（材料学专业论文）纯铝ecap变形组织演化及变形过程模拟.pdf

东北大学硕士学位论文 纯铝e c a p 变形组织演化及变形过程模拟 摘要 e c a p 使材料在等径弯曲通道转角处产生剧烈的剪切塑性变形，从而使变形材 料晶粒细化至亚微米级甚至纳米级。e c a p 作为具有工业化应用前景的强烈塑性变 形方法之一而备受关注。本文以纯铝为研究对象进行了一系列的e c a p 实验，并 对e c a p 变形过程进行模拟、分析，主要内容如下： ( 1 ) 纯铝e c a p 变形过程中的组织演化及细化机制分析 以b c 方式在室温下进行了铸态、轧制态、退火态纯铝的多道次e c a p 变形。 实验结果表明：e c a p 方法能够使材料晶粒显著细化，经过8 道次变形后均获得了 等轴细晶组织。 经8 道次e c a p 变形后，铸态纯铝的晶粒尺寸由原始的1 o 1 5 m m 细化到 1 4 i t m 左右。c l n 态及退火态纯铝虽然初始组织状态与铸态纯铝差别很大，但是在 相同变形条件下经过8 道次变形后均获得了等轴细晶组织，且晶粒尺寸相差不大； 表明同种材料e c a p 变形前的初始状态对细化的影响很微弱，即e c a p 变形前无 需对材料进行复杂的预处理。在纯铝中添加少量的z n 形成a 1 3 3 w t z n 合金，其 经过8 道次e c a p 变形后也获得了等轴细晶组织，且大角度晶界的比例较大，晶 粒尺寸为1 3 岫左右。e c a p 变形后材料的硬度增大。1 道次变形后硬度增大趋势 尤为明显，随后增大的趋势变缓，e c a p 变形4 道次后硬度的增大趋势更为平缓。 室温e c a p 变形晶粒细化机制可描述为：应变较小时，在强烈的剪切应变作 用下，原始的粗晶内产生了一系列具有小角度晶界的亚晶带。随着应变的增加， 变形带内的亚晶粒逐渐细化。随着应变的进一步增加，亚晶发生转动，使得亚晶 界间的取向差逐渐增大，最终形成大角度晶界，获得等轴细晶组织。通过分析认 为此过程中发生了连续动态再结晶。 ( 2 ) e c a p 变形过程的数值模拟与分析 采用商用有限元分析软件m s c s u p e r f o r m ，实现了纯铝e c a p 多道次变形过 程的数值模拟。分析了多道次变形过程的变形行为及等效应变分布规律，研究了 模具几何形状对变形的影响，以及变形试件与通道内表面间的摩擦对变形的影响。 根据模拟所得的载荷一变形时间曲线，可将e c a p 变形过程分为4 个阶段： - - 东北大学硕士学位论文 摘要 开始阶段、过渡阶段、稳定阶段和终了阶段。其中稳定阶段为主要的变形阶段， 在此阶段中材料连续稳定地发生剧烈剪切变形，相应的载荷基本保持不变。e c a p 变形过程中除了下表面和两端部网格畸变程度较小之外，试件大部分区域内网格 发生了剧烈的剪切变形。以c 方式进行的多道次变形过程中，如果试件初始晶粒 组织为等轴状态，则经过2 n 次剪切变形后回复到等轴状态。 随着变形的进行，在模具转角处发生了剧烈的剪切变形，剪切应变在试件中 得到累积，到稳定变形阶段试件中部已经获得了较大的等效应变。多道次变形过 程中一直存在着一个最大的、稳定的、均匀的等效应变分布区域，且该区域内的 等效应变值也随着变形道次的增加而增加。同时，变形在试件整体内的分布是不 均匀的，这种不均匀随着道次的增加而累积，使得等效应变的增加幅度在试件的 各个不同区域是不同的。 模具本身的几何形状不仅影响着试件变形过程中所获得的最大等效应变的大 小，同时还影响着等效应变的分布情况。从( d 和对等效应变的影响程度来看， 中起主导作用，随着巾值的增加v 值对等效应变的影响变小。随着v 角的增大， 试件内发生稳定变形的区域减小，且等效应变分布的不均匀性增大。 当模具角度中为9 0 。、t r d 为0 0 、摩擦因子m 为0 2 时，变形后试件底部区域 内的网格被严重拉长，且等效应变值很大；摩擦的存在使得试件内部变形分布的 不均匀性加剧，局部等效应变值剧增，是极为不利的因素。除了采用润滑剂来减 小摩擦的影响之外，适当增大角度1 l ，能提高模具转角处金属的流动性，从而消除 摩擦的不利影响。 关键词：强烈塑性变形，等径弯曲通道变形，纯铝，晶粒细化，有限元方法， 数值模拟 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t m i c r o s t r u c t u r a le v o l u t i o na n ds i m u l a t i o no f p u r ea l u m i n u md u r i n ge c a pp r o c e s s a b s t r a c t d u r i n ge 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 ) p r o c e s s ，m a t e r i a l su n d e r g os e v e r e s h e a rp l a s t i cd e f o r m a t i o na tt h ei n t e r s e c t i o no f t h et w oc