（固体力学专业论文）多道次等径道弯曲挤压纯铜的循环硬化与软化研究.pdf

i i l l l t 1 l l l l l t t t t l l l l l l l l l h i m i i l l l u l y 17 3 8 8 4 9 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。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，均已在论文中明确说 明并致谢。 论文作者躲嘶灰收 跏年多月，r 口日 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： 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； 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： 南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) 论文作者繇许搬 导师签名：2 护fl ) 年6 月，o 日 孙歧 多道次等径道弯曲挤压纯铜的循环硬化与软化研究 摘要 本文以纯铜为主要研究对象，通过试验研究了不同挤压道次、不同退 火温度、退火处理后不同冷却方式下试样的单轴拉伸力学性能和循环拉压 力学性能，并对以上几个因素对经e c a p 挤压后材料力学性能的影响进行了 试验分析。得到如下结论： 1 在挤压道次和退火后冷却方式相同的情况下，不退火处理、2 0 0 或2 5 0 退火处理对经e c a p 挤压纯铜的单轴拉伸应力应变曲线影响不大，不 退火处理后材料的曲线略高一点；挤压后材料退火处理炉冷的应力应变 曲线比空冷的略低。 2 挤压1 道次材料的应力应变曲线明显高于o 道次的应力应变曲线，4 道 次和8 道次挤压材料的应力应变曲线差别不大，且比1 道次提高不很明 显。该种工艺可以显著提高材料的屈服应力，在工程应用中可充分发挥 材料的潜力。 3 未经过e c a p 挤压的试样在拉压循环试验下应变幅低于o 6 都呈现循环 硬化现象( 应变幅达到o 6 后有可能出现循环软化现象) ，挤压后的试 样在应变幅为o 3 以上的循环拉压试验中都出现了循环软化现象。在循 环载荷条件下使用该种材料，需要考虑载荷工况下的应变幅值，并充分 考虑经该种工艺处理材料的循环软化特征。 4 多试样法和单试样法得到的循环滞后回线在形状上相似，应力应变相差 不大。 5 在挤压道次和退火后冷却方式相同的情况下，不退火处理比2 0 0 和2 5 0 处理过的循环应力应变曲线略高；而退火处理后炉冷、空冷处理对 e c a p 挤压后材料在循环载荷下的循环应力应变曲线影响很小。 6 e c a p 挤压产生的对结构内部细观影响机制很复杂，应变硬化和晶粒细化 都可能存在，不能肯定挤压后材料晶粒出现明显的细化现象。 关键词：等径道转角挤压纯铜退火温度挤压道次炉冷空冷循环 硬化循环软化 r e s e a r c ho n c y c l eh a r d e n i n g s o f t e n i n g o fp u r ec o p p e ra f t e rm u i r i p a s so fe c a p a b s t r a c t t h i st h e s i sm a i n l yf o c u so nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fu n i a x i a lt e n s i o n a n dc y c l i ct e n s i o n c o m p r e s s i o nf o rap u r ec o p p e ra f t e rh a v i n gb e e ne x t r u d e db y e c a ps e v e r a lp a s s e s ，a n n e a l e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dc o o l e di nd i f f e r e n t w a y s t h ei n f l u e n c eo fa b o v et r e a t i n gm o d eo nt h ec y c l i n gp r o p e r t i e so ft h e m a t e r i a li sa n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t st h ef o l l o w i n g c o n c l u s i o n sc a nb eo b t a i n e d 1 t h