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e c a p 制备的不同晶粒尺寸的纯铜性质研究 摘要 等通道转角挤压( e c a p ) 是一项能够制备超细晶材料的技术，能 通过使材料发生大的塑性变形，从而细化晶粒，改变材料的力学性能。 本文以t 2 工业纯铜为研究对象，从实验出发，对材料的屈服强度和 收缩率随等通道转角挤压道次的增加而变化的规律进行了较为深入 的研究。研究表明，材料的屈服强度会随着道次的增加而增长，而收 缩率会随着道次的增加而降低。这说明等通道转角挤压使得材料得到 了强化，但是塑性变形能力有所降低。研究还发现，通过不同温度的 热处理，材料的力学性质表现也有所不同。这是因为材料经过大的塑 性变形后，材料内部留下了残余应力，而热处理能够释放掉这些残余 应力。本文还运用大型有限元计算软件叫b a q u s 对等通道转角挤压 试验过程进行了模拟。建立了试验的数值模拟模型，并考虑了在不同 摩擦系数的条件下，试验荷载的变化。得到了等通道转角挤压试验时 试样与模具的摩擦系数的近似值，也了解了试样在实验过程的内力分 布情况。 关键词：等通道转角挤压：t 2 工业纯铜：力学性质： 数值模拟 i v t h em e c h a n i c a la n a l y s i so fp u r ec o p p e r p r e p a r e db ye c a pp r o c e s sw i t hd i f f e r e n tc r y s t a lg r a i ns i z e a b s t r a c t e q u a lc h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g ( e c a p ) i sap r e p a r a t i o nt e c h n o l o g y f o ru l t r a f i n e g r a i n e dm a t e r i a l ，i tc a nb r i n gl a r g ep l a s t i cd e f o r m a t i o nt o m a t e r i a l ，g r a i nr e f i n e m e n ti no r d e r t oc h a n g et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f m a t e r i a l s t h i sp a p e r ，h a v es t u d i e dt h ey i e l ds t r e n g t ha n ds h r i n k a g er a t e o ft 2p u r ec o p p e r s t u d i e sh a v es h o w nt h a tt h ey i e l ds t r e n g t ho fm a t e r i a l w i l li n c r e a s ew i t ht h ep a s s e sg r o w t h a n ds h r i n k a g er a t eo fm a t e r i a lw i l l f a l lw i t ht h ep a s s e sg r o w t h t h i ss h o w st h a te c a ph a sb e e nt os t r e n g t h e n t h em a t e r i a l ，b u ti tr e d u c et h ep l a s t i cd e f o r m a t i o nc a p a c i t y t h es t u d ya l s o f o u n d ，b yt h e h e a tt r e a t m e n tw i t hd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s ，m e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fm a t e r i a l sw i l lb ed i f f e r e n t o n er e a s o ni st h a t ，w h e nt h e m a t e r i a lg e tal a r g ep l a s t i cd e f o r m a t i o nt h e r ew i l lb es o m er e s i d u a ls t r e s s i ni n t e r n a l h o w e v e r , h e a tt r e a t m e n tc a nr e l e a s et h er e s i d u a ls t r e s s t h i s p a p e ru s et h el a r g e s c a l ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e - - a b a q