（机械制造及其自动化专业论文）几种连续等通道转角大应变技术的有限元仿真模拟及特性分析.pdf

学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在i 年解密后适用本授权书。 不保密囵。 学位论文作者签名：起梓锆 酬年6 其气e l 移u 西厶 ， 蛭 日 许 即 轹 獬 年 币j j y 力 狮 驯 导匕日 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在导师的指导下独立 完成的。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其它个人或 集体已经发表或撰写过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到违反本声明的后 果由本人承担。 学位论文作者签名：赵群锫 刎7 年多月7 e t 江苏大学硕士学位论文 摘要 等通道转角挤压( e q u a lc h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g ，简称e c a p ) 大 应变技术是通过强烈塑性变形而获得超细纳米晶材料的有效方法，但 其仍存在不能连续加工的问题，因此，探索新型连续e c a 大应变技术 是近年来研究的热点。本文借助于d e f o r m 3 d 有限元仿真软件对驱动 轮扭矩分散型连续e c a 大应变技术、滑块结构连续e c a 大应变技术和 板材连续剪切( c 2 s 2 ) 大应变技术等几种连续e c a 大应变技术进行了 仿真模拟和特性分析，所取得的创新成果如下： 对首次提出的扭矩分散型连续e c a 大应变技术的研究发现，该新 型驱动工艺可以实现工件长度不受限制的连续量化生产，而且具备了 各驱动轮扭矩分布均匀的独特优点毒随着摩擦系数的增加，应变值增 加，应变均匀性不受影响，能量消耗明显减少。驱动轮角速度匹配方 式对应变大小、应变均匀性、扭矩分布和能量消耗具有显著影响。 对首次提出的滑块结构连续e c a 大应变技术的研究发现，水平滑 块速度、摩擦系数和驱动轮角速度匹配方式是滑块结构连续e c a 大应 变技术的重要影响因素。随着滑块速度增加，应变值逐渐减小，应变 均匀性增强，工件输出速度明显提高，主驱动轮扭矩百分比增加，能 量消耗减少。随着摩擦系数的增加，应变值逐渐增加，应变均匀性变 化不大，工件输出速度增加，主驱动轮扭矩波动幅度增加，扭矩分布 更均匀。驱动轮角速度匹配方式对应变大小、应变均匀性、扭矩大小、 江苏大学硕士学位论文 扭矩分布和能量消耗具有显著影响。 对c 2 s 2 大应变技术的研究发现，驱动轮压下率和摩擦系数是c 2 s 2 大应变技术的关键技术参数。综合各项分析，合理确定出保证大应变、 低能耗、高工件几何尺寸恢复率的驱动轮压下率为1 0 ；随着摩擦系 数增加，应变值呈增加趋势，应变均匀性没有明显影响，工件输出速 度增加，能量消耗减少。 关键词：连续等通道转角大应变技术，有限元模拟，扭矩分散，滑块 结构，压下率 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t 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 sa ne f f e c t i v em e t h o dt oo b t a i nf i n e g r a i no ru l t r a f i n e g r a i nm a t e r i a lb ys e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n h o w e v e r , i ti sn o ta c o n t i n u o u sp r o c e s s ，s or e s e a r c ha b o u tc o n t i n u o u se c a t e c h n o l o g yh a sb e c o m eh o ti n r e c e n ty e a r s t h er e s e a r c h e sa b o u tt h et o r q u e - d i s t r i b u t e dc o n t i n u o u se c a l a r g es t r a i n t e c h n o l o g y , t h ec o n t i n u o u se c al a r g es t r a i nt e c h n o l o g yw i t hs l i d es t r u c t u r ea n dt h e c 2 s 2l a r g es t r a i nt e c h n o l o g yw e r