ei n f l u e n c eo fa n n e a l i n gm o d e ( a i r - c o o l e do rf u r n a c e - c o o l e da f t e rh e a t i n g t o2 0 0 co r2 5 0 c ，o rw i t h o u ta n n e a l i n g ) o nt h eu n i a x i a lt e n s i l es t r e s s s t r a i n c u r v e si sn o t v e r yl a r g ef o rt h ec o p p e ra f t e re c a p b u t t h es t r e s s s t r a i nc u r v e f o rt h em a t e r i a la f t e re c a pb yf u m a c e c o o l e da f t e ra n n e a l i n gi so b s e r v e d s l i g h t l yl o w e rt h a nt h a tb ya i r - c o o l e d 2 t h es t r e s s s t a i nc u r v eo ft h em a t e r i a la f t e ro n ep a s se c a pi so b v i o u s l y h i g h e rt h a nt h a to ft h em a t e r i a lw i t h o u te c a p t h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h e s t r e s s - s t a i nc u r v e so ft h em a t e r i a la f t e rf o u rp a s s e sa n de i g h tp a s s e se c a pi s v e r ys m a l l m e a n w h i l et h e ya r e n o to b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h a to ft h e m a t e r i a la f t e ro n ep a s se c a p 3 t h es a m p l ew i t h o u te c a pa l w a y sp r e s e n tc y c l i ch a r d e n i n gw h e ni ti st e s t e d b yc y c l i ct e n s i o n c o m p r e s s i o nu n d e r t h ec o n d i t i o nt h a tt h es t r a i na m p l i t u d e i sl e s st h a no 6 ( s o f t e n i n gm a yc o m eo u tw h e nt h es t r a i na m p l i t u d ei s l a r g e rt h a no 6 ) w h i l et h es a m p l ea f t e re c a pa l w a y sp r e s e n tc y c l i c s o f t e n i n gi nc y c l i ct e n s i o n c o m p r e s s i o nt e s t i n gw h e nt h es t r a i na m p l i t u d e r e a c h e su po 3 4 t h eh y s t e r e t i cc u r v eb ys i n g l es p e c i m e nt e s ti sv e r ys i m i l a ri ns h a p ew i t h t h a tb yt e s t i n go fm u l t i p l es p e c i m e n s t h ed i f f e r e n c eo ft h e i r r e s u l t si ss m a l l 5 t h ec y c l i cs t r e s s s t r a i nc u r v eo ft h es a m p l ew i t h o u th e a tt r e a t m e n ta le s l i g h t l yh i g h e rt h a nt h a t o ft h es a m p l ew i t h2 0 0 。