h a n n e l s a f t e rt h a t g r a i n so f t h e d e f o r m e dm a t e r i a l sa r eg r e a t l yr e f i n e dt om i c r o m e t e rs i z eo re v e nt on a n o m e t e rs i z e e c a pi sa tp r e s e n to n eo ft h em o s tp r o m i s i n gs p dt e c h n i q u e st h a tc a l lp r o c e s sb u l k u l t r a f i n e g r a i n e dm a t e r i a l sf o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r , as e r i e so fe c a p e x p e r i m e n t so fp u r ea ia n ds i m u l a t i o n so fe c a pd e f o r m a t i o np r o c e s sa r ec o n d u c t e d t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w ： ( 1 ) m i c r o s t r u c t u r a le v o l u t i o no f p u r ea 1d u r i n ge c a pp r o c e s sa n da n a l y s i so f t h e m e c h a n i s mo fg r a i nr e f i n e m e n t t h ee c a pe x p e r i m e n t sa r cc o n d u c t e do ns a m p l e so f 勰一c a s t r o l l e da n da n n e a l e d p u r ea ia tr o o mt e m p e r a t u r ei nr o u t eb c t h er e s u l t si n d i c a t et h a te c a pc a ng r e a t l y r e f i n eg r a i n s ，a n dp r o d u c em i c m s t r u e t u r ec o n s i s t i n go fe q u i a x e da n df i n eg r a i n sa f t e r8 p r e s s i n g s t h eg r a i ns i z eo fa s - c a s ta ii sr e d u c e df r o m1 0 i 5 m m i n i t i a l l y t oa b o u t 1 4p ma f t e r8p r e s s i n g s i nt h es a m ec o n d i t i o n s ，t h em i c r o s t r u c t u r e so fr o l l e da n d a n n e a l e dp u r ea 1a l s oc o n s i s to fe q u i a x e da n df i n eg r a i n sa f t e r8p r e s s i n g s ，a l t h o u g h t h e r ei ss i g n i f i c a n td i f f e r e n c eb e t w e e nt h e i ri n i t i a lm i c r o s t r u c t u r e sa n dt h a to fa s c a s t p u r ea i t h i ss u g g e s t st h a ti n i t i a lm i c r o s t r u c t u r e sd o n th a v er e m a r k e de f f e c t so ng r a i n r e f i n e m e n td u r i n ge c a pp r o c e s s i ti sa l s oo b t a i n e df o ra 1 - 3 3 w t z nt h a tr e f i n e d m i c r o s t r u c t u r ec o n s i s t i n go fe q u i a x e dg r a i n sh a v i n gas i z eo fa b o u t1 3u ma f t e r 8 p r e s s i n g s ，a n dt h ef r a c t i o no fh i 曲a n g l eb o u n d a r i e si n c r e a s e s t h ev i c k e r sh a r d n e s so f m a t