es i m u l a t e da n da n a l y z e db yf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n c o d ed e f o r m - 3 d ，t h ei n n o v a t i o na c h i e v e m e n t so ft h ep r e s e n td i s s e r t a t i o na r el i s t e da s f o l l o w s ： w eo r i g i n a l l yp u tf o r w a r da n di n v e s t i g a t e dan e wt o r q u e d i s t r i b u t e dc o n t i n u o u s e c at e c h n o l o g y t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h en e wt e c h n o l o g yc a np r o d u c et h e w o r k - p i e c ew i t h o u tl e n g t hl i m i t e d ，a n dh a st h eu n i q u ea d v a n t a g et h a tu n i f o r m st h e d i s t r i b u t i o no ft o r q u e w i t ht h ei n c r e a s eo ff r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，t h es t r a i nm a g n i t u d e i n c r e a s e d ，t h es t r a i nu n i f o r m i t yw a sn o ta f f e c t e da n dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o nr e d u c e d c o n s i d e r a b l y t h em a t c ho f w h e e la n g u l a rv e l o c i t yh a sas i g n i f i c a n ti m p a c to nt h es t r a i n m a g n i t u d e ，s t r a i nu n i f o r m i t y , t o r q u ed i s t r i b u t i o na n de n e r g yc o n s u m p t i o n t h ec o n t i n u o u se c a t e c h n o l o g yw i t hs l i d es t r u c t u r ew a sp u tf o r w a r df o rt h ef i r s t t i m ea n dr e s e a r c h e d i ti sf o u n dt h a tt h es l i d es p e e d ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dw h e e la n g l e v e l o c i t yw e r et h ek e yf a c t o r so nt h ec o n t i n u o u se c at e c h n o l o g yw i t hs l i d es t r u c t u r e w h i l et h es l i d es p e e di n c r e a s e d ，t h es t r a i nm a g n i t u d ed e c r e a s e dg r a d u a l l y , t h es t r a i n u n i f o r m i t yi n c r e a s e d ，t h eo u t p u tv e l o c i t yo ft h ew o r k p i e c ei n c r e a s e d ，t h ep e r c e n t a g eo f t h em a i nd r i v i n gw h e e lt o r q u er a i s e da n dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o nr e d u c e d w i t ht h e i n c r e a s eo ff r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，t