co r2 5 0 h e a t i n g t r e a t m e n tu n d e rt h es a m ee l s ec o n d i t i o n s m i l et h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e c u r v e sf r o mt h es a m p l e sb ya i r - c o o l e da n db yf u r n a c e c o o l e da f t e ra n n e a l i n g i ss m a l l 6 t h ee f f e c t sc a u s e d b y e c a pa r e v e r yc o m p l i c a t e d ，m a y b o t h s t r a i n - h a r d e n i n ga n dg r a i nr e f i n i n ge x i s t a c c o r d i n gt oo u re x p e r i m e n t ，i tc a n n o tb ec o n f i r m e dt h eo b v i o u s l yg r a i nr e f i n e m e n ti nt h em a t e r i a la f t e re c a p 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 ) ；c o p p e r ；a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e ；p r e s s i n gp a s s ；f u r n a c e c o o l e d ；a i r - c o o l e d ；c y c l eh a r d e n i n g ； c y c l i cs o f t e n i n g i i i 目录 第一章绪论1 1 1 e c a p 的研究背景和研究意义。l 1 1 1 问题提出及意义l 1 1 2 前人研究成果l 1 1 3 等径道转角挤压的国内外研究现状。5 1 2 循环载荷下材料的力学性质。6 1 2 1 概述6 1 2 2 循环疲劳理论的发展历程。7 1 2 3 循环加载条件和循环滞后环。8 1 2 4 循环应变硬化与循环应变软化。9 1 2 5 循环应力一应变曲线j 9 1 2 6 包辛格效应。lo 1 3 本文研究的主要内容l l 第二章e o a p 对材料单轴力学性能的影响12 2 1 引言1 2 2 2 单轴拉伸试验1 2 2 3 试验方案l3 2 3 1 试验路线13 2 3 2 试验材料及试验方法1 3 2 4 单轴拉伸试验材料及试验方法18 2 5 试验结果分析2 3 2 5 1 退火温度对材料单轴拉伸力学性能的影响2 6 2 5 2 挤压道次对材料单轴拉伸力学性能的影响。2 8 2 5 3 冷却方式对材料单轴拉伸力学性能的影响。2 9 2 6 本章小结3 0 第三章e o a p 挤压后材料的循环应力应变行为3 1 3 1j ；i 言3l 3 2 试验材料及试验方法3l i v 3 3 试验结果分析3 9 3 3 1 未经挤压和经e c a p 挤压试样的循环拉压滞回线4 0 3 3 2 多试样法与单试样法比较：4 0 3 3 3 退火温度对材料循环应力应变的影响4 3 3 3 4 挤压道次对材料循环应力应变性能的影响4 5 3 3 5 退火后冷却方式对材料循环应力应变的影响4 8 3 3 6 循环硬化与循环软化现象5 0 3 4e c a p 试验后材料单轴拉伸试验与拉压循环试验的比较。5 8 3 5 本章小结6 3 第四章全文总结6 4 4 1 本文的主要工作：6 4 4 2 结论。“ 参考文献6 6 附录7 1 致谢7 2 攻读硕士学位期间参与的科研工作与发表的论文7 3 v 1 - - 。西r 大掌硕士掌位论文 多道次习吒乏道罩孽曲挤压纯铜的循环硬化与软化研究 第一章绪论 1 1e c a p 的研究背景和研究意义 1 1 1 问题提出及意义 由于超细晶材料( 包含亚微晶材料和纳米材料) 具有很多不同寻常的物理性质、化学 性质和力学性能，材料科学研究者对超细晶( 亚微米及纳米晶组织) 材料表现出了浓厚的 兴趣。近些年，利用塑性变形方法获得超细晶材料的新工艺等径道转角挤压法 ( e q u a l c h a n n e la n g u l a r p r e s s i n g ，简称e c a p ) 受到了格外关注。等径道转角挤压法是把多 晶材料试样放到一个专门设计的模具里挤压，使材料出现大剪切变形量。这种方法具有 以下优点： 1 、e c a p 法可以避免在研磨过程中把杂质带入的可能性，是制取致密三维大尺寸的超 细晶块体材料的一种有效工艺，在工业应用上有很大的潜力。 