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东北犬学硕士学位论文 摘要 等通道转角挤压数值模拟 摘要 超细晶材料具有很多优异的性能，近年来受到很多学者的关注。等通道转角挤压 ( 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 ) 方法是制备超细品材料最有前途的方法之一， 它是通过强烈塑性变形而获得亚微米甚至纳米级微观结构均匀、致密的三维大尺寸块体 材料的一种技术，对该技术制备工艺的研究是十分必要的。本文以纯铝为研究对象，采 用二维和三维有限元模型对不同通道形状( 圆形和方形通道) 的e c a p 变形过程进行一 系列模拟及分析。 运用有限元分析软件a n s y s 对单道次e c a p 二维变形过程进行模拟，研究摩擦及 模具几何形状对变形的影响。从等效应变分布规律和载荷一时间曲线关系得出，e c a p 变 形过程可分为四个阶段：开始阶段、过渡阶段、稳定阶段和终了阶段；摩擦对e c a p 变 形是不利的因素，它使变形试样网格发生畸变，进而导致应变分布不均，应采取有效措 施尽量减小摩擦：随着摩擦的增大，试样与模具外转角之间产生的“间隙”逐渐减小甚 至会消失；从模具角度m 和掣对等效应变的影响程度来看，母起主导作用。 由于二维模型无法得到试样沿宽度方向的应变分布及摩擦对变形的影响，所以采用 三维模型进行模拟是非常必要的。运用m s c s u p e r f o r m 有限元分析软件，对方形通道、 0 = 9 0 。、t = o o 、不同摩擦系数条件下，单道次e c a p 变形进行三维数值模拟，得到金 属试样变形后沿宽度方向金属网格的变形情况、变形试样的接触情况、金属流动速度及 试样内部的等效应变分布规律。通过比较发现：金属在通道的转角处发生剪切变形，沿 宽度方向的z 面由于受到剪切变形作用，方形网格变为平行四边形网格，y 轴下表面网 格发生严重的拉长，y 轴上表面网格没有发生很大变化；单道次变形后，试样与模具通 道之间有2 处间隙：y 轴上表面和外转角。试样与模具通道之间的“间隙”随着摩擦的 增大而减小；金属试样在变形过程中，转角内侧金属流动较慢，外侧流动较快，摩擦的 存在阻碍了已变形试样金属的流动；等效应变在试样的表面和心部及各个方向截面上分 布不均，随着摩擦的增大，稳定区域的最大等效应变值从y 轴上表面向下表面集中。并 且梯度增大。在e c a p 变形过程中，圆形试样变形后总的变形规律与方形试样相似，但 由于圆形试样圆滑过渡而方形试样有棱边，圆形试样比方形试样与模具接触的相对面积 要大，即与模具通道之间的“间隙”要小：圆形试样变形后可以分为三个区域，即载荷 分为三个阶段：初始阶段、稳定阶段和终了阶段；圆形试样变形后等效应变分布稳定区 域的要比方形试样大。 i i 东北大学硕士学位论文摘要 文中对方形通道、o = 9 0 0 、q j = 3 7 0 、无摩擦条件下进行了多道次模拟与分析。通过 比较二道次和四道次不同变形方式的等效应变分布规律，模拟优化得到较好的变形方 式。对各种变形方式进行多道次模拟分析，结果表明：a 方式多次变形会带来很大的不 均匀分布，变形方式不理想，在实验中不宜采用；b a 方式不适合多道次变形；b c 和c 两种方式各有优缺点，b c 方式能够获得均匀的等轴晶组织，而c 方式获得的应变值较 大，所以在具体的实验过程中，可根据不同的需求选取不同的变形方式。同时对圆形试 样二道次和连续的b 方式的e c a p 变形进行模拟，两种方法各有优缺点：采用大压下的 方法实现二道次e c a p 变形是可行的，得到变形后稳定区域的等效应变分布比较均匀； 连续通道变形试样在第一通道稳定区域的等效应变分布梯度较大，第二通道的梯度较 小；采用二道次和连续的e c a p 变形得到的稳定区域的等效应变相差不大：连续变形在 试样经过第二通道时，所需载荷急剧增大，且最大载荷平均值比二道次的载荷大，可根 据加载时所需载荷条件来进行选择。 关键词：强烈塑性变形；等通道转角挤压：有限元方法；数值模拟；摩擦 1 1 1 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f e q u a l c h a n n e l a n g u l a rp r e s s i n g a b s t r a c t u l t r a - f i n em a t e r i a l sh a v ep l e n t ye x c e l l e n tc a p a b i l i t i e sw h i c hh a v ea t t r a c t e dt h eg r o w i n g i n t e r e s t so fs p e c i a l i s t 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 ) i so n eo ft h eb e s tm e t h o d sf o r p r e p a r i n gu l t r a - f i n em a t e r i a l s m 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 em a t e r i a l sc a l lb e o b t a i n e dt h r o u g hs e v e r e p l a s t i cd e f o r m a t i o n ( s p d ) a n dg e t u n i f o r ma n d c o m p a c t m i c r o s t m c t u r e 耐n it h r e ed i m e n s i o n ( 3 d ) h u g es i z eb u l km a t e r i a l s ，s oi ti sv e r yn e c e s s a r yt o s t u d yt h i st e c h n i q u e i nt h i sp a p e r ，as e r i e so f e c a p s i m u l a t i o na n da n a l y s i so f a lw h i c hu s e s 2 da n d3 df i n i t ee l e m e n tm o d e lw i t hd i f f e r e n ts h a p eo fc h a n n e l s ( r o u n da n ds q u a r e c h a n n e l s ) ， t l l i sa r t i c l ea p p l i e sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f h a r ea n s y st os i m u l a t e2 ds i n g l ep a s s o fe c a pa n ds t u d yt h ee f f e c to ff r i c t i o na n dd i eg e o m e t r ys h a p eo nd e f o r m a t i o n i tc a nb e c o n e l u d e df r o md i s t r i b u t i o no fe q u i v a l e n ts t r a i na n dt h el o a d - t i m ec u r v et h a tt h ed e f o r m a t i o n o fe c a pc a nb ed i v i d e df o u rs 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 ； f r i c t i o ni st h ed i s a d v a n t a g ef a c t o rf o re c a pd e f o r m a t i o nw h i c hc a r ll e a ds a m p l eg r i d st o d i s t o r t i o na n dn o n - u n i f o r md i s t r i b u t i o no fs t r a i n s oi ti sn e c e s s i t yt or e d u c ef r i c t i o n n l eg a p s b e t w e e ns a m p l ea n dd i ec h a n n e l sd e c r e a s ee v e nt od i s a p p e a rw i t hi n c r e a s eo ff r i c t i o n ；t h e a n g u l a r 垂i st h em a i nf u n c t i o n f o rt h ed e g r e eo f e q u i v a l e n ts t r a i n 。 t h e2 dm o d e lc a r ln o to b t a i nd i s t i l b u t i o no fs t r a i na n dt h ed e f o r m a t i o ne f f e c to ff r i c t i o n a l o n gw i d t hd i r e c t i o n o fs a m p l e ，s oi ti sv e r yn e c e s s a r yt ou s e3 dm o d e l u s i n gt h e c o m m e r c i a lf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r em s c s u p e r f o r mt os i m u l a t e3 ds i n g l ep a s so fe c a pa n d o b t a i nt h eg r i d sd e f o r m a t i o ns t a t u so fm e t a ls a m p l ea l o n gw i d t hd i r e c t i o n ，c o n t a c ts t a t u so f d e f o r m e ds a m p l e ，m e t a lf l o wv e l o c i t ya n dd i s t r i b u t i o no fe q u i v a l e n ts t r a i no fi n n e rs a m p l e ， w h i c ho nc o n d i t i o nt h a ts q u a r ec h a n n e l ，o = 9 0 0 ，甲= 0 。