(chǎn)生較多的位錯(cuò)缺陷，同時(shí)不同工藝路線對(duì)應(yīng)位錯(cuò)密度及晶格缺陷也有較大變化。對(duì)各道次擠壓件橫截面硬度進(jìn)行測(cè)試表明，隨擠壓一、二道次硬度值上

7、升較快，隨后硬度略有上升，但不明顯。對(duì)各道次擠壓件橫截面硬度分布進(jìn)行測(cè)試表明，單道次擠壓硬度分布不均勻，其中按路線B和路線C擠壓后獲得的硬度分布均勻程度較好，這與有限元分析結(jié)果也基本符合。 研究和探索能夠使ECAP工藝最終走向產(chǎn)業(yè)化的新方法十分必要，通過(guò)多彎角ECAP和連續(xù)ECAP過(guò)程三維數(shù)值模擬獲得了各工藝擠壓過(guò)程的變形規(guī)律。90°多拐角ECAP變形過(guò)于劇烈，在實(shí)驗(yàn)研究中建議采用較大的模具拐角。分析了120°兩拐角ECAP工藝

8、對(duì)應(yīng)各工藝路線變形機(jī)理，對(duì)比分析可知，提高模具拐角可顯著降低擠壓載荷，因此采用較大的模具拐角有利于擠壓件的擠出。連續(xù)ECAP工藝是連續(xù)擠壓與ECAP變形交互影響的劇烈塑性變形過(guò)程，在連續(xù)擠壓過(guò)程中必須選擇較大的模具拐角和模具圓心角來(lái)降低變形的劇烈程度。在連續(xù)擠壓過(guò)程中摩擦是一個(gè)十分復(fù)雜的因素，對(duì)材料變形具有促進(jìn)和抑制作用，較低的摩擦容易產(chǎn)生擠壓閉塞現(xiàn)象，較高的摩擦導(dǎo)致進(jìn)料輪扭矩顯著增加，從整體考慮，連續(xù)擠壓容易導(dǎo)致較高的摩擦，因此，在連

9、續(xù)ECAP過(guò)程中應(yīng)盡量降低摩擦。 通過(guò)有限元分析與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，給出了材料在等通道彎角擠壓過(guò)程中的變形機(jī)理，可為優(yōu)化模具幾何形狀和工藝參數(shù)提供大量有效的結(jié)果和規(guī)律。獲得了多道次ECAP工藝不同擠壓工藝路線對(duì)應(yīng)擠壓件的累積等效應(yīng)變分布及變形均勻性規(guī)律，可對(duì)擠壓件晶粒均勻細(xì)化提供優(yōu)化的工藝路線與合適的擠壓次數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明擠壓過(guò)程中晶粒細(xì)化的演化規(guī)律基本與等效應(yīng)變累積規(guī)律具有一致性。劇烈塑性變形細(xì)化晶粒過(guò)程可以認(rèn)為是一個(gè)位錯(cuò)的產(chǎn)