2 、和传统金属材料塑性加工方法比较，由于e c a p 法在变形过程中不会改变材料的横 截面形状和截面面积，故只需要较低的压力，就可以实现材料反复定向挤压和均匀剪切 变形，可以在材料发生特别大变形量情况下得到均匀且细化显著的晶粒组织。因此， e c a p 法是制作三维大尺寸超细晶材料的一种有效工艺，具有很好的工业应用前景。 不少学者已运用该方法对低碳钢、铜、铝、钛合金等材料进行了材料性能和组织研 究，并且还进行了数值模拟及理论分析等研究工作。本章将结合近年来等径道转角挤压 方法在金属材料方面的研究状况，概述等径道转角挤压法的技术原理，工艺路线给晶粒 细化带来的影响以及经过e c a p 法挤压后材料的性能特点和显微组织特性n 卫3 。 1 1 2 前人研究成果 ( 1 ) f _ a p 技术原理 2 0 世纪7 0 年代初，s e g a l 和他的合作者最先提出并研究了能够得到纯剪切变形的等 径道转角挤压技术曲1 。到9 0 年代，这种技术作为一种获得超细晶( 亚微米晶和纳米级晶 组织) 材料的新方法引起了很多学者的注意，并进行了更深入的研究和推广应用n 一。e c a p 法所使用的模具是按照一定的交角设计一个截面相等的通道，如图所示，用表示两通 道相交处的内交角，用甲表示外交角，具体情况见图1 - 1 ： 广西大掌硕士学位论文多道次习径道弯曲挤压纯铜的循环硬化与软化研究 f ，| 一曩i r 图1 - 1e c a p 挤压原理示意图图1 - 2 模具实物图 f i g 1 - 1n ep m c i p l eh 觚o f 恤e c a pf i g 1 21 1 1 er e a lg r a p ho f d i e 挤压过程中，把和模具尺寸相符合且已经均匀涂抹润滑油的试样( 一般为棒材) 放 入通道，用试验机压下冲头挤压通道中的试样，当试样通过两通道的转角处时，材料会 发生剧烈、近似纯剪切的变形。同时，模具的两个通道形状和截面相同，试样挤压过程 中截面面积和形状都不会改变，所以可以反复定向挤压，使试样的总应变量在经历多次 挤压后累积到相当大的程度。经历n 次挤压后试样的累积等效应变可以用1 w a h a s h i “3 等人提出的公式( 1 - 1 ) 作近似计算。 铲舡。t ( 詈+ 詈) ( 詈+ 詈) q 。1 ) 在挤压的过程中，材料的晶粒可能会细化，晶粒的细化过程可分为以下几个阶段： 先是在剪切方向上把粗大的晶粒拉长为带状组织，大晶粒被挤碎变成一些有小角度晶界 的亚晶；随着亚晶继续被破坏，开始出现一些有大角度晶界的等轴晶组织；当这些有大 角度晶界等轴晶组织大量出现时，已不能再把他们看作亚晶粒，必须将这些等轴晶粒看 成独立的晶粒；随着塑性变形量的继续增长，晶粒之间的位向差也会继续增大，形成了 大角度晶界，原先的晶粒也在这个过程中被细化至亚微米级甚至纳米级晶粒。 ( 2 ) e c a p 方法中存在的一些问题： 传统的e c a p 方法在实际操作过程中存在有问题：挤压模具材料本身的强度有限， 同时为了在使用过程中便于搬动，不可能加工很大很重的模具。 如果冲头压杆段太长，则冲头露在模具通道外面的部分会很长，杆件的长细比可能 会超过它的临界值，在试验过程中随着载荷不断增加大可能会导致冲头压杆破坏，一旦 g - 西大掌硕士掌位论文多道次习；径道弯曲挤压纯铜的循环硬化与软化研究 在试验过程中发生失稳不但冲头压杆会坏掉，还会导致模具损坏。这些限制条件导致 e c a p 方法不能连续进行挤压，而分不同道次挤压的效率较低，时间周期较长。因此要对 加工模具的尺寸有所限制。另外，用该方法加工材料时试样端头部分塑性变形不均匀， 晶粒尺寸大小不一，并且还伴有宏观上的裂纹，在实际应用时不得不把必须这部分切除。 这样大大的增加了试样的制作成本，因此该方法只能在一些特殊领域应用，如医疗器械 和医学方面的移植片等一些不计成本的行业。如果要在商业领域广泛的应用这种超细晶 材料，必须要突破模具尺寸的限制并降低生产成本。如果能够把传统的e c a p 加工工艺 上加以改进，实现e c a p 的连续加工，则以上问题都有可能得到解决。 ( 3 ) 挤压次数对e c a p 材料的影响 由等效累积应变公式可以知道，材料挤压次数越多，则它的累积塑性应变越大，从 公式来推测晶粒细化的效果应该越来越好，但从试验所反映的结果来看事实并非如此。 c h a n g 等学者用9 9 9 的铝试样作为研究对象，在保持其它条件相同的情况下比较其不 同挤压次数对材料的细化影响，其结果表明在经过4 道次挤压后，晶粒的尺寸基本不变 了，但是晶粒之间的位向差加大，大角度晶界增多蹄3 。f e r r a s s e 等人用6 0 6 1 铝合金3 、 s h i h 等人用纯铜也得出了类似的结论口1 。 ( 4 ) e c a p 的工艺路线 现在常用的的挤压路径主要有四种，它们是按照每一道次放入的试样与上一道次 放入的试样沿着通道轴向旋转的方向和角度区分的：即a 路径( 试样方向不旋转) 、b 。路 径( 试样沿轴向方向旋转9 0 。，方向交替改变) 、b ，路径( 沿轴向旋转9 0 4 ，方向不改变) 、 c 路径( 试样沿轴向旋转1 8 0 。) 。 四碴 图1 - 3 挤压路线 f i g 1 - 3t h er o u t e so fe x t r u s i o n g - 西大学硕士掌位论文 多道次等径道鼍琴曲挤压纯铜的循环硬化与软化研究 学者们一直想找到一条最好的晶粒细化路径，然而不同的学者在研究中对最优细化 路径有不同的结论。c h o l i n i a 等学者用剪切变形过程中的逆向变化理论来解释不同挤压 路线对晶粒细化的影响。认为路径a 的晶粒细化效果最好，接下来依次是路径b c 、b a 和c 【羽。f u r u k a w a 等人则认为：用b r 、c 路线分别挤压4 n 、2 n 次以后的效果好，而路 线a 和b a 挤压的效果不好。他们认为= 9 0 。时路线b c 具有的晶粒细化的效果好【9 】。 然而这个结论解释不了= 1 2 0 。时，路线a 对晶粒细化更有效的试验结果。z h u 等人在 研究后指出：在= 9 0 。时选用路径b r 效果好，在= 1 2 0 。时选用路径a 挤压的效果好 【l o 】 o ( 5 ) 挤压温度的影响 从热力学上看，金属在塑性变形时温度越高，原子内能就越高，原子的热运动更加 剧烈，金属变形后由不稳定的高自由能状态向变形前低自由能状态转变的趋势就越明 显，故温度会对晶粒细化产生一定的影响。y a m a s h t a 等人用路径b c 研究了三种材料( a 1 3 m g 一0 2 s i c ，a 1 3 m g ，9 9 9 9 纯a 1 ) 在室温、3 7 3 k 、4 7 3 k 、5 7 3 k 四种不同 温度下的挤压情况。发现随着挤压温度的升高，晶粒尺寸明显增大，大角度晶界变少了， 材料屈服应力随着温度上升而降低【1 1 1 。s h i n 等人用低碳钢进行e c a p 挤压试验，比较了 4 种不同温度下的情况，也得到了类似的结论。他们认为这是因为在挤压变形时如果挤 压温度比较高更容易发生回复，大大加快了位错湮灭的速度，对形成大角度晶界不利【1 2 】。 k i m 等人在纯钛的挤压过程中也发现挤压温度能影响晶粒的细化。尽管在较高的挤压温 度下不利于形成等轴晶，但适当提高挤压温度有利于顺利的挤压一些硬度比较高的金 属，以达到使晶粒细化的效果1 3 1 。 ( 6 ) 挤压速度的影响 b e r b o n 等人用9 9 9 9 a 1 和a 1 1 m g 研究在1 0 一1 0 删 i l j - 1 范围内变化时挤压 速度如何影响晶粒细化。结果发现挤压速度对晶粒的细化影响不大【1 4 1 。 ( 7 ) e c a p 材料的力学性能 由h a l l _ p e t c h 【1 5 , 1 6 关系式： os：仃。+七，d11(1-2) 其中， 仃，表示屈服应力，仃。表示位错运动所受的晶格摩擦力，d 表示晶粒平均直 4 广西大掌硕士学位论文多道次等径道弯曲挤压纯铜的循环硬化与软化研究 径， 七。表示细晶强化系数。可以看出晶粒细化变小后材料的屈服应力提高。经过挤压 后的材料可以用透射显微镜来观察统计，可以得到材料在晶粒细化后晶粒平均直径。 如果材料的晶粒细化程度提高，则它的屈服应力和抗拉强度都会提高，细晶强化效 果非常明显。如普通低碳钢，经e c a p 方法四道次挤压后，晶粒尺寸细化到0 2 u r n ，屈 服应力由3 0 7 m p a 升高到9 0 0 m p a ，抗拉强度由4 5 0 m p a 提高到9 4 1 m p a t l l 。经过e c a p 方法细化的材料其应力应变曲线有非常明显的特点：变形初始阶段的应变强化率很高， 可以达到的屈服应力也比较高。 1 1 3 等径道转角挤压的国内外研究现状 自2 0 世纪9 0 年代以来，等径道通道挤压技术由于其在制备块体超细晶材料方面具 有工艺简单，产品纯度高等优点，引起了学者们的广泛关注，取得了很大的发展。索涛 和李玉龙等人采用三维有限元模型模拟了e c a p 过程，探讨了摩擦力对截面等效塑性应 变分布的影响，同时还研究了连续等径通道挤压过程【1 7 , 1 8 】。刘祖岩和王尔德等人应用 h - f o r g e 2 d 刚塑性有限元模拟软件，对等径侧向挤压过程的载荷问题进行详细的分析， 对此变形方法的规律有较深入的探讨【1 9 2 1 1 。郝南海和王全聪利用有限元对等径侧向挤压 变形均匀程度进行了分析，建立了变形均匀程度与摩擦因子的关系曲线【2 2 1 。 崔少贤等用有限元模拟了载荷的变形规律，分析了a z 3 1 在该挤压过程中载荷变 化可分为三个阶段【2 3 1 。