e r i a l si n c r e a s e sw i t l lt h en u m b e ro fp r e s s i n g sd u r i n ge c a pp r o c e s s o n ep r e s s i n g l e a d st oav e r ys i g n i f i c a n ti n c r e a s ei nt h eh a r d n e s s ，a n dt h e nt h et r e n do fi n c r e a s eg e t s s l o w e rw i t l lt h ei n c r e a s eo f t h en u m b e ro f p r e s s i n g s e s p e c i a l l ya f t e r4p r e s s i n g s t h em e c h a n i s mo fg r a i nr e f i n e m e n td u r i n ge c a pp r o c e s sc a r lb ed e s c r i b e da s 东北大学硕士学位论文a b s t r a e t f o l l o w ：w h e nt h es t r a i ni ss m a l la tt h eb e g i n n i n go ft h ed e f o r m a t i o np r o c e s s ，t h e r ea r ea s e r i e so fp a r a l l e lb a n d so fs u b g r a i n sw i t hl o wa n g l eb o u n d a r i e sf o r m e di n s i d et h ei n i t i a l c o a r s eg r a i n sa f t e rt h es e v e r es h e a rp l a s t i cd e f o r m a t i o n w i t ht h ei n c r e a s eo ft h es t r a i n ， t h es i z eo fs u b g r a i n si sg r a d u a l l yr e d u c e d w h e nt h es t r a i ni sf u r t h e ri n c r e a s e d ，t h e s u b g r a i n sg r a d u a l l yr o t a t e ，w h i c hi n c r e a s e st h em i s o r i e n t a t i o no fl o wa n g l es u b g r a i n b o u n d a r i e sa n df o r m si n t o h i g ha n g l eb o u n d a r i e sa t l a s t c o n t i n u o u sd y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o no c c u r sd u r i n gt h i sd e f o r m a t i o np r o c e s s ( 2 ) s i m u l a t i o n sa n da n a l y s i so f e c a pd e f o r m a t i o np r o c e s s u s i n gt h ec o m m e r c i a lf i n i t ee l e m e n ts o r w a r em s c s u p e r f o r m ，t h es h e a rp l a s t i c d e f o r m a t i o nb e h a v i o ro fp u r ea l u m i n u md u r i n gam u l t i p l e - p r e s s i n ge c a pp r o c e s si n r o u t ecw i t ht h ed i ea n g l e 中= 9 0 0i si n v e s t i g a t e da n da n a l y z e d i n c l u d i n gt h ee f f e c to f d i es h a p ea n df r i c t i o n a c c o r d i n gt ot h el o a d - t i m ec u l w e ，t h ed e f o r m a t i o np r o c e s sc a nb ed i v i d e di n t of o u r s t a g e s ：i n i t i a ls t a g e ，t r a n s i t e ds t a g e ，s t e a d ys t a g ea n df i n a ls t a g e 。