，a n dd i f f e r e n tf r i c t i o nc o e f f i c i e n t i t c a nb ef o u n d ：s h e a rd e f o r m a t i o no c c u r sa tt h ec o r n e ro f c h m m e l ，a sar e s u l t ，s q u a r eg r i d so f z p l a t ea l o n gw i d t hd i r e c t i o nb e c o m ep a r a l l e l o g r a mg i l d s ，u p o n s u r f a c eg i d so fy a x i so c c u r s e r v e rs t r e t c h ，b o a o m - s u r f a c eg r i d so fya x i sd o e sn o th a v em u c hc h a n g e a f t e rs i n g l e p a s s d e f o r m a t i o n ，t h e r ea r et w og a p sb e t w e e ns a m p l ea n dd i ec h a n n e l s ：u p o n - s u r f a c eo fy a x i sa n d o u t e rc o m e r , t h e s eg a p sd e c r e a s ea sf r i c t i o ni n c r e a s e t h ef l o wv e l o c i t yo fm e t a la ti n n e r i v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m e ri ss l o wa n dt h ef l o wv e l o c i t yo fm e t a la to u t e rc o m e ri sf a s td u r i n gt h ed e f o r m a t i o n , a t t h es a m et i m e ，f i i c t i o nh i n d e r st h ef l o wv e l o c i t yo fd e f o r m e dm e t a l t h ed i s t r i b u t i o no f e q u i v a l e n ts t r a i no nt h es u r f a c e ，i n n e ra n de v e r ys e c t i o ni s n o n - u n i f o r m t h ev a l u eo f m a x i m a le q u i v a l e n ts t r a i ni sc o n c e n t r a t e df r o mu p o n - s u r f a c et ob o t t o m s u r f a c eo fya x i sw i t h t h ei n c r e a s eo ff r i c t i o n , a n dt h eg r a d i e n ti n c r e a s e s b e c a u s eo ft h es h a p eo fr o u n ds a m p l ei s d i f f e r e n tt os q u a r es a m p l e ，t h e r ei ss o m ed i f f e r e n c ed u r i n ge c a pd e f o r m a t i o n ：t h ec o n t a c t a r e a so fr o u n da r el a r g e rt h a ns q u a r eb e t w e e ns a m p l ea n dd i ec h a n n e l s ，i e ，t h eg a p sb e t w e e n t h e ma r es m a l l t h e r ea r et h r e er e g i o n so fd e f o r m e ds a m p l e i e 1 0 a dc a nb ed i v i d e dt h r e e s t a g e s ：i n i t i a ls t a g e ，s t e a d ys t a g ea n df i n a ls t a g e t h es t e a d ya r e a so fe q u i v a l e n t s t r a i no f r o u n ds a m p l ea r el a r g e rt h a ns q u a r es a m p l e m u l t i p a s so fe c a pa r es i m u l a t e da n da n a l y z e do nc o n d i t i o nt h a ts q u a r ec h a n n e l m = 9 0 。，、f = 3 7 。