赵美荣等用有限元软件d e f o r m 3 d 对不同摩擦系数、不同冲 头速度时的挤压过程进行了模拟，获得了相应的应变场以及载荷行程曲线，得到了模具 的应力分布【2 4 】。管延锦采用无网格加辽金法对等径角挤压工艺进行了数值模拟研究，分 析了挤压过程中材料的流动规律，研究了模具圆心角、挤压件与模具间的摩擦状况对 e c a p 挤压效果的影响1 2 5 j 。黄震威等利用m s cm a r c 研究了e c a p 条件下纯铝的应 变行为模拟研究【2 6 1 。王立忠等人模拟了工业纯铝和低碳钢的等径弯曲通道变形过程的数 值模拟【2 7 】。s u r y ark 和b r e n d a nrd 与李赛毅合作，利用弹塑性单晶连续模型模拟了 铜试样在路径a 和c 中的演变过程，证实其与试验相吻合【2 引。j i nyg ，s o nih 和k a n g sh 等人研究了a a l 0 5 0 铝用分离模具在路径a 、睇和c 的三维有限元等径道挤压过程 【2 9 】。李洪达等人研究了灿t i b 等径角挤压合金显微组织及细化机理【3 0 1 。王素梅等人研 究了第二相粒子对e c a p 挤压的2 a 1 2 铝合金晶粒细化的影响【3 l 】。石风健等人研究了 e c a p 法制备超细晶铜的再结晶行为【3 2 3 3 1 。孙燕和朱达川等人研究了退火温度对e c a p 5 广西大学硕士掌位论文多道次习哺垒道弯曲挤压纯铜的循环硬化与软化研究 形变c u t e c r 合金组织与性能的影响跚。李明山等人研究了退火处理对超细晶c u - c r 合金组织与性能的影响1 3 5 。张郑和杜忠则等人研究了7 4 7 5 铝合金e c a p 变形及组织热 稳定性【3 6 】。m i c h a e lj o b r i e n 等人通过有限元分析研究了址- 3 m g _ o 2 s c 合金在 6 7 3 k 温度下的e c a p 过程【3 7 1 。吕爽和王快社等人比较了a r b 和e c a p 这两种塑性变形 加工1 0 6 0 纯铝的组织和性能上的区别【3 3 3 9 】陈彦博等人研究了连续e c a p 技术制备超细 晶铝【4 0 。ww d ，k x w d 与g j f a n 合作，结合e s t r i na n dm e c k i n g ( e m ) m o d e l 和 a v r a m i t y p ee q u a t i o n 分析实验数据，研究了室温下高纯铜和铝的在e c a p 后的应力应变 曲线 4 1 】。s x u 和gr e n 与gz h a o ，x m a 合作，通过数值模拟与实验相结合的方法研 究了纯铜在e c a p 过程中的一些规律，并得到了超细晶 4 2 1 。r o b e r t obf ，i v e t epp ， m a f i a t p a 等人研究了在考虑了应变路径的情况下铜的e c a p 过程的应力应变曲线 4 3 1 。 h p e t r y k 和s s t u p k i e w i c z 研究了e c a p 下的晶粒细化和应变硬化连续模型m 】。 a r e i v a n i 和a k a f i m it a h e r i 研究了模具的上边界、角度和摩擦对e c a p 的影响，并用 a a 6 0 7 0 铝合金做了试验【4 5 1 。p r z e m y s l a ws z c z y g i e l ，h a n sj o r g e nr o v e n 和o d d v i nr e i s o 等人研究了础一s i 合金在e c a p 过程后退火处理的反应m 。z z u b e r o v a7 ，y e s t r i n 等人 研究了镁铝a z 3 1 合金在单轴压力挤压下经e c a p 变形后的影响【4 7 1 。李文翔研究了纯铜 经e c a p 后不同道次下的单轴拉伸性能、压缩性能等力学性能【4 9 1 。康锋研究了纯铜经 e c a p 挤压后的组织变形和微观硬度、拉伸强度以及延伸率等力学性能变化【5 0 】。斯志军 研究了纯铜经不同角度转角挤压后的晶粒尺寸的影响和退火温度对晶粒尺寸的影响，同 时还研究了e c a p 挤压对纯铜力学性能的影响【5 l 】。刘世民和王中光研究了 a l l i c u - m g z r 合金经等径道转角挤压后循环形变行为，他们发现在循环形变时经 e c a p 后a l - l i - c u m g z r 合金在应变幅较小时先出现短暂软化，然后持续硬化；在应变 幅较大时持续软化直至断裂5 2 】。 1 2 循环载荷下材料的力学性质 1 2 1 概述 材料的疲劳问题是工程中的重要问题，在载荷循环过程中，即使某些表面看起来明 显静止的构件或材料，也会由于疲劳而导致破坏。