u st o s i m u l a t i o nt h ee c a pt e s t ，a n de s t a b l i s ht h em o d e lo fe c a pt e s tw i t h d i f f e r e n tf r i c t i o nc o e f f i c i e n ti na b a q u s k e yw o r d s ：e q u a lc h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g ( e c a p ) ； t 2p u r ec o p p e r ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的 成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位 发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发 表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研 究工作提供过重要帮助的个人和集体，均己在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：巷吱私确 力哆，年多月工6 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 函口时发布 口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：毒文孑锄导师签名：弥秒臭毋月工g 日 广西大等啊炙士掌位锐吁e c a p 制备的不同晶粒尺寸的纯铜憎贾研究 第一章绪论 等通道转角挤压技术一e c a p ( e q u a lc h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g ) i l l ，能够 细化多晶材料的晶粒，甚至可以获得微米、亚微米材料，近些年来已经引起了众 多科学家的广泛关注。而我们由h a l l p e t c h 【2 】【3 1 函数关系，如果晶粒平均尺寸改 变，那么金属的力学性能也将相应的改变。所以各种材料的力学性能在经过等通 道转角挤压后会表现出不同的变化规律。近十几年来，对细晶、超细晶材料的研 究，已成为了科学界的研究热点。 当今社会，人类科技飞速发展，工业技术不断进步，同时我们消耗自然资源 的速度也越来越快。而且现在世界人口总数还在增长，人们对物质的需求也还在 增长。金属材料，作为人类现代科技发展的标识之一，无时无刻不体现着社会的 进步。从青铜时代、铁器时代，一直到现代科技文明，人们对自然界金属的研究 和探索促使了生产工具的不断更新，进而促使了生产力的不断发展。无论是在发 达国家还是在发展中国家，汽车、飞机、游艇、高楼大厦等等，人们的生活中很 多物品都离不开金属材料。而人们对金属材料的力学性质的要求也越来越高。如 何才能使得材料能够满足各种特定构件所需要的特殊的性能要求? 科学家对此 进行了很多的研究，通过研究发现，材料的制备工艺和过程对材料的微观组织结 构和性能具有很大的影响。 在众多的细晶材料制备工艺中，强烈塑性变形法有其独到的优势和特点。强 烈塑性变形法( s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n 一简称s p d ) ，是通过使材料产生强 烈的塑性变形，使得材料产生巨大的塑性应变，从而获得拥有超细晶粒的材料 【4 】【5 1 。强烈塑性变形法可以制备较大体积的试样，试样无残留缩孔且不易引入杂 质。目前流行的强烈塑性变形法包括：高压扭转法一h p t 【6 1 ；多次锻造纠f t 7 l ； 反复折皱一压直法一r c s 【8 】：通道转角挤压法一e c a p l l 】法等。 ( 1 ) 高压扭转籼p t 6 1 高压扭转是由前苏联学者于2 0 世纪5 0 年代末首先提出并进行实验、理论研 究，而后逐步应用于实际生产中的。2 0 世纪末，这种方法被v a l i e v l 9 1 等人改进并 g - 西大掌硕士学位论文e c a p 制鲁的不同晶釉u 弋寸的纯铜性质研究 用于研究材料大变形下的相变以及大的塑性变形后组织结构的变化。他们发现经 过高压下的严重扭转变形后，材料内部形成了大角度晶界的均匀纳米结构，材料 的性能也发生了质的变化。这成果使高压扭转成为制备块体纳米材料的种新 方法。 ( 2 ) 多次锻造纠f i 7 】 利用多次锻造的方法形成了大块柱体的微晶结构材料。多次锻造的过程中一 般伴随着重结晶的动力学，与h p t 、e c a p 法主要利用剪切变形获得微晶结构材料 不同的是，多次锻造的特点是通过施加变化轴向的应变载荷锻压材料。多次锻造 法已经被用来细化许多合金的微结构，如纯钛、钛合金。通常锻造温度较高和作 用载荷较低，利用m f 法能在脆性材料上获得微晶结构。 ( 3 ) 反复折皱一压直法一r c s t 8 j r c s 是一种以弯曲变形方式制备块体纳米结构金属材料的大塑性变形工艺，经 过多次弯曲变形，在不改变工件横截面几何形状的情况下，将晶粒尺寸细化到纳 米量级。