s t e a d ys t a g ei st h e m a i nd e f o r m a t i o n s t a g e ，d u r i n g w h i c hs e v e r es h e a rd e f o r m a t i o n s t e a d i l y a n d c o n t i n u o u s l yo c c u r ss ot l l a tt h el o a dr e m a i n sas t e a d yv a l u e a na p p r o x i m a t e l yu n i f o r m s h e 雒i si m p o s e do nt h em a j o r i t yo f t h es a m p l ed u r i n ge c a pp r o c e s s ，e x c e p tt h eb o t t o m s i d ea n dt h et w oe n d so fas a m p l e t h es h e a rd i r e c t i o ni ny p l a n eh a sa na p p r o x i m a t e o b l i q u i t yo f4 5 0 r e l a t i v et ot h el o n g i t u d i n a la x i so ft h e s a m p l e ，a n dt h ea s s o c i a t e d d e f o r m a t i o nr e s t o r e st h ee q u i a x e ds t r u c t u r ei nt h i sp l a n ea f t e ro n l ye v e r yo t h e rp r e s s i n g d u r i n gac o n s e c u t i v ep r e s s i n go f t h eg r a i n si nr o u t ec au n i f o r m r e g i o n o fm a x i m u m e q u i v a l e n t s t r a i na c c u m u l a t e d i na m u l t i p l e p r e s s i n gp r o c e s si so b t a i n e d ，a l t h o u g ht h ed e f o r m a t i o ni si n h o m o g e n e o u si n t h ew h o l es a m p l e t h i si n _ h o m o g e n e o u s n e s si sa c c u m u l a t e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h e n u m b e ro fp r e s s i n g s s ot h ed i s t r i b u t i o no ft h ee q u i v a l e n ts t r a i n i nt h es a m p l ea f t e r m u l t i p l ep r e s s i n g sr e m a i n si n h o m o g e n e o u s ，t h a ti st os a yt h a tt h ee q u i v a l e n ts t r a i n i n c r e m e n tv a r i e si nt h ed i f f e r e n tr e g i o n so f t h es a m p l e t h ed i es h a p en o to n l yh a se f f e c to nt h em a x i m u me q u i v a l e n ts t r a i no b t a i n e d d u r i n gt h ed e f o r m a t i o np r o c e s s ，b u ta l s oo nt h ed i s t r i b u t i o no ft h ee q u i v a l e n ts t r a i n f r o mt h ee f f e c to ft h ea n g l e0a n da n g l e v ，a n g l e * i st h em a i nf a c t o r , a n dt h ee f f e c to f a n g l e q j d e c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s e o f a n g l e * w i t h t h e i n c r e a s e o f a n g l e l l ，t h e u n i f o r m d e f o r m a t i o nr e g i o no ft h es a m p l ed e c r e a s e sa n dt h ei n h o m o g e n e o u s n e s so fe q u i v a l e n t v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t r a l ni n c r e a s e s t h ee x t e n to fi v _ h o m o g e n e o u sd e f o r m a t i o ni nt h es a m p l ei n c r e a s e si nc a s eo f f r i c t i o na n das h a r po u t s i d ec o m e rd i e ( 巾= 9 0 0 ，v = o 。