h es t r a i nm a g n i t u d ei n c r e a s e d ，t h eo u t p u tv e l o c i t yo ft h e w o r k - p i e c ei n c r e a s e d ，t h et o r q u ef l u c t u a t i o nr a n g eo ft h em a i nd r i v i n gw h e e le n h a n c e d a n dt h ed i s t r i b u t i o no ft o r q u ei n c r e a s e d t h em a t c h i n gw a y so fw h e e la n g u l a rv e l o c i t y h a sas i g n i f i c a n ti m p a c to nt h es t r a i nm a g n i t u d e ，s t r a i nu n i f o r m i t y , t o r q u em a g n i t u d e ， t o r q u ed i s t r i b u t i o na n de n e r g yc o n s u m p t i o n t h er e s e a r c ho nc 2 s 2t e c h n o l o g yt e l lu st h a tt h er o l lr e d u c t i o nr a t ea n df r i c t i o n 1 1 1 江苏大学硕士学位论文 c o e f f i c i e n tw e r et h ek e yt e c h n i c a lp a r a m e n t so nc 2 s 2t e c h n i q u e t h er e s u l t ss h o wt h a t t h eo p t i m a lr o l lr e d u c t i o nr a t ew a s10 t h a tp r o m i s e dh i g h e rs t r a i n ，l e s sp o w e ra n d h i g h e rr e c o v e r y r a t eo ft h e w o r k p i e c eg e o m e t r y w i t h t h ei n c r e a s eo ff r i c t i o n c o e f f i c i e n t ，t h es t r a i nm a g n i t u d ei n c r e a s e d ，t h es t r a i nu n i f o r m i t yw a sa f f e c t e dl i t t l e l y , t h eo u t p u tv e l o c i t yo ft h ew o r k p i e c ei n c r e a s e da n dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o nr e d u c e d k e yw o r d ：c o n t i n u o u se q u a lc h a n n e la n g u l a rl a r g es t r a i nt e c h n o l o g y , f i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o n ，t o r q u ed i s t r i b u t i o n ，s l i d es t r u c t u r e ，r e d u c t i o nr a t e 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 1 1 本文的研究背景l 1 2 强烈塑性变形( s p d ) 技术的研究与发展现状1 1 3 等通道转角挤压法( e c a p ) 5 1 3 1e c a p 工艺原理5 1 3 2e c a p 技术的影响因素6 1 3 3 等通道转角挤压的特性1 0 1 4 板材连续剪切变形法( c 2 s 2 ) 1 1 1 4 1 c 2 s 2 基本原理、特点1 1 1 4 2 c 2 s 2 发展现状12 1 5 有限元分析的基本理论13 1 5 1 有限元法背景知识“1 3 1 5 2 有限元法的原理及分析过程1 4 1 5 3 有限元法在e c a p 领域的研究应用”15 1 6 本文研究的目的和主要内容1 5 第二章驱动轮扭矩分散型连续e c a 大应变技术的仿真模拟及特性分析”1 7 2 1 引言17 2 