，a n dw i t h o u tf r i c t i o n b e t t e rd e f o r m e dr o u t e sc a l lb eo b t a i n e df r o mo p t i m i z a t i o n o fs i m u l a t i o nt h r o u g hc o m p a r et h ed i s t r i b u t i o no fe q u i v a l e n ts t r a i no ft w oa n df o u rp a s s e s 、i t l ld i 疏r e n tr o u t e s f o u n d ：ai sn o ta ni d e a lr o u t ew h i c hc a nl c a dt on o n - u n i f o r i l l d i s t r i b u t i o no fe q u i v a l e n ts t r a i no fm u l t i p a s s b ai su n f i tt om u l t i - p a s s e sd e f o r m a t i o n t h e r e a r ed i f f e r e n tm e r r sa n dd r a w b a c k so fb ca n dcr o u t e s t h em i c r o s t r u c t u r ei su n i f o r ma n d e q u i a x e do fb cr o u t e ，b u tt h ev a l u eo fe q u i v a l e n ts t r a i ni sl a r g eo fcr o u t e d i f f e r e n tr o u t e s c a nb ec h o s e na ts p e c i f i cc o n d i t i o n a tt h es a m et i m e ，t w o p a s sa n dc o n t i n u o u so fbr o u t eo f r o u n ds a m p l ea r es i m u l a t e d i ti sf e a s i b l et ou s eh e a v yd r a u g h tt oa c h i e v et w o p a s s d e f o r m a t i o n t h ed i s t r i b u t i o no fe q u i v a l e n ts t r a i ni su n i f o r mi ns t e a d yr e g i o n ，w h i c hi sb e r e r t h a ns q u a r es a m p l e t h eg r a d i e n to fe q u i v a l e n ts t r a i no fc o n t i n u o u sd e f o r m a t i o ni sl a r g ei n f i r s tc h a n n e l ，a n db e c o m es m a l li ns e c o n dd m r m e l t h ee q u i v a l e n ts t r a i ni ns t e a d yr e g i o ni s s i m i l a rf o rt h e s et w om e t h o d s t h el o a do fc o n t i n u o u sd e f o r m a t i o ni n c r e a s e sr a p i d l ya ts e c o n d c h a n n e la n dt h em a x i m u ma v e r a g ev a l u eo f l o a di sl a g e rt h a nt w o - p a s s 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 ) ；f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f r i e f t o n v 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，不包含其他人己经发表或撰写过 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：钮乞 日期：- b o o 弓，f 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。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 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 随着现代工业的高速发展，人们对同时具有较高强度和优良塑性材料的需求日益增 加。晶粒细化是提高结构强度的有效方法之一，同时，晶粒细化后对材料的塑性和韧性， 甚至物理性能都有很大改善【l 】。超细晶材料应用潜力极大，在科学界受到了人们的普遍 关注。超细晶材料( 一般认为晶粒尺寸在1 0 1 0 0 0 n m 的材料) 有重要和广阔的应用前 景，成为近年来材料科学领域研究热点之一。 组织细化是提高材料综合性能的有效手段，也是新型高性能材料的发展趋势。为了 达到提高合金性能的目的，人们开发和研究了各种方法来细化多晶材料晶粒。超细晶材 料的制备方法包括金属蒸发冷凝压制法【2 】、机械研磨法1 3 1 、机械合金化【4 】、非晶晶化法 【5 】、摩擦压扭法 6 1 、电解沉积法【7 1 、快速凝固法8 1 和强烈塑性变形法等。上述一些制备方 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。 