r c s 变形过程有两个基本步骤： 折皱一工件在两个齿形模具的压力作用下发生弯曲变形，经严重的弯曲变 形，工件成为波纹状；压直一用两个平直的台板对波纹状工件进行压直处理，可 以重新获得与先前几何形状一致的工件。 多次重复上述两个步骤，就可以获得块体纳米结构金属。r c s n 备块体纳米 结构金属的优点是：纳米结构金属的界面无污染，无孔洞；块体纳米结构金属 的尺寸和形状不受限制；易于实现工业化生产。 ( 4 ) 通道转角挤压法一e c a p 法【1 】 二十世纪八十年代前苏联科学家s e g a lvm 【i 】等人为获得纯剪切应变首先提 出e c a p 方法。后来人们发现利用该方法可以使材料，获得大应变从而有效细化晶 粒。e c a p 法利用有两个相交的等径通道组成的挤压模具来使金属获得大的塑性剪 切变形，试样变形前后的形状和尺寸不发生改变，因而可以进行多次挤压变形， 逐次累积，直至获得所需的强烈塑性变形，以在材料内部形成纳米晶粒的超细组 织，是材料的物理性能和力学性能发生显著的变化。 2 厂西大学硕士掌位论文e c a p 制- t r 的不同晶御u 弋寸的纯铜性质研究 1 2e c a p 工艺原理 图卜1e c a p 模具通道示意图 f i g1 - 1c h a n n e li nt h em o l do f e c a p e c a p 的模具内有两个截面相等、以一定角度相交的通道，两通道的内交角 为，外接弧角为v 。先将试样放置在直道中，在压头的向下的压力作用下，试 样通过模具通道的转角进入弯道，期间试样的横截面面积和形状保持不变。在这 个过程中，试样发生了很大的塑性变形，而且试样的微观结构也发生了变化，晶 粒尺寸变小。由于试样的横截面形状和面积没有发生改变，故可以反复挤压，使 各次变形的应变量累积迭加而得到相当大的总应变量。多道次e c a p 挤压使试样产 生的理论累积应变i n 晰 1 w a h a s h i 1 0 1 等人推导的公式： 一隽 2 c o t ( 詈+ 争倒詈+ 专) 】 心t ， 来计算。式中，s 疗表示总的等效真应变，n 表示到次数。在多道次等通道转角反 复挤压过程中，认为晶粒细化的一般过程为1 1 1 】：首先，粗大晶粒受剪切作用， 晶粒内部位错运动增加，位错聚集，晶粒内部开始出现亚结构，位错堆积集中在 亚结构边界胞壁中；如果挤压继续进行，亚结构数目将不断增加，亚结构之间的 广西大掌硕士学位论文e c a p 制鲁彬t o i i t 晶粒尺寸的纯铜性质研究 取向差逐渐增加。亚结构的形状也会随晶粒形状变化，沿剪切作用方向拉伸；挤 压进步进行，晶粒位向差随剪切变形量的增加而增大，晶粒内部亚结构边界逐渐 演化成大角度晶界，晶粒被细化成细小的等轴晶。在e c a p 过程中，试样的挤压道 次、不同道次之间试样的位向是否改变以及如何改变角度等都是决定其最终微观 组织细化程度的重要因素。 1 3e c a p 对材料性能的影响 1 3 1 力学性能 材料在一定温度条件和外力作用下，抵抗变形和断裂的能力称为材料的力学 性能。工业生产中所用的材料的常规力学性能指标主要包括：强度、硬度、塑性 和韧性等。 ( 1 ) 强度强度是指金属材料在外力作用下对变形或断裂的抗力。强度指标 是设计中决定许用应力的重要依据，常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度，高 温下工作时，还要考虑蠕变极限和持久强度。 ( 2 ) 塑性塑性是指金属材料在断裂前发生塑性变形的能力。塑性指标包括： 伸长率，即试样拉断后的相对伸长量；断面收缩率，即试样拉断后，拉断处横截 面积的相对缩小量；冷弯( 角) ，即试件被弯曲到受拉面出现第一条裂纹时所测 得的角度。 ( 3 ) 韧性韧性是指金属材料抵抗冲击负荷的能力。韧性常用冲击功和冲击 韧性值表示。冲击功的值或冲击韧性的值除反映材料的抗冲击性能外，还对材料 的一些缺陷很敏感，能灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小 变化。而且冲击功对材料的脆性转化情况十分敏感，低温冲击试验能检验钢的冷 脆性。 ( 4 ) 硬度硬度是衡量材料软硬程度的一个性能指标。硬度试验的方法较多， 原理也不相同，测得的硬度值和含义也不完全一样。最常用的是静负荷压入法硬 度试验，即布氏硬度( h b ) 、洛氏硬度( h r a 、h r b 、h r c ) 、维氏硬度( h v ) ，其值 表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力。而肖氏硬度( h s ) 则属于回跳法硬度试 4 广西大萼硕士掌位论文e c a p 制鲁的不周晶粒尺寸的纯铜性质研究 验，其值代表金属弹性变形功的大小。因此，硬度不是一个单纯的物理量，而是 反映材料的弹性、塑性、强度和韧性等的一种综合性能指标。 h a ll p e t c h 细晶强化理论【2 】【3 】可知，减小材料内部的晶粒尺寸可以显著提高 材料的屈服强度。为此，近年来人们通过不同的制备和加工手段获得了超细晶和 纳米晶材料，从而大幅度地提高了材料的屈服强度。