2 有限元模型及建模一1 7 2 3 模拟结果及讨论2 0 2 3 1 摩擦系数对扭矩分散型连续e c a 技术的影响2 0 2 3 1 1 打滑现象研究2 0 2 3 1 2 对应变的影响2 1 2 3 1 3 对扭矩的影响- 2 2 2 3 1 4 对能量消耗的影响2 4 2 3 2 速度匹配对扭矩分散型连续e c a 技术的影响2 4 2 3 2 1 对应变的影响2 4 2 3 2 2 对扭矩的影响2 5 2 3 2 3 对能量消耗的影响2 6 2 4 结论2 7 第三章滑块结构连续e c a 大应变技术的仿真模拟及特性分析2 8 3 1 引言2 8 3 2 有限元模型及建模2 9 3 3 模拟结果及讨论3 0 3 3 1 水平滑块速度对滑块结构连续e c a 大应变技术的影响31 3 3 1 1 对应变的影响3 1 3 3 1 2 对工件输出速度的影响3 2 3 3 1 3 对扭矩的影响3 3 3 3 1 4 对能量消耗的影响3 4 3 3 2 摩擦系数对滑块结构连续e c a 大应变技术的影响3 5 3 3 2 1 对应变的影响3 5 v 江苏大学硕士学位论文 3 3 2 2 对工件输出速度的影响3 6 3 3 2 3 对扭矩的影响3 7 3 3 2 4 对能量消耗的影响3 7 3 3 3 速度匹配对滑块结构连续e c a 大应变技术的影响3 8 3 3 3 1 对应变的影响“3 8 3 3 3 2 对工件输出速度的影响3 9 3 3 3 3 对扭矩的影响3 9 3 3 3 4 对能量消耗的影响4 0 3 4 结论4 1 第四章c 2 s 2 大应变技术的仿真模拟及特性分析 4 2 4 1 引言4 2 4 2 有限元模型及建模4 2 4 3 模拟结果及讨论”4 4 4 3 1压下率对c 2 s 2 大应变技术的影响4 5 4 3 1 1 对工件几何尺寸恢复率的影响4 5 4 3 1 2 对应变的影响4 6 4 3 1 3 对工件输出速度的影响”4 7 4 3 1 4 对扭矩、能量消耗的影响4 8 4 3 2 摩擦系数对c 2 s 2 大应变技术的影响5 0 4 3 2 1对应变的影响 5 0 4 3 2 2 对工件输出速度的影响5 1 4 3 2 3 对扭矩、能量消耗的影响- 5 1 4 4 结论5 2 第五章几种连续等通道转角大应变技术的对比分析 5 1 应变对比5 4 5 2 扭矩、能量消耗对比5 4 5 3 结论5 5 本文研究的总结5 6 本文研究的创新点5 8 需要进一步研究的工作 致谢 参考文献 攻读硕士学位期问成果( 学术论文、专利、项目) 5 9 6 1 6 8 江苏大学硕士学位论文 1 1 本文的研究背景 第一章绪论弟一早三百y 匕 超细纳米晶材料由于晶粒细小，组织中大量原子处于晶粒之间亚稳态晶界上 或亚晶界结构中小角度晶界上，因而表现出一系列不寻常的物理、化学和电磁学 性能，如高强度、高塑性、低密度、高比热和高扩散系数以及高电阻率等【卜3 1 。由 于纳米晶材料具有这些优点，在航空、航天、汽车、机械、电器、医疗和功能材 料等领域，具有广阔的开发和应用潜力，在最近的十多年里迅速成为世界各国科 技界和产业界关注的热点，其制备方法也因此成为了研究热点。迄今，已探讨了 多种制备纳米晶体材料的方法【4 。0 1 ，如电沉积法、非晶晶化法、惰性气体凝聚原 位加压法、机械合金化法、强烈塑性变形法等【1 1 。3 1 ，其中强烈塑性变形法应用的 最为广泛【1 禾1 6 1 。 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 ，简称s p d ) 主要是通过大变形使 材料内部获得足够大的应变来细化晶粒，目前最主要的方法是等通道转角挤压 ( e q u a lc h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g ，简称e c a p ) 。该技术可以在几乎不改变材料的横 截面面积和截面形状的情况下，实现材料的反复定向、均匀剪切变形，在特别大 的变形量下使材料获得均匀、显著细化的晶粒组织，而且对材料的晶体取向具有 很强的调控功能。 但是，传统的等通道转角挤压技术在商业化应用的过程中存在一些问题，最 突出的就是如何实现连续化加工。本文围绕着如何使e c a p 技术实现加工连续化展 开研究，以期为连续e c a p 技术的发展提供科学依据。 1 2 强烈塑性变形( s p d ) 技术的研究与发展现状 强烈塑性变形( s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ，简称s p d ) 技术是制备超细纳米晶 金属材料的一种新工艺，s p d 技术获得的材料具有良好的机械性能、独特的物理和 化学性能、优异的超塑性性能，而且相对于其它制备纳米晶体材料的方法( 如气 相沉积，机械球磨等) ，强烈塑性变形技术有着一些无法比拟的优势，其制备的 江苏大学硕士学位论文 纳米晶体材料通常也存在较强的择优取向，系材料沿特定晶面和晶向变形所致； 但经过多方向形变也可获得晶粒大小均匀、取向随机的超细纳米晶金属材料，它 能够避免材料中出现孔洞、杂质、致密性差等问题。 