，a n dt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t m = o 2 1 t h ee f f e c ti sp a r t i c u l a r l ys e v e r ea tt h eb o t t o ms i d eo ft h es a m p l e i ti st h u s a d v a n t a g e o u st ou s eap r o p e rd i ea n g l e w t oe n c o u r a g eh o m o g e n e o u sd e f o r m a t i o n k e y w o r d s ：s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ( s p d ) ，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 ) ，p u r ea 1 ，g r a i nr e f i n e m e n t ，f i n i t ee l e m e n t ( f e m ) m e t h o d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n v i 东北大学硕士学位论文声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：建孤甬 日期：2 鲫士2 - 。站 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 超细晶( u l t r a f i n e g r a i n e d ) 材料( 包括亚微米晶材料和纳米晶材料) 由于晶 粒极细，晶界所占体积比例远远高于一般材料的比例及其独特的缺陷结构，表现 出一系列不同寻常的物理( 如居里温度、德拜温度、磁性、弹性模量、扩散系数 等) 、化学、力学和加工成形性能i l 3 1 ，成为近年来材料科学领域的研究热点之一。 细化金属或合金晶粒的方法有合金化、热处理等，而超细晶材料的制备方法 包括金属蒸发一冷凝压制法【4 】、机械研磨澍5 l 、机械合金化【6 】、非晶晶化法【7 】、摩 擦压扭法【8 】、电解沉积法【9 】、快速凝固法【10 】等。超细晶材料制备的一个主要目标是 获得大尺寸的超细晶试样，同时要求晶界清洁致密，无微孔隙等。上述制备方法 由于存在一定的缺点而限制了其在大尺寸超细晶金属材料制备上的应用。例如： 金属蒸发一冷凝压制法工艺设备复杂，成本高，所制备的超细晶金属材料中会存 在大量的微孔隙；机械研磨法制备的超细晶材料容易引入来自研磨介质的污染： 非晶晶化法的原材料一般为条状、片状或粉末状，而且仅适用于那些化学成分上 能够形成非晶结构的材料。为了获得大尺寸块体超细晶金属材料，近年来出现了 一些强烈塑性变形( s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ，s p d ) 方法。s p d 技术不仅可以克 服上述方法制备超细晶材料成形过程中存在的微孔隙和界面污染，而且可以制备 大尺寸块体超细晶材料，这为研究超细晶材料独特的物理、力学性能和变形机理 提供了方便，也有利于超细晶材料在实际中的应用。s p d 方法是目前块体超细晶 材料的重要制备方法之。 1 2 强烈塑性变形( s p d ) 概述 众所周知，塑性加工是改善材料组织性能极为有效的方法之一。传统的压力 加工技术( 如轧制、挤压、拉拔等) 可以细化晶粒1 1 1 】，然而要想采用传统的塑性 加工方法制备超细晶材料，就必须获得很大的塑性变形1 2 1 。强烈塑性变形具有将 粗晶金属的晶粒细化到亚微米甚至纳米量级的巨大潜力，已经引起了人们的极大 关注。s p d 制备超细晶材料是通过对粗大晶粒的多次重复变形，从而将晶粒尺寸 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 细化直至纳米量级。采用s p d 制备超细晶材料必须考虑以下一些因烈i ：首先， 获得具有大角度晶界的纳米结构是保证性能改善的先决条件；其次，试样整体上 具有均一的纳米结构是保证性能稳定所必不可少的；第三，强烈塑性变形后，试 样应无破损或开裂：尤其重要的是，要能够在相对较低的温度和高压下获得大的 塑性应变。 