但是，在得到较高屈服强度 的同时，材料的塑性变形能力却有所下降，这使得细晶材料实际生活中的使用受 到了很大的制约。其塑性降低的根本原因在于这些材料中极易发生不稳定的塑性 变形，即剪切带变形，从而使其失去了有效的应变硬化能力而发生过早的断裂。 目前，人们认为当材料的晶粒尺寸减小到纳米尺度时，晶粒内部的位错萌生、运 动和存储受到强烈约束，晶粒中位错交互作用引起材料硬化的能力下降，而界面 协调的变形一如晶界滑移、晶粒旋转等方式将会更容易发生。 h a ll p e t c h 关系式【2 】【3 】： 仃s = g o + 岛d 叫化( 1 2 ) 式中仃，为屈服强度，仃。为位错运动所受的晶格摩擦力，d 为平均晶粒直径，岛为 细晶强化系数。 h a l l - p e r c h 关系式很好地说明了材料的屈服强度和晶粒大小的关系，当晶粒 细化程度很高时，细晶强化的效果非常显著。以普通低碳钢为例，在经过e c a p 变形4 道次后，材料的晶粒被细化到大约0 2 p m ，屈服强度、抗拉强度分别从 3 0 7 m p a 、4 5 0 m p a 提高至u 9 0 0 m p a 、9 4 0 m p a 1 引。即便是对于很难发生塑性变形的a z 3 1 镁合金，采用e c a p 的方法同样可以可以获得lp m 左右的晶粒大小，a z 2 1 在经过 3 0 0 、2 4 h 热处理后具有约5 0 的延伸率14 1 。e c a p l j 备的细晶材料的应力应变 曲线具有显著的特点，变形的初始阶段具有很高的应变强化率，可达到较高的屈 服强度。此外，经过e c a p 挤压后材料的疲劳寿命的提高是非常显著的。 1 3 2 材料的其他性能 通过e c a p 多道次后，材料的晶粒细化到亚微米级，其力学性能和物理性能都 发生显著变化。v a l i e v 等人【1 2 】f 艮多研究已经证实材料在发生了大剪切变形后晶 广西大荨颐士掌位说? 文e c a p 制备的不周晶粒尺寸的纯铜性质研究 粒中的原子排列呈现一定的非周期性，居里温度和磁饱和率会有所降低。e c a p 材料在大剪切变形后，晶界周围的原子的位置发生了改变。晶界处的晶格振动频 率也有所降低。 1 4e c a p 工业现状及前景 1 4 i 等径弯角变形工艺的主要应用领域 在科技发展日新月异的当今社会，在人们的日常生活中，各种工具对材料的 各项性能的要求也越来越高。e c a p 作为一种能够为社会带来很大客观效益的材料 加工工艺，如今也备受关注。当前关于等通道转角挤压技术的研究主要集中于以 下两个领域：即发展有关e c a e 的理论知识以及其数值模拟：和研究e c a e 材料的的 各种技术优势。 纳米金属材料是20 世纪80 年代中期研制成功的，后来相继问世的 有纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。纳 米级结构材料简称为纳米材料，是指其结构单元的尺寸介于1 纳米1 0 0 纳 米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相 干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长， 加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、 光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性 质。e c a p 技术可以细化多晶材料的晶粒，使得多晶材料的晶粒尺寸在原来 的基础上大大细化。在理论上，e c a p 技术是能够制备出纳米材料的。而现 在的工业技术虽然已经使得e c a p 技术能够制备出超细晶材料，但是真正的 要运用e c a p 技术制备出纳米材料还需要研究人员进行大量的实验研究。 超塑性是指材料在一定的内部( 组织) 条件( 如晶粒形状及尺寸、相变等) 和外 部( 环境) 条件下( 如温度、应变速率等) ，呈现出异常低的流变抗力、异常高的流 变性能( 例如大的延伸率) 的现象。目前，也有很多学者对运用e c a p 技术制备超塑 性材料进行了研究。 6 j 。目大学蠕页士掌位沦文e ：a p 制鲁的不同晶粒尺寸的纯铜性质研究 1 4 2 等通道弯角挤压过程有限元数值模拟研究 在二维数值模拟方面，s j 0 h 等人【5 】通过研究认为，模具转角形状是影响等 通道弯角挤压过程的最重要因素。b o w e n 1 6 】结合剪切理论与有限元方法分析了材 料的变形分布，认为如果变形区域尽可能窄，必须在低摩擦、稳定的挤压力和尖 模具拐角的条件下才能获得均匀的变形分布。n a k a s h i m a 1 7 】等人也对此研究做了 大量工作。哈尔滨工业大学的刘祖岩【1 8 - 2 0 ，研究了等通道弯角挤压过程的载荷变 化，实验的实测结果与有限元模拟计算结果吻合较好：天津理工学院的张建1 2 1 】通 过有限元对工业纯铝材料进行分析，研究了挤压过程的载荷和挤压件的应变分 布，并对不同摩擦条件下的挤压变形情况进行了分析。郝南海 2 2 】通过实验研究 发现主要塑性变形区仅位于模具通道拐点连线附近。