在的日常生活中到处可见疲劳问题： 在凹凸不平的道路上行驶的汽车、在波浪上颠簸航行的船、在空中经受阵风侵袭的飞机、 在车辆经过时发生挠曲变形的桥梁、往复运动的零部件等等，由于经受循环载荷，最终 6 g - 西大掌硕士掌位论文多道次等径道弯曲挤压纯铜的循环硬1 弋与软化研究 都可能出现疲劳断裂现象。疲劳问题非常复杂，人们从不同角度对这一问题进行了研究。 在现有条件下，对材料或构件进行应力和应变分析是探讨疲劳破坏成因的主要方法，因 此研究e c a p 挤压改变材料结构来影响材料循环载荷下的力学行为是很有意义的。 1 2 2 循环疲劳理论的发展历程 人们很早就注意到材料在循环载荷下会出现疲劳的问题了。在1 8 5 2 1 8 6 9 年， w o h l e r 为研究铁路行业里机车的车轴在台肩处有规则断裂的现象，系统地研究了疲劳破 坏的问题，提出了“疲劳极限 的概念，并且用s - n 图来表示不同应力水平条件下材料 疲劳寿命变化的过程。1 9 世纪7 0 - 9 0 年代，g e r b e r 等学者研究了平均应力对疲劳的影 响，g o o d m a n 提出了交变应力，平均应力和疲劳寿命关系的等寿命图【5 3 】。2 0 世纪初， 有学者用光学显微镜观察到了多晶材料晶粒内部的局部滑移线和滑移带。2 0 世纪2 0 年 代g o u g h 研究了在弯曲与扭转复合作用下的疲劳机理【5 4 1 。 1 9 2 9 - 1 9 3 0 年h a i g h 研究了有缺口的高强钢和软钢的疲劳性能，并提出了自己的看 法，使得喷丸技术在3 0 年代的汽车工业上得到了广泛应用【5 5 1 。1 9 4 5 年m i n e r 总结了 p a l m g r e m 所做的工作，提出了累积损伤定律【5 6 5 7 】。2 0 世纪5 0 年代，由于在研究工作中 应用了电液伺服系统和电子显微镜，可以更好的模拟载荷历程和了解疲劳机理。同一时 期，c o f f i n - m a n s o n 定律被提出，使得运用塑性应变与疲劳寿命之间的关系分析缺口试 件被广泛运用 5 8 , 5 9 1 。 随着科技的发展，越来越多的先进设备和大型计算机被用来研究循环加载条件下的 塑性力学行为。m c d o w e l l 等人研究了常温下的s s 3 0 4 不锈钢的循环载荷下的力学行为 6 0 。杨显杰等研究了循环加载下3 1 6 l 不锈钢性能的变化；研究了紫铜在非比例循环加 载情况下的力学循环行为，指出了平均应力，加载路径形状、幅值和历史对其塑性力学 行为的影响；进行了比例和非比例循环加载情况下棘轮效应的研究1 6 l 】。王燕群等人用一 种考虑了循环塑性性能的有限元法来模拟研究疲劳裂纹扩展以及闭合过程，并用实验检 验了所选用的塑性本构关系【6 2 】。冯忠信等人以4 0 c r 和1 c r s n i 9 t i 为对象研究了裂纹的 萌生寿命和裂纹扩展速率的频率加载效应【6 3 l 。张娟等人以s s 3 0 4 不锈钢为对象研究了其 在3 5 0 和7 0 0 c 的情况下的非比例多轴循环变形行为并建立了一个改进的循环本构模 型【删。通过这些研究，人们对金属的循环疲劳有了更加深入的认识。 7 广西大学硕士学位论文多道次习；径道弯曲挤压纯铜的循环硬化与软化研究 1 2 3 循环加载条件和循环滞后环 最简单的循环加载是施加周期性地、均匀且重复的载荷，载荷可以是力、应力、 位移和应变，最常用的是应力和应变。 当在弹性范围内对材料进行单轴循环加载时，应力、应变只和弹性模量e 相关，它 们之间是线性关系，想要得到材料的应力与应变只需要测量其中的一个就可以了。弹性 范围内作对称循环加载时，应力与应变总是从零点加载上升变化到( + 仃，+ s ) ，然后卸 载回到零后再加载变化到( 仃，吨) ，经历若干循环最后卸载回到零点( 参见图1 - 4 ) 。 - 0 0 0 4 - 0 0 0 20 0 0 00 0 0 20 0 0 4 s t r a i n 3 2 1 0 0 0 1 舢 - 3 0 0 曰 - o 0 0 8 - 0 0 0 40 0 0 00 0 0 40 0 0 8 s 咄 图卜4 弹性循环加载时的滞后回线图卜5 塑性循环加载时的滞后回线 f i g 1 - 4f l e x i b l ec y e l i el o a d i n go fh y s t e r e s i sc u r v e sf i g 1 - 5p l a s t i cc y c l i cl o a d i n go fh y s t e r e s i sc u r v e s 当在弹塑性范围内对材料进行循环加载时，应力与应变之间的关系比较复杂，材料 在稳定状态下载荷从零点到最高点时拉伸载荷是在不断增大，然后从最高点卸载并反向 加载进入压缩阶段到达最低点，再从最低点回到零点。重复进行上述的连续过程，可以 持续对材料进行循环加载，重复进行上述的连续过程。