到目前为止，已经出现了多种强烈塑性变形工艺，包括高压扭转 1 3 - 1 8 ( h i g h p r e s s u r et o r s i o n ，h p t ) 、叠轧技术 1 9 - 2 3 1 ( a c c u m u l a t i v er o l lb o n d i n g ，a r b ) 、反复折 皱一压直法1 2 4 - 2 6 ( r e p e t i t i v ec o r r u g a t i o na n ds t r a i g h t e n i n g ，r c s ) 、多向模锻1 2 7 】 ( m u l t i p a s s c o i nf o r g i n g ，m c f ) 、循环挤压【2 s 】( c y c l i ce x t r u s i o nc o m p r e s s i o n ， c e c ) 、等径弯曲通道变j 侈 2 9 - s 4 1 ( e q u a l c h a n n e l a n g u l a r p r e s s i n g ，e c a p ) 及在其基 础上的连续e c a p 变形方法等。同时也出现了由上述方法所组合而成的变形过程， 如e c a p 与h p t 的组合【5 5 1 、e c a p 与冷轧的组合【5 6 1 等。下面简要介绍几种强烈塑 性变形方法。 1 2 1 高压扭转 高压扭转( h i g hp r e s s u r et o r s i o n ，h p t ) ，又称强烈塑性扭转变形( s e v e r ep l a s t i c t o r s i o n a ls t r a i n i n g ，s p t s ) 。其工作原理是在数个g p a 的压力以及冲头高速旋转产 生的摩擦力和剪切力的共同作用下使试样获得强烈的塑性变形，从而制得块体超 细晶材料，如图1 1 所示。由于固定容积的支撑体限制试样宏观上的形状改变，尽 管冲头作用在试样上引入大应变速率，但是h p t 方法处理后的超细晶试样并没有 产生裂纹等缺陷。这种方法制备的超细晶试样一般为圆片状，直径介于1 0 2 0 m m 之间，厚度约为0 2 l m m 。 在常规挤压变形中与圆片的中心轴距离为r 处剪切应变值的计算公式如下： ，= 半 ( i 1 ) 式中的n 是转动圈数，z 为试样的厚度。这里需要注意两点，一是此公式的计 算结果显示从试样中心到边缘的直径方向上应变值不同；二是大应力下试样的厚 度将从原始厚度减少两倍，这也是传统上用原始厚度计算的应变值小于真实的应 变值的原因。考虑到h p t 方法中剪切应变与其他方式应变的共同作用，常常使用 等效应变占。来表示应变值，即 2 责 2 ( 1 2 ) 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 细化直至纳米量级。采用s p d 制各超细晶材料必须考虑以下一些因素i ：首先， 获得具有大角度晶界的纳米结构是保证性能改善的先决条件；其次，试样整体上 具有均一的纳米结构是保证性能稳定所必不可少的：第三，强烈塑性变形后，试 样应无破损或开裂：尤其重要的是，要能够在相对较低的温度和高压下获得大的 塑性应变。 到目前为l i = ，已经出现了多种强烈塑性变形工艺，包括高压扣转【1 3 _ 1 s ( h i g h p r c s s n r et o r s i o n ，h p t ) 、叠轧技术1 9 。”( a c c u m u l a t i v er o l lb o n d i n g ，a r b ) 、反复折 皱一压直法【2 4 - 2 6 ( r e p e t i t i v ec o r r u g a t i o na n ds t r a i g h t e n i n g 。r c s ) 、多向模锻1 2 7 】 ( m u l t i p a s sc o i nf o r g i n g ，m c f ) 、循环挤压【2 b 】( c y c l i ce x t r u s i o nc o m p r e s s i o n ， c e c ) 、等径弯曲通道变形1 2 9 _ 5 4 1 ( e q _ 【l a l c h a n n e l a n g u l a r p r e s s i n g ，e c a p ) 及在其基 础上的连续e c a p 变形方法等。同时也出现了由上述方法所组合而成的变形过程， 如e c a p 与h p t 的组合 ”1 、e c a p 与冷轧的组合【5 6 1 等。下面简要介绍几种强烈塑 性变形方法。 1 2 1 高压扭转 高压扭转( h i g l l p r e s s u r e t o r s i o n ，r p t ) ，又称强烈塑性扭转变形( s e v e r e p l a s t i c t o r s i o n a ls t r a i n i x _ l g ，s p t s ) 。其工作原理是在数个g p a 的压力以及冲头高速旋转产 生的摩擦力和剪切力的共同作用下使试样获得强烈的塑性变形，从而制得块体超 细晶材料，如图l1 所示。