在e c a p 三维数值模拟方面， 索涛【2 3 j 用有限元软件a b a q u s 研究了不同摩擦条件对变形过程的影响，得到不同 摩擦情况下挤压力与试样位移的关系。他根据材料在变形过程中与人e 1 通道及出 e 1 通道接触情况的不同，从而引起的摩擦试样与通道之间的摩擦情况的不同，将 e c a p 变形过程挤压力变化分为4 个阶段：上升阶段；下降阶段；稳定阶段； 变形结束前的下降阶段。另外，随着摩擦系数增大，挤压力成倍增大，与实 验结果基本吻合。近年来，随着等通道弯角挤压过程机理的广泛研究，尤其是随 着有限元技术分析挤压过程的不断深入【2 4 。3 3 1 ，研究范围不断扩大：研究涉及模具 几何形状对挤压件变形以及模具自身的影响，摩擦条件和下压速率等工艺参数对 挤压件变形的影响，以及设计s 型和u 型等模具型腔研究多道次挤压所产生效果 等。上述分析结果都给等通道弯角挤压设计提供了一定的参考，但是研究者尚未 对e c a p t 艺进行详细全面的数值模拟，总结各工艺参数对变形的影响规律，而且 缺乏在不同工艺路线下多道次挤压过程有限元分析与挤压件变形均匀性的研究。 综上所述，近年来通过等通道弯角挤压制备超细晶材料的巨大吸引力在于它 工艺简单，因而该工艺极具工业化前景，已经引起了科学界的高度重视。很多科 学家己经开始了有关机理的研究，但目前仍然处于典型的成形过程的机理研究阶 段。所以，进一步研究等通道弯角挤压工艺对于探索该工艺加工过程的工业化生 产具有十分重要的意义。 7 广西大掌硕士掌位试踅e c a p 制畚的不周晶粒尺寸的纯铜性质研究 1 5 本文内容 通过以上对e c a p 技术的介绍，我们不难发现e c a p 技术拥有广阔的发展前景。 但是，其实当我们将e c a p 技术运用到具体某种金属上时，有太多的因素会影响到 金属晶粒的细化，比如模具通道的转角、原材料本身的性质、热处理的影响等等。 本课题研究了e c a p 不同道次在不同热处理条件下的力学行为，具体主要内容 包括： ( 1 ) 采用由张克实教授和张静博士设计制造的模具，完成了制备l 至1 0 道次 e c a p 工业纯铜( t 2 ) 的工作。 ( 2 ) 对不同道次的材料进行了不同条件的热处理。 ( 3 ) 研究和比较不同道次、不同热处理条件的材料的力学性质，得出其变 化规律。 ( 4 ) 运用a b a q u s 有限元计算软件，对e c a p 实验过程进行数值模拟。 ( 5 ) 通过实际实验记录的数据曲线与数值模拟所得的数据曲线比较，对 e c a p 实验的摩擦系数进行讨论。 8 h 冲倒i 的a 湘 粗尺口r 的虼橱性质研兜 2 1 实验材料 第二章实验方法及实验过程 实验所用材料为直径为1 0 毫米的t 2 工业纯铜棒材，由佛山市华鸿铜管有限 公司提供。 硼 图2 - 1 原始试样 f i 9 2 - i n i t i a ls a m p l e 材料化学成分见表2 i ： 表2 1 初始材料化学成分表( 州) t a b l e2 ic h e m i c a lc o m p o s i t i o no f t h ei n i t i a ls a m p l ef 州、 尘塑! !里塑! !生兰丝兰塑些 型 9 93 l 0 0 0 3 900 0 io0 0 i700 0 1 9o _ 0 0 4 90 0 0 3 600 0 2 200 0 200 0 3 6 00 0 l 0 m 厂家给出的初始试样抗拉强度为2 7 5g m p a ，延伸半为1 2 j 。 为了得到人小均匀的初始组织并消除在机械j j u 工时在材料中留下的内应力， 先采s x 2 25 一1 0 型高温箱式电阻炉对材料进行退火处理。退火温度为8 7 3 k ，保 温一小时。 图2 + 2s x 2 2 5 - 10 型高温箱式电阻炉 f i g2 - 2 s x 2 25 】0 e l e c t r i c m m a c o g - 西大掣硕士掌位论文e c a p 制- g 的不同晶粒尺寸的纯铜性质研究 2 2 e c a p 试验过程 2 2 1 试验路线 初始材料 翻 刭 暮i 留 ， 可 d y 岛 等轴晶材料 丑 u u 题 捌 蚺 上 上上l上上上 上 上 上 蓑箍 羞 蓑 箍 蓑蓑蠡卷簧 剖删捌删捌捌删例删j 骂l i i i 耳 峭 甲 凸-凸-正q -正正正正正正 吨 吨吨吨吨吨吨 uu臼u - 3( juuuu l j l j l jl j 十 uuuul j tmt弋t t弋。弋。t 嘲 矧 鬏 倒 赠 匿 悻 不同道次不同温度热处理后的材料 嚣 娘 羁 】抒 醛 琊 趔 羞 籁 摇 型 朴 妖 分析 图2 - 3 实验与研究路线 f i g2 - 3a p p r o a c ho f t h er e s e a r c ha n de x p e r i m e n t l o e c p 甘a 渭u t 口曲嘲幢质确寞 2 2 2 试验模具与实验机 目番 一。一蔷谢 图2 - 4 试验模具 f i 9 2 - 4 t h e m o u l do f t h ee x p e r i m e n t 本实验采用的模具是由张克实教授和张静博士研究生共同设计并制造的。