按此方法试验所得到的应力应变 回线叫做滞后回线( 参见图1 5 ) 。 在弹性加载情况下材料的滞后回线是一条直线，而在弹塑性加载情况下的滞后回线 是一个有一定面积的环。在循环稳定状态下得到的滞后回线叫做稳定滞后回线或滞后 环。滞后回线可以用来描述循环加载情况下材料仃s 曲线的变化情况，利用滞后回线能 够测量出材料在每个循环过程中的塑性应变改变量s p 、弹性应变改变量s 。、总应变 改变一a 6 ，以及最大应力仃一，最小应力仃曲和弹性模量e 等力学参数。循环过程中塑 性变形的积累反映了材料的微结构的变化，因此认为塑性应变是疲劳过程中引起疲劳损 伤的一个主要因素。循环滞后回线的面积代表材料在发生塑性变形时所做的功，同样应 8 山w，po 广西大掌硕士学位论文多道次等径道弯曲挤压纯铜的循环硬化与软化研究 变幅循环滞后回线所围面积大小或宽窄反映了材料抵抗循环塑性变形能力的大小。 1 2 4 循环应变硬化与循环应变软化 - 0 0 0 4 - 0 0 0 20 0 0 00 0 0 20 0 0 4- 0 0 0 4- 0 0 0 2o o o oo 0 0 20 0 0 4 s t m i ns t r a i n 图卜6 ( a ) 循环硬化示意图图1 - 6 ( b ) 循环软化化示意图 f i g 1 - 6 ( a ) s c h e m a t i cd i a g r a mo fc y c l i ch a r d e n i n gf i g 1 - 6 ( b ) s c h e m a t i cd i a g r a mo fc y c l i cs o f t e n i n g 在控制应变的循环过程中，材料的硬化特性会随着循环次数的增加而发生变化。如 图1 - 6 ( a ) 所示，当控制函数的应变幅值保持不变进行试验时，如果出现了把材料拉、 压到同样大小并且稳定的应变值所需要的应力越来越大的现象，称之为循环硬化。另外 一种情况如图i - 6 ( b ) 所示，在保持应变幅值不变的情况下，出现了把材料拉、压到同 样大小的应变值并使其保持稳定状态所需要的应力随循环数的增加而减小的现象，称之 为循环软化。判断材料是表现出循环硬化还是循环软化特征，最常用的方法是把材料的 循环应力一应变曲线与单轴拉伸应力一应变曲线在同一坐标系上进行比较。 对于材料究竟表现为循环硬化还是循环软化，桑多尔认为这主要与材料的初始状态 有关，有时候也和循环载荷的大小有关。不同的初始状态使材料在循环载荷下有可能表 现为循环硬化，也有可能表现为循环软化【6 5 1 。徐灏在总结前人研究的基础上认为材料表 现为循环硬化还是软化和材料的屈强比盯，o r 6 有关，当仃，o r 6 0 8 时，材料出现循环软化现象。当屈强比在o 7 o 8 之间时，则 不能预测它的变化情况【6 6 , 6 7 】。 1 2 5 循环应力一应变曲线 在一组不同大小的应变幅下进行循环加载，能够得到相应应变幅下稳定的滞后回 线，然后用一条光滑的曲线把这些滞回环的顶点相联，所得曲线就称为循环应力应变 曲线。它反映出一种材料在承受低循环疲劳时的稳定应力和应变的响应特性，同时它也 9 0 3 2 d 之 。 母山兰葛占 矗山茎，s器s j - - 西大掌硕士学位论文多道次等径道弯曲挤压纯铜的循环硬化与软化研究 可以方便地与静态单轴拉伸或压缩时的应力应变曲线进行比较。 循环应力一应变曲线通常有两种表达形式，一种是以应力幅与总应变幅来表达，即 a c t 2 一s ，2 关系曲线，其函数式为： 等：西a c t + ( 豢) q 。3 ) 另一种是以应力幅与塑性应变幅来表达，即a 仃2 - a 6 。2 关系曲线，可用以下函数式 表示： 等“阿 n 舢 式中：k 循环强度系数；刀循环应变硬化指数。 目前有很多种方法可以测定循环应力应变曲线，最常见的有如下两种： ( 1 ) 单试样法。也就是在试验过程中，把要进行哪些级别的应变幅的程序设计好， 然后用一根试样，按照之前设计好的流程一直做下去，每一级应变幅使它的循环滞回曲 线达到稳定状态为止，当然也不可在这一级别进行太多次循环，以防试样疲劳损伤。 ( 2 ) 多试样法。也就是说在试样过程中，按照事先设计好的程序，用多根试样来完 成整个试验过程，即每根试样只做一个级别的应变幅的循环。在这一级的应变幅下，也 是它的循环滞回曲线达到稳定状态即可停止该试样所进行的试验。然后用一根新试样 进行下一级应变幅的试验【6 8 】。 1 2 6 包辛格效应 o o 。 力 mc - _ - 0 让e 一 - - , m 图1 7 单轴应力应变曲线 f i g 1 - 7t h eu n i a x i a lt e n s i l e c o m p r e s sc u r v eo fs t r e s s s t r a i n 1 0 广西大学硕士学位论文多道次等径道弯曲挤压纯铜的循环硬化与软化研究