目前，已经开发的s p d 技术概括起来主要有以下几种：等通道转角挤压法 e c a p ( e q u a l c h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g ) 、累积叠轧法a r b ( a c c u m u l a t i v er o o l b o n d i n g ) 、高压扭转法h p t ( h i g hp r e s s u r et o r s i o n ) 、反复褶皱一压直法r c s ( r e p e t i t i v e c o r r u g a t i o n a n d s t r a i g h t e n i n g ) 、e c a p 衍生出来的旋转模等截面角挤压法 r d e c a p ( r o t a r y d i ee c a p ) 、板材连续剪切变形法c 2 s 2 ( c o n t i n u o u sc o n s t r a i n e d s t r i ps h e a r i n g ) 等，如图1 1 所示。 p i u n g c r e c a pa r b 1 | p h p t 2 l v 重坚2 盎然! ! 置 i 、 i r c s 江苏大学硕士学位论文 e c a p c o n f o l m ( f ) 1 - 1s p d 技术 f i g 1 - 1s p dt e c h n i q u e s 1 2 1 等通道转角挤压( e c a p ) c 2 s 2 等通道转角挤压工艺是迄今为止最具商业应用前景的s p d 技术，是通过大塑性 变形而获得大尺寸超细纳米晶块体金属材料的有效方法之一。在2 0 世纪八十年代 初，由前苏联科学家s e g a l 等在研究钢的微观组织和变形织构时提出【1 。刀， 此后 v a l i e v 等【1 8 - 1 9 】发现该方法可以使材料获得大应变从而有效细化晶粒，其原理如图 1 1 ( a ) 所示，利用由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。 目前，国内外许多学者对e c a p 工艺进行了大量的研究，但该工艺存在生产不 连续以及材料浪费导致其成本昂贵、效率低下等缺陷。因此，要在工业上广泛应 用e c a p ，就必须开发出能够满足工业生产需要、低成本、高效率的加工途径。 1 2 2累积叠轧法( a r b ) 日本学者s a i t o 2 0 】提出了一种新的制备块体纳米晶体结构材料的大塑性变形方 法：累积叠轧技术，其原理如图1 1 ( b ) 所示【2 1 1 ，先将板材均分为两份并叠加，然后 轧制至原来的厚度，如此反复进行，从而实现很大的变形而厚度不发生变化。因 此a r b 工艺不仅是轧制变形，还包含一个焊合过程。叠轧技术中，轧件经过多次 裁减、堆叠、轧制，由此获得大塑性变形，a r b 工艺已成功用于铝合金、铜合金、 钢等超细晶材料的制备 2 2 2 刀。 3 江苏大学硕士学位论文 1 2 3 高压扭转法( h p t ) 高压扭转工艺是通过压杆向置于固定不动模具中的盘状材料施加很高的压力 并同时压杆作旋转运动，实现扭转剪切变形的一种工艺。b r i d g m a n 2 8 】最早应用高 压扭转法研究了静水压力对塑性变形的影响，后来逐渐发展成为一种制备纳米结 构金属材料的新方法，其原理如图1 1 ( c ) 所示。此方法中工件在压头与模具之间承 受约几个g p a 的压力作用，同时由于上模的旋转，工件还将受到剪切变形力，从而 获得很大的塑性变形。高压扭转可加工的工件一般是直径在1 0 2 0m m 、厚度在 0 2 0 5m n l 范围内的圆盘状的样品。在一定的试验条件下，当样品被旋转变形时， 金属的微观结构就会发生明显的变化，但是组织不够均匀，h p t 工艺通常只用于小 薄片盘状试样的加工，由于不能制备体积更大的超细纳米晶结构材料，高压扭转 法的应用受到了限制。目前该工艺已成功地用于钢、铜、铝合金等块体超细纳米 金属材料的制备【2 9 - 3 1 1 ，该技术可以细化晶粒尺寸至标准纳米尺寸。 1 2 4 反复折皱一压直法( r c s ) 反复折皱一压直法是一种制备块体超细晶材料的大塑性变形方法【3 2 1 ，其原理如 图1 1 ( d ) 所示。原理是在不改变工件断面形状的情况下，将工件进行多次反复折皱、 压直后获得很大的塑性变形，从而使晶粒细化。高纯铜在经过1 4 次连续反复折皱一 压直后，晶粒大小从退火态的 7 6 5l x m ，细化到1 0 0 5 0 0n i l l ，充分表明r c s 细化 晶粒的有效性。