由于固定容积的支撑体限制试样宏观上的形状改变，尽 管冲头作用在试样上引入大应变速率，但是h p t 方法处理后的超细晶试样并、没有 产生裂纹等缺陷。这种方法制备的超细晶试样一般为圆片状，直径介于1 0 2 0 m m 之间。厚度约为0 2 i m m 。 在常规挤压变形中与圆片的中心轴距离为r 处剪切应变值的计算公式如下： ，：2 z r _ r n( i 1 ) 式中的n 是转动圈数，为试样的厚度。这里需要注意两点，一是此公式的计 算结果显示从试样中心到边缘的直径方向上应变值不同；二是大应力下试样的厚 度将从原始厚度减少两倍，这也是传统上用原始厚度计算的应变值小于真实的应 变值的原因。考虑到h p t 方法中剪切应变与其他方式应变的共同作用，常常使用 等效应变s 。来表示应变值，即 等效应变p 。来表示应变值，即 2 舌 2 ( i 2 ) 东北大学硕士学位论文第一章绪论 目前，采用高压扭转已经成功地制备了c u t l 3 , 1 4 、n i 15 1 、a 1 和a 1 合金 1 6 , 1 7 l 、 t i 合金【1 7 1 、n i 3 a 1 、f e 3 a 1 和n i t i 金属间化合物b 6 , 1 s 。由于不能制备体积更大的超 细晶材料，使得高压扭转的应用受到了限制。 图1 1 高压扭转原理示意图 f i g 1 】s c h e m a t i c i l l u s t r a t i o n o f h p t p r o c e s s i n g 图1 2 叠轧技术原理示意图 f i g 1 2s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f a r bp r o c e s s i n g p r e s s illl e 烈o cp i 8 婢潮 、厂、 i 图1 _ 3 反复折皱一压直法原理示意图 f i g 1 3s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f r c sp r o c e s s i n g p 圈1 4 等径弯曲通道变形示意图 f i g 1 4s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f t h ee c a pf a c i l i t y 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 叠轧技术 为了适应超细晶材料的工业化生产，日本学者s a i t o 等提出了一种新的制备超 细晶材料的强烈塑性变形方法叠轧技术( a c c u m u l a t i v er o l lb o n d i n g ，a r b ) b 9 - 2 3 1 。在叠轧变形过程中，轧制件经过多次裁剪、堆叠、轧制，由此获得较大的 塑性变形，如图1 2 所示。经过叠轧变形的纯m 晶粒得到了显著细化，晶粒平均 尺寸由变形前的3 7 啪细化到变形后的6 7 0 n m ，拉伸强度达到3 0 0 m p a 【2 l 】；i f 钢( 晶 粒尺寸为4 2 0 n m ) 的拉伸强度达到8 7 0 m p a ，是原始材料强度的3 倍多【2 2 0 ”。叠轧 变形不仅可以连续生产大尺寸的超细晶材料，而且不需要特殊的专用设备。但是， 叠轧变形生产的超细晶材料的延展性还不是十分理想。 1 2 3 反复折皱一压直法 反复折皱一压直法( r e p e t i t i v ec o r r u g a t i o na n ds t r a i g h t e n i n g ，r c s ) ，也称强制 槽型压制法( c o n s t r a i n e dg r o o v ep r e s s i n g ，c g p ) ，或反复剪切变形( r e p e a t e ds h e a r d e f o r m a t i o n ，r s d ) 【2 4 。2 6 1 是近几年来才出现的一种强烈塑性变形方法。该方法的变 形原理如图1 3 所示，槽型模具的上模与下模之间的距离与试样的厚度相同，变形 过程中试样的断面形状不改变。首先，第一道次压制过程中由于槽型模具上下模 的压制使得试样靠近凹槽的区域发生了平面变形条件下的纯剪切变形；第二道次 通过对试样进行平面压制使得试样上已发生变形的区域获得反向的剪切变形；接 着将试样旋转1 8 0 0 重复前面的变形过程使得试样尚未变形的区域获得同样的剪切 变形。通过这种方法，在不改变工件的断面形状的情况下，试样经过多次反复折 皱、压直后获得很大的塑性变形，从而使晶粒细化。目前对反复折皱一压直变形 过程的晶粒细化机理、变形行为、材料性能等问题的研究还不充分。 1 2 4 等径弯曲通道变形 等径弯曲通道变形( 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 ) ( 如图1 4 所示) ， 也称作等通道转角挤压( e q u a lc h a n n e la n g u l a re x t r u s i o n ，e c a e ) 。