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，等通道彎角擠壓過程具有工藝簡單，生產(chǎn)成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)，

2、且該工藝能獲得無疏松孔洞的材料，有效避免了殘留孔隙對材料產(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。本文通過數(shù)值模擬分析與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法開展對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ECAP工藝進(jìn)行大量

3、數(shù)值模擬，通過分析模具幾何形狀以及工藝參數(shù)對擠壓過程的影響，獲得擠壓過程的變形機(jī)理與合適的工藝參數(shù)。針對單道次擠壓變形不均勻的問題，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ECAP擠壓過程具有重要影響。對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，在多道次擠壓過程中必須尋求較好的工藝路線。通過節(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：單道次ECAP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)不同工藝路線對應(yīng)位錯(cuò)密度及晶格缺陷也有較大變化。對各道次擠壓件橫截面硬度進(jìn)行測試表明，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。對各道次擠壓件橫截面硬度分布進(jìn)行測試表明，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，通過多彎角ECAP和連續(xù)ECAP過程三維數(shù)值模擬獲得了各工藝擠壓過程的變形規(guī)律。90°多拐角ECAP變形過于劇烈，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、對應(yīng)各工藝路線變形機(jī)理，對比分析可知，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程，在連續(xù)擠壓過程中必須選擇較大的模具拐角和模具圓心角來降低變形的劇烈程度。在連續(xù)擠壓過程中摩擦是一個(gè)十分復(fù)雜的因素，對材料變形具有促進(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過程中應(yīng)盡量降低摩擦。 通過有限元分析與實(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)化晶粒過程可以認(rèn)為是一個(gè)位錯(cuò)的產(chǎn)