在 模具的设计中，挤压力是指导模具设计整个过程的重要因素，挤压力的计算是以 所选的材料及尺寸为依据的。本次试验选用工业纯铜作为挤压材料，在室温下进 行。常规e c a p 试样的横截面形状有矩形和圆形两种，当选择矩形截面，要实现反 复多道次挤压，则对模具的设计和制作过程的加工精度提出很高的要求。因为在 材料的变形过程中，很可能在模具拼合处形成金属飞边，从而导致下次挤压无法 正常进行，并且矩形的四个角很容易粘上金属或者使尺寸发生变化，使得下一道 次挤压无法顺利进行。因此选择圆形截面，有利于确保模具的加工精度，且能够 实现连续多道次的挤压。模具的结构应协调、均衡，具有一定的强度和足够的刚 性，刚性好、强度大，而且要满足挤压力的要求。同时，为了提高模具使用寿命 和保证试样表面质量，模具的制造精度应达到正负00 1 毫米，并选择合理的材料 和进行优化设计。 g - 宵大掌r 可士雌位怡支e c a p 4 t - 曲革一牲尺寸曲，嘲性詹研兜 2 2 3 挤压模具材料的要求和选择 挤压铜及铜合金晟常采用的模具钢有钼钢和钨钢等，根据挤压模具材料的要 求，综台e c a p 模具的受力和工作条件。本实验模具采用铬1 2 合金钢为材料模具 通道如f 图： r 1 l j 口 登 图2 - 5 试验模县的内部通道实物图 f i 9 2 - 5 c h a n n e lo f t h e m o u l d 模具通道直径为十毫米，内角为1 2 0 度。压头实物如下图 幽2 5 试验压头 f i 9 2 4 5d i e f a r t h ee x p e r i m e n t 模具通过8 颗高强螺栓合并。通过实验证明，通过这样的方式合并模具，实 验过程中材料的飞边情况在实验的允许范围内，起到了较为理想的效果。 ：驽 广西 学硪士掌位论文e c p 制的a 调，舶尺寸的吨钢隹目哺兜 图2 7 本次试验采用的捌始试样 f i 9 2 - 7 i n i t i a ls a m p l e o f m ee x p e r i m e n t 1 道次试样及其飞边情况 口s m p l e d o v e m o ws i m m l o n 图2 - 94 道次试样及其 f i 9 2 - 9 4d s p l e a n d 图2 - 108 道次试样厦其飞边情况圆2 1 l1 0 遣次试样度其飞边情况 f i g2 - 1 08 p 勰ss a m p l e 姐d o v e 用o w s i t l i a t i o n f i g2 - 1 11 0 p 鹊辨ss a m p l e 加do v e r f i o ws i m t l o n 翻帆一越誓疆i r i # 日女t * # r t q t a * l 部分e c a p 试验在长春科新试验仪器有限公司生产的微机控制电子万能试 验机上完成。 。2 。 囤2 12 微机控制电子万能试验机 h 9 2 - 1 2m i c r o c o m p u t e r c o m 叫e l n i c u n i v e 啪lt e s f i n g m a c h i n e 为了使得试样在模具中通过通道时稳定的产生一定量的塑性变形，也为了得 到可靠的试验过程中冲头挤压力数据，将冲头下压速度设置为每秒一毫米。得到 试验时间与冲头压力曲线如下： e i 日 图2 - 13 初始试样试验曲线 f i g2 - 1 3 1 1 m i n i t i ms a m p l e k nc u r v e 图2 1 4 二道次样试啥曲线 h 9 2 - 1 4 1p 鹞ss a m p l e t e n l e a p 曲j 调o t j 的 翻滠研究 3 2 2 未退火的不同道次材料断面收缩率分析 断面收缩率为材料的塑性指标之一。材料受拉力断裂时断面缩小，断面 缩小的面积与原面积之比值叫断面收缩率，以v 表示，单位为。用实验室 工具显微镜测量断面的尺寸数据。 工具显微镜 图3 - i3 工具显榭镜观测到的试样断口情况 f i g3 - 1 3 c r o s s - s e c t l o n w h i c h o b s e r v e d b y m i c r o s c o p e e c a p 制j r 的不同晶粒尺寸的纯譬i 性质研究 表3 - 2 各个道次材料收缩率情况 t a b l e3 - 2s h r i n k a g er a t ef o re a c hp a s s 道次 断面截面宽 断面截面长 斟f 回回积原横截面收缩率 ( f i l m 2 )面积( n 矾2 ) 11 1 7 61 7 8 72 1 0 1 5 1 21 4 3 5 5 88 5 3 6 21 31 6 42 1 3 21 4 2 4 4 38 5 0 3 3 1 3 3 1 1 6 8 2 2 3 6 0 81 4 1 9 5 48 4 2 4 41 3 9 21 9 6 82 7 3 9 4 5 61 4 1 68 0 6 5 51 5 1 61 9 5 0 2 9 5 6 2 1 4 3 5 1 4 7 9 4 0 61 4 8 21 8 2 0 2 6 9 7 2 41 4 3 