e c a p 是由 s e g a l 2 川及其合作者于上个世纪8 0 年代初提出的，最初的目的是在不改变试样横截 面积的同时引入强烈塑性变形。自1 9 9 1 年国际材料研讨会后，各国的专家、学者 对这种独特的加工方法产生了浓厚的兴趣，开始了一系列的开发研究。同其它s p d 4 东北大学硕士擘位论文 第一章绪论 方法相比，e c a p 可较容易地实现多次重复变形，试样在变形过程中承受严重的纯 剪切应变，使试样在断面形状和尺寸不改变的情况下获得大塑性变形，从而使组 织细化到亚微米甚至纳米数量级，且得到的是致密，无污染的块体超细晶材料： 同时，调整剪切面和剪切方向可以获得不同的结构和组织。因而近年来，e c a p 技 术作为通过强烈塑性变形而获得大尺寸亚微米或纳米级块体材料的最有效的方法 之一日益受到材料科学界的重视。 e c a p 研究的材料有纯金属n i l 3 0 l ，c u l s t 3 2 1 ，a 1 1 3 3 , 3 4 ，t i t 3 5 】等，合金有普通低 碳钢口t 3 7 l ，t i 一6 a i 4 v 1 3 3 l ，1 4 2 0 a 1 1 3 9 4 ，a 1 m g 4 2 4 4 t ，7 4 7 5 a l a s ：6 j ，a i l i l 4 7 1 ，z n a i 合金( 48 1 ，a z 9 1 1 4 9 1 ，a z 3 1 1 5 0 1 ，m g l i a i ”1 ，p b s n 吐c u - z n l 5 2 i ，金属间化合物t i a l 53 1 ， 以及金属基复合材料肛4 】等，目前研究范围仍然在扩大。已有的研究涉及材料经 e c a p 加工后各种性能( 主要包括力学性能，物理性能等) 的变化；变形工艺，包 括变形温度、变形速率、变形过程中试样的旋转方式、模具的几何形状、挤压道 次等参数对变形过程中的结构演化的影响及结构演化的内在机制的探索等。 图1 5e c a p 纯剪切示意图 f i g 1 5p r i n c i p l eo fs h e a r i n g0 1 1p a s s a g et h r o u g ht h ee c a pd i e 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 3e c a p 的研究概况 1 3 1e c a p 变形原理 e c a p 是一种以纯剪切方式实现块体材料大塑性变形的工艺。它利用加工过程 中存在的加工硬化、动态回复以及动态再结晶来控制材料微观组织的形成和发展， 从而达到细化晶粒、提高性能的目的。如图1 4 所示，模具中两个具有相同横截面 的通道相贯成l 形，其相交内模角为中，外模角为、王，。挤压时，与通道形状一致 且紧密配合、润滑良好的试样放入其中一个通道，试样在压力p 作用下向下挤压， 从另一个通道中挤出。当经过两通道的交截处时，试样产生近似理想的纯剪切变 形，如图1 5 所示。由于变形前后试样的横截面形状和面积不变，故反复挤压可使 各道次变形的应变量累积迭加而得到相当大的总应变量，达到破碎晶粒、增加储 存能的目的。 在试样与模具通道内表面之间完全润滑的条件下，等径弯曲通道变形产生的 总的剪切应变量及等效应变量取决于挤压道次数n 、模具两通道相交的内模角巾和 外模角、王，的大小【5 7 1 ，即： y 。= n ：c 。t ( 詈+ 詈 + v c 。s e c ( 詈+ 詈) c ， 晶= 若 2 c o t ( 詈+ 詈) m 咄c ( 詈+ 詈 4 ， 式中，h 为总的剪切应变：晶为总的等效真应变。 1 3 2e c a p 工艺参数 1 3 2 1 变形道次 根据累积等效应变公式，随着挤压次数的增加，累积的塑性变形量就会越大； 从直观感觉来说，晶粒细化的程度应该更高，但试验的结果并不是这样。c h a n g 等 人用9 9 9 a 1 试样在同一条件下挤压，不同的结果表明：在经过四次挤压之后， 晶粒的平均尺寸已经小于0 8 1 t m ，纵横比大约是2 8 ( 如图1 6 ) 。此后随着挤压次 数的增加晶粒的几何尺寸和纵横比基本上保持不变，但是晶粒间的取向差随挤压 6 东北大学硕士学位论文 第一章 绪论 次数增加而增大，大角度晶界逐渐增加( 如图1 7 ) 。s h i h 等 5 9 1 用纯铜、f e r r a s s e 等 1 6 0 1 用6 0 6 1 a l 合金以及其他许多学者的试验都证明了这个结论【1 2 】。 墓 景 崔 o n 帅研p m s s i n g s 图1 6 纯铝不同道次变骺晶粒尺寸和纵横比1 5 8 1 f i g 1 6 t h ev a r i a t i o n i n g r a i ns i z ea n da s p e c tr a t i o o f p u r e a is u q c o t e d t oc y c l i c e c a p 图1 7 不同道次变形后大小角度晶界比例【5 8 1 f i g 1 7h i g ha n dl o wa n g l eg r a i nb o u n d a r yu n d e rd i f f e r e n tp r e s s i n