但材料在反复的弯压过程中，试样表面容易产生裂纹，从而无法 继续进行折皱一压直变形。 1 2 5e c a p c o n f o r i l l e c a p c o n f o r m 工艺是由r a a b 等【3 3 】在研究细化纯铝工艺时提出的，是为了解 决e c a p 连续性问题而开发的一种工艺，其原理如图1 1 ( e ) 所示。为了获得类似与 e c a p 工艺的变形，将挤压模具设计成类似e c a p 模具形式，即由挤压轮沟槽所构 成的进口通道和模具出口通道截面形状、尺寸相同，并成9 0 0 夹角，由此实现了连 续剪切变形。由于一个轮子所提供的驱动力有限，并且主要是摩擦力驱动，所以 江苏大学硕士学位论文 难以加工大截面块体材料，并且工件表面不光滑，因此应用不是很广泛。 1 2 6 板材连续剪切变形法( c 2 s 2 ) 板材连续剪切变形法( c o n t i n u o u sc o n f i n e ds t r i ps h e a r i n g , 简称c 2 s 2 ) 是l e e 等提出的一种连续e c a p 技术【3 4 3 6 1 ，原理如图1 1 ( d 所示。该工艺采用普通的双辊 轧机作为送料机构，但为了提供足够大的驱动力使带材顺利通过e c a p 模具转角， 在送料辊表面需要进行特殊加工以此来增加其摩擦力。因此，与普通轧制带材相 比，该工艺制备的带材表面质量较差。对铝及其合金、钢等的研究表明，采用该 工艺可获得与e c a p i 艺制备的材料类似的超细晶组织和剪切变形织构【3 7 也】。目 前，国内对该工艺也有少量研列4 3 1 ，本文进一步研究了压下率对工艺工程的影响， 为大塑性变形技术的发展提供一定的基础。 1 3 等通道转角挤压法( e c a p ) 1 3 1e c a p 工艺原理 塑性加工已经成为改善材料组织性能最有效的方法之一。要保证塑性加工对 材料性能的影响达到最佳状态，加工方法就必须保证应力、应变的均匀性，能够 精确控制变形量和应力状态，特别是可以实现足够大的塑性变形。常规塑性变形 加工方法( 如轧制、挤压等) ，不能很好地满足这些要求。 等通道转角挤压( e q u a lc h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g , 简称e c a p ) 是2 0 世纪八 十年代，前苏联科学家s e g a l 等人为获得纯剪切应变首先提出e c a p 方法，v a l i e v 等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。与通常的应变技术 如挤压、轧制相比，e c a p 技术不仅剪切力大、剪切应变大，可以更为有效地细化 材料内部的组织与夹杂物，而且可以保留材料的形状、尺寸，并且可以获得组织 细的宏观大尺寸材料，满足产业化应用对大尺寸高性能材料的需求。 e c a p 是将试样放入横截面形状几乎相同的、并且成一定交角的弯曲通道中， 在外面对试样施加一定的外力使其通过通道，在通道弯曲的转角处发生类似于纯 剪切的剧烈变形，其原理如图1 2 所示，其中工艺参数为两通道的夹角，外圆弧 角甲。e c a p 技术在挤压过程中晶粒的细化过程一般可描述为三个阶段】：首先， 江苏大学硕士学位论文 粗大的晶粒沿剪切方向被拉长成为带状组织，大晶粒被碎化成一些具有小角度晶 界的亚晶，亚晶界尺寸一般为几微米或亚微米；然后，亚晶被继续破坏碎化，开 始出现具有大角度晶界的等轴超细晶组织；最后，随着变形量的继续增大，亚晶 粒问的位向差继续增大，大角度晶界大量形成，晶粒被细化到亚微米级甚至纳米 级。 融$ 1 m 1 1 1 l 图1 2e c a p 原理 f i g 1 2t h ep r i n c i p l eo fe c a p 1 3 2e c a p 技术的影响因素 1 3 2 1 模具结构参数m 和甲 么勇聚d 图1 - 3e c a p 剪切大应变原理示意图 f i g 1 3s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no ns h e a r i n go fe c a p 由图1 - 3 可以看出，在挤压过程中e c a p 模具两通道的夹角和外圆弧角甲 的变化，会对整个挤压过程及效果产生很大的影响，如当模具两通道夹角取不 同值时，剪切面相对于工件轴线的夹角会发生改变，从而影响了剪切变形的程度。 v m s e g a l 4 5 - 4 7 】对e c a p 变形模型做了一定的研究，在不考虑摩擦和甲= 0 时， 依据纯剪切力学原理首先导出了总等效应变知的计算公式： 氏：翠c o t f 竺1 ( 1 - 1 ) 氐。