1 5 78 1 1 5 71 3 7 91 9 6 92 7 1 5 2 5 11 4 5 2 78 1 3 0 81 5 9 91 9 4 63 1 11 6 5 41 3 1 5 3 57 6 3 4 91 3 3 3 1 9 9 62 6 6 0 6 6 81 3 0 0 7 47 9 5 4 1 02 31 63 6 81 4 3 27 4 3 0 8 5 3 6 12 8 5 0 3 2 6 8 4 2 4 7 9 8 13 0 8 9 婪8 1 1 5 8 9 七 ；8 0 6 5 3 6 7 95 4 5 7 9 4 0 13 7 63 4 3 5 7 4 3 0 1 7 02468 x 道次 图3 - 1 4 各个道次材料收缩率关系 f i g3 14 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns h r i n k a g er a t ea n dp a s s e s 通过上面的各个道次材料收缩率关系图表，我们可以发现材料的收缩率随 e c a p 道次增加而降低。 广西大掣瞻炙士掌位论文e ( ： p 制鲁的不同晶粒尺寸的纯铜性质研究 3 3 各个道次材料不同热处理条件下力学性质分析 3 3 1 各个道次材料经4 3 3 k 1 小时热处理后屈服强度分析 不同的热处理条件，对e c a p 材料的力学性质将产生很大的影响。继续在津 a g i s 试验机上完成经4 3 3 k - d , 时退火处理后的试样的单轴拉伸实验。得到试 样的真应力与塑性应变曲线如下： 0 0 00 0 1o 垃0 0 0 4oo0叮000040 0 50 0 1 00 1 20 1 40 侣0 1 8 pi删cm妇lhm 图3 - 1 5 一、二道次试样的应力应变曲线 f i g3 15 s t r e s s s t r a i nc t l l w e sf o r1a n d2p a s s e ss a m p l e e 三甄困 n 呻n o 2o o 0 0 膳o o 0 ， p i - t i 图3 - 1 6 三、四道次试样的应力应变曲线 f i g3 - 1 6 s t r e s s - s t r a i nc u r v e sf o r3a n d4p a s s e ss a m p l e o 0 0 1o0o “0 p i r 图3 1 7 五、六道次试样的应力应变曲线 f i g3 - 17 s t r e s s s t r a i nc u r v e sf o r5a n d6p a s s e ss a m p l e 2 9 广西大曹明炙士掌位论文 e c a p 制薯r 的不周晶粒尺寸的纯铜性质研究 0 o o 0 0 200040 螂c 炯h 图3 - 1 8 七、八道次试样的应力应变曲线 f i g3 - 18 s t r e s s s t r a i nc u r v e sf o r7a n d8p a s s e ss a m p l e 由以上的曲线图可以看出，试样在经过l 小时4 3 3 k 的热处理后，屈服强度 也会伴随着道次的增加而增加。但是与未退火的材料相比较，屈服强度的增加趋 势有所不同。 4 3 3 k 热处理一小时后材料屈服强度o 。： 表3 - 3 各个道次材料屈服强度表 t a b l e3 - 3y i e l ds t r e n g t hf o re a c hp a s s e ss a m p l e 道次 12345678 os 3 6 l3 7 23 8 53 8 23 7 13 9 63 9 04 0 3 4 1 0 4 0 0 链3 9 0 照 筐 嗵 3 8 0 ) - 3 7 0 3 6 0 2468 x 道次 图3 - 1 9 各个道次材料屈服强度关系 f i g3 - 1 9 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ny i e l ds t r e n g t ha n dp a s s e s 珊 轴 抽 瑚 o -耋-暑 目： p 翻的a 碾# 浞d r 的 桐隹j t 研究 3 3 2 各个道次材料经4 3 3 k 1 小时热处理后收缩率分析 采用与观测未退火材料的同样的手段，对经过4 3 3 k - - d 时热处理的材料单 轴拉伸试样断口进行观测，并记录其断口尺寸。 囤3 2 0 工具显微镜观测到的试样断口情况 f i g3 - 2 0c r o s s s e c t i o n w h i c h o b s e r v e d b y m i c r o s c o p e 表3 - 4 各个道次材料收缩率情况 道次断面截面宽 断面截面长断面面积原横截面 收缩率 ( t 商)面积( r 缸) 112 3 31 7 5 42l 叫5 1 21 43 5 5 88 4 9 3 21 3 8 317 5 52 】3 2 1 42 4 4 3 8 2 9 6 3l 6 4 l 7 8 8 22 3 6 0 81 4 1 9 5 47 93 4 4 1 6 2 820 9 62 7 3 9 4 5 61 4 】6 7 59 0 