万i 刊 1 ) 后来，1 w a h a s h i 4 8 1 等学者将总应变量的计算拓展到外角t t , 不为零的情形，对剪应 变y ，等效真应变s 的计算提出了以下的公式： y = 2 c o t ( 2 西- - - + 甲c o s e c ( - 詈+ 5 甲- ) ( 1 2 ) 江苏大学硕士学位论文 占= 去 2 c o t ( 詈+ 詈) + e c ( 詈剀 3 ， 当挤压次数达到时，其总的等效真应变为： 知= 若 2 c o t ( 詈+ 詈) m 眦c ( 詈+ 詈) 4 ， 目前，公式( 1 4 ) 的应用较常见，采用有机玻璃模具和多层蜡泥塑料模型 的试验( 排除蜡泥塑料与模具内壁摩擦影响) 和坐标网格法试验【5 0 l ( 除样品两端 部外) 及二维有限元模拟【5 1 - 5 3 1 分析都证实了该公式的合理性。由此可以看出，夹 角和外圆弧角、王，的变化，直接影响了试样挤压的等效应力和流动方式等的变化。 1 3 2 2 工艺路线 vm s e g a l 认为，材料剪切变形特征与变形路径有密切关系，同一工件其装 料方式不同，经过多道次挤压后材料的组织结构也不同。根据工件在连续两次挤 压之间旋转方向和角度的不同，一般可以把e c a p 分为以下几种工艺路线【5 4 1 ，如 图1 4 所示。 a ：每次挤压后不旋转，直接进入下一道次； b a ：每次挤压后旋转9 0 0 ，旋转方向交替变化； b c ：每次挤压后旋转9 0 0 ，但旋转方向不变； c ：每次挤压后工件旋转1 8 0 。，进入下一道次。 江苏大学硕士学位论文 豳 图1 - 4e c a p 中的四种挤压路线 f i g 1 - 4s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no ff o u rp r e s s i n gr o u t e si ne c a p 工艺路线的选择对材料晶粒细化的影响很大。图1 5 定义了样品的x 、y 、z 方向和x 、y 、z 平面。采用不同的工艺路线加工后的变形情况如图1 - 6 所示。可 以看出，经过路线a 多道次挤压后，材料在x 、y 方向上变形较大；路线b a 与a 较为接近；经过路线c 偶数次挤压后，晶粒恢复到挤压前的形状；对于路线a 、c ， 由于z 轴方向上没有获得变形，因而，不能在以后的挤压中使晶粒的破碎达到很 均匀的程度，而路线b c 在三道次挤压后晶粒在三个方向上都获得了变形，使晶粒 变形均匀，并且路线b c 使所有的滑移系开动，晶粒破碎均匀，在挤压4 n 道次后， 晶粒恢复为挤压前的形状，形成等轴晶更迅速。vm s e g a l 研究了工艺路线a 、c 对材料微观结构的影响，指出c 工艺路线较工艺路线a 能更快地获得大角度晶界， 这是由于在挤压过程中工件受到剪切，晶粒发生滑移或重组，在c 路线中晶粒和 亚晶还会出现大角度的旋转从而造成位错密度增加，加快了大角度晶界的形成。 1 w a h a s h i 等人的研究结果表明，在形成大角度晶界方面，路线b c 最快，其次是路 线c ，再次是路线a 、b a 。总的来 兑，路线b c 是目前各国研究人员比较看好的工 艺路线【5 5 】。 江苏大学硕士学位论文 x z 一固 图1 5 挤压工件方向示意图 f i g 1 5s c h e m e t i ci l l u s t r a t i o no np r e s s i n g d i r e c t i o no fs a m p l e 1 3 2 3 摩擦系数 挤压道次 方式面 0l2345678 x 口口口口口一一一 ay口口z 7 ，m z 口口口口口口口口口 x口口 、， 、 、 b yndz 7 ， z 口口么7 弋、，、一一 x口口 0口口矿口口 b c y 口z 7z 7 口口z 7z 7 口口 z 口口么7z 7 口口z 7z 7 口 x口口口口口口口口口 cy口z 7 口么7 口z 7 口z 7 口 z 口口口口口口口口口 图1 - 6 四种挤压路线的剪切特征 f i g 1 - 6s h e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h e f o u rp r o c e s s i n gr o u t e s 在e c a p 挤压变形过程中，试样与模具之间必然要产生阻止金属流动的摩擦 力。由于摩擦的存在，不仅增加了金属的变形抗力，大大增加了挤压力，使模具 产生磨损，缩短设备和模具的寿命，而且会对塑性变形区的分布以及工件组织的 均匀性产生很大的影响。这是因为工件和模具内壁接触时摩擦的作用使金属质点 的流动受阻，使得侧壁周围的金属流动速率比工件中心部分的金属流动速率慢， 因而导致塑性变形不均匀，从而影响材料组织的均匀性。当摩擦较小时，变形区 主要集中在转角中心部位；而当摩擦较大时，变形区从转角中心向后延伸到转角 区之后，并且区域扩大【5 5 】。 s e g a l 分析指出，没有摩擦力时，工件只在通道交接的平面处发生单纯的剪切 变形，材料各处形变均匀；而在有摩擦力的情况下，不仅挤压力大大增加，而且 材料将在通道交接的平面附近产生一扇形区域，在顶角处不发生变形只在扇形区 域发生塑性变形，导致材料在模具中变形不均匀，得不到均匀的微观组织。 1 3 2 4 挤压道次 e c a p 技术的一个显著优势是加工后的试样其几何形状几乎不发生变化，可以 江苏大学硕士学位论文 在同一模具内重复进行挤压实验，随着挤压次数的增加，材料内部累积的真应变 不断增加，内部变形加剧，很多文献都对此进行了报道。对于具体的材料而言， 随着挤压次数的增加，材料内部晶粒被细化，当挤压次数达到一定值后，晶粒 被细化很小或不能再被细化，此时挤压效果不明显甚至没有。 1 3 2 5 挤压温度 挤压温度变化对防止工件开裂、工件晶粒细化行为有很大的影响，国内外许 多专家对此进行了深入研究。s e m i a t i n 等人研究了工作温度对e c a p 操作的影响， 指出对于塑性较差的材料需要在较高的温度下进行工作，如工业纯钛塑性差，室 温时进行e c a p 实验试样容易产生断裂现象，随着操作温度的升高，在3 2 5 下一 定应变速率下挤压，纯钛可以产生均匀变形。y a m a s h i t a 等人【5 6 】用纯铝、a 1 3 m g 合金、a 1 3 m g 0 2 s e 合金进行e c a p 实验，结果表明随着挤压温度的升高， 晶粒尺寸呈长大趋势。 1 3 2 6 挤压速度 k a m a c h i 等人【5 7 1 用9 9 9 6 的铜试验时也发现挤压速度在0 2 。18m m s 范围内， 挤压速度不会对晶粒的细化产生太大的影响。z h o r i t a 5 8 1 等人研究了挤压速度对 a 1 及其合金的微观结构演变的影响，在室温下用= 9 0 0 的模具，采用路线b c ，分别 以8 5 x 1 0 。3m m s 和7 6i l l m s 的挤压速度对纯铝工件进行了四次挤压，结果表明，至 少在1 0 一m m s 一1 0m l i l $ 速度范围内，挤压速度对材料微观结构的影响不是很大。 b e r b o n 等人【5 9 】研究了挤压速度在一定的范围内时，对材料细化的影响。结果表明 挤压速度对晶粒的尺寸没有多大的影响，然而却对挤压后晶粒的均匀分布有影响。 因为挤压速度较慢时，回复更容易发生，从而使得因变形产生的晶内和晶界上的 位错较少，因而得到了较为平衡的显微结构。此外，挤压速度还影响工件经过模 具时的摩擦生热量。 1 3 3 等通道转角挤压的特性 等通道角挤压技术是通过大剪切变形实现细化材料组织的有效方法，能够获 得超细晶组织结构( 亚微米级甚至纳米级) ，为发展新材料和改善传统材料性能 1 0 江苏大学硕士学位论文 创造了条件，由于其设备工艺简单所以得到广泛的应用。与其它的金属材料强烈 塑性加工工艺相比，e c a p i 艺具有独特的优点： ( 1 ) e c a p 技术的首要特点是它在加工过程中块体材料形状不发生改变，因而 可以进行多次挤压，使各次变形的应变量累积迭加，以达到所需的变形程度；能 实现强烈的塑性变形，通过多道次的挤压变形，实际的等效真应变可以达到很高 的水平从而可以在材料内部产生较大的应变，这与传统的工艺如轧制与挤压相比 具有独特的优点。 ( 2 ) 挤压过程中发生的是纯剪切变形，变形区很小，因而变形比较均匀，通 过变形区的工件表现出几乎完全均匀的宏观变形，这点可从组织的演化与有限元 分析中得到验证。 ( 3 ) 适应于大的块体材料，在挤压过程中，块体的尺寸大小可由挤压模具进 行控制，即使采用比较小的模具仍然可以获得比较大的块状材料。 ( 4 ) 与制备块体纳米材料的其它方法相比，e c a p 法避免了研磨中可能带入的 杂质以及超细微粉冷压合成法制备的超细晶材料中存在的大量微孔刚6 0 石3 1 ，是制 、备三维大尺寸致密超细晶块体材料的有效工艺，有很大的工业应用潜力。 ( 5 ) 通过控制相邻道次间工件的旋转角度【“7 0 】，即调整剪切面和剪切方向， 。一可以控制工件在三维方向上的变形，获得不同的组织结构。 但是传统的e c a p 是不连续的，这是e c a p 加工的缺点所在，极大地阻碍了 e c a p 技术的产业化应用，所以必须探求新的加工方法来制备块体纳米晶体材料。 。1 4 板材连续剪切变形法( c 2 s 2 ) 1 4 1c 2 s 2 基本原理、特点 c 2 s 2 变形过程是在一个特别设计的装置中进行【7 1 。7 2 1 ，装置工作原理如图1 1 ( f ) 所示，变形区详细构造( 见图1 7 ) 。装置由两个相交的有微小尺寸变化的通道组成 的挤压腔体，即上模、下模和下驱动轮构成了两个横截面积有少量差异( 入口端 厚度为1 4 5m m ，出口端厚度为1 5 5m m ) 的相互交叉的通道，两通道在模腔通道 内交叉的内角为