515 5 8 1 9 1 3 2 9 5 6 21 4 3 5 1 47 92 3 61 5 9 62 0 0 5 2 6 9 7 2 4 1 4 3 1 5 7 7 76 4 7 17 7 1 9 7 5 27 1 5 2 5 1 1 4 5 2 7 7 5 9 3 81 920 3 83 1 1 1 6 5 41 31 5 3 57 05 5 9 1 9 8 6 19 6 l2 5 6 0 6 6 8 1 30 0 7 47 00 5 1 0 1 8 9 922 5 836 81 4 3 2 7 00 5 广西大掌硕士掌位论文e ( ：a p 制鲁的不同晶捌u 弋寸的纯铜性质研究 0246 81 0 x 道次 图3 - 2 1 各个道次材料收缩率关系 f i g3 - 21 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns h r i n k a g er a t ea n dp a s s e s 3 3 3 各个道次材料经4 5 3 k 、4 7 3 k 热处理后力学性质分析 通过研究，发现在四道次后材料内部的微观结构随道次的增加而改变的程度 已经不大，而在八道次后，材料的微观结构改变而引起的材料强化已经接近饱和。 所以我们可以以e c a p 4 道次后的材料为研究对象，讨论其在经历了不同热处理条 件后所表现出来的的力学行为，以推断e c a p 4 道次后的材料在不同热处理条件下 的微观结构变化规律。 ( 1 ) 材料在4 5 3 k 一小时热处理后力学性质分析 材料经过4 5 3 k 一小时热处理后的真应力与塑性应变曲线如下： e = 亟丽国 0 0 0 0 0 0 位0 0 0 40 0 0 800 0 60 0 1 0o0 1 20 0 1 4 h 髓如讪 图3 - 2 2六道次试样的应力应变曲线 f i g3 - 2 2 s t r e s s - s t r a i nc u r v e sf o r6p a s s e ss a m p l e 3 2 3 6 4 3 4 3 0 6 5 9 9 3 2 与 胃 胃 5 d 4 2 9 9 7 5 5 0 0 8 8 7 7 7 7 7 7 7 恃姆娶卜 j r - 西大萼蜗页士掌位论文e c a p 制萱r 的不同晶粒尺寸的纯铜性质研究 0 0 0 0o o 陀0 0 0 40 6 0 0 0 8 0 们0 硼c 曩嘲 图3 - 2 3 七、八道次试样的应力应变曲线 f i g3 - 2 3 s t r e s s - s t r a i nc u r v e sf o r7a n d8p a s s e ss a m p l e 4 5 3 k 热处理一小时后六道次材料的屈服强度为3 6 4 m p a 、七道次材料的屈服 强度为4 0 9 m p a 、八道次材料的为4 11 m p a 。 通过工具显微镜的观测材料收缩率如下： 表3 - 5 六至八道次材料收缩率情况 t a b l e3 - 5s h r i n k a g er a t ef o r6p a s s e st o8 p a s s e s 道次断面截面宽断面截面长断面面积原横截面收缩率 ( m m 2 ) 面积( m m 2 ) 61 5 0 12 3 0 63 4 6 1 3 0 61 4 0 6 27 5 3 8 71 7 4 9 1 9 8 5 3 4 7 1 7 6 5 1 1 6 6 2 47 0 2 3 8 2 0 3 92 2 1 64 5 1 8 4 2 41 4 8 9 26 9 6 5 ( 2 ) 材料在4 7 3 k - d , 时热处理后力学性质分析 材料经过4 7 3 k 一小时热处理后的真应力与塑性应变曲线如下： e 三五园 0 0 0 1o 0 0 30 “0 0 5 0 0 0 7 c 洲n 图3 - 2 4 六道次试样的应力应变曲线 f i g3 - 2 4 s t r e s s s t r a i nc u r v e sf o r6p a s s e ss a m p l e j r - 西大学蠕炙士掌位论文 e c a p 制鲁的a u 嗣晶粒尺寸的纯铜性质研究 o o 越o o n o 0 1 00 1 2n 1 4o 60 t l l p 础d 嘲 图3 - 2 5 七、八道次试样的应力应变曲线 f i g3 - 2 5 s t r e s s - s t r a i nc u r v e sf o r7a n d8p a s s e ss a m p l e 4 5 3 k 热处理一小时后六道次材料的屈服强度为3 6 9 m p a 、七道次材料的屈服 强度为3 8 8 m p a 、八道次材料的为4 0 9 m p a 。 通过工具显微镜的观测材料收缩率如下： 表3 - 6 六至八道次材料收缩率情况 t a b l e3 - 6s h r i n k a g er a t ef o r6p a s s e st o8p a s s e s 道次断面截面宽断面截面长断面面积原横截面收缩率 ( m m 2 ) 面积( m m 2 ) 61 0 81 6 51 7 8 21 4 0 6 28 7 3 6 71 1 3