2 0 世纪8 0 年代，前苏联科学家s e g a l 9 】提出了一种基于大塑性变形理论的等通道转 角挤压( e q u a lc 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 ) 技术，是强烈塑性变形法的- - s 0 ，其最 初目的是在不改变试样横截面积的同时引入强烈塑性变形。e c a p 过程具有工艺简单、 生产成本低等显著优点，且该工艺能获得无疏松孔洞的材料，有效避免了残留孔隙对材 料产生的不良影响。由于在变形过程中不改变试样的横截面积和形状，因而e c a p 过程 只需较低的挤压力就较容易地实现多次重复变形。试样在变形过程中获得较大塑性变 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。块体超细晶粒材料具有大量优良的特性，可做超高强度材料、智能金属材料和超 塑性材料等，广泛应用于航空航天、小型高硬高强金属和合金制品、超导体、变压器以 及微电子器件等领域。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甚至纳米级块体材料， 日益受到材料科学界的重视，被认为是制备超细晶材料最有前途的方法之一。 1 2 e c a p 概述 1 2 1e c a p 变形原理 由于强烈塑性变形可以改变组织结构进而改善金属和合金的力学性能，近年来受到 众多学者的关注。e c a p 法是能够通过均匀剪切应变把大量塑性应变传递给块体材料， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 被广泛用来制备超细晶粒的块体材料。该技术已被美国、日本和中国的研究人员广泛用 于改变材料的微结构。 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。e c a p 是将试样放入具有一定交角的弯曲通道中，试样在 压力作用下通过通道时，在通道弯曲处产生一定量均匀的剪切变形，通道的弯曲角度越 大，试样通过一次的变形量就越大。如图1 1 所示，模具中两个具有相同横截面的通道 相贯通，其相交内转角为o ，外转角为掣。挤压时，将与模具通道形状一致且紧密配合、 润滑良好的试样放入其中通道一端，试样在压力p 作用下向下挤压，从通道另一端中挤 出。如图1 2 所示，当经过两通道的交截处( 弯曲部位) 时，试样产生近似理想的纯剪 切变形。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。根据金属塑性变形理论，原来材料中较大的金 属晶粒将会在很大的塑性变形下被细化成亚微米甚至纳米级的超细晶粒。 图1 1 等通道转角挤压变形示意图 f i g 1 1s c h e m eo f t h ee c a pf a c i l i t y 图1 2e c a p 纯剪切示意图 f i g 1 2p r i n c i p l eo f s h e a r i n go np a s s a g e t h r o u g ht h ee c a pd i e 在试样与模具通道内表面之间完全润滑的条件下，e c a p 产生的总的剪切应变量及 等效应变量取决于挤压道次数、模具两通道相交的内转角m 和外转角甲的大小1 0 1 ， 即： 晶= 击 2 c o t ( 罢+ 升叫詈+ 詈 ， 式中，民为总的等效真应变。典型的0 取值为9 0 。，1 2 0 。弄1 11 5 0 。，此外也有4 5 。和 1 0 0 0 等，通道为圆形或矩形。通道相交处可为圆角，也可为尖角。 一2 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2e c a p 影响因素 变形方式是获得超细晶组织的一个关键性的参数它涉及到相邻两个道次问试样的 旋转问题，即下一个道次哪个面发生剪切变形的问题；挤压道次数与施加在试样上的总 累积应变量相对应；模具的几何形状决定试样在一个变形道次下产生的应变；此外，挤 压速度、变形温度以及试样与模具内壁间的摩擦都是很重要的参数。 1 2 2 1 变形方式 e c a p 变形方式取决于试样在相邻两个道次间的旋转角和内转角m 。在研究e c a p 方法晶粒细化的过程中，人们发现采用不同的变形方式町以改变试样内的剪切平面和剪 切方向，从而对晶粒细化效果具有重要的影响。根据旋转角的不同取值，可以将挤压 方式分为四种i l l j ( 如图1 3 所示) ，即： 方式a ：每次挤压后试样不旋转( c t = 0 0 ) ，直接进入下一道次； 方式b a ：每次挤压后试样绕其纵轴旋转9 0 0 ( a = 9 0 0 ) ，旋转方向交替变换； 方式b c ；每次挤压后试样绕其纵轴旋转9 0 。( c t = 9 0 。) ，但旋转方向不变； 方式c ：每次挤压后试样绕其纵轴旋转1 8 0 0 ( a - 1 8 0 0 ) ，进入下一道次。 图1 3e c a p 变形的四种不同挤压方式1 1 f i g 1 3 t h e f o u r d i f f e r e n t p r e s s i n gr o u t e s i n e c a p p r o c e s s g h o l o n i a a t l 2 j 等对变形组纵内的晶界取向进钉了测试，指出变形方式不同，即使在 有效应变值高达1 6 ，变形状态的演变规律也极为不同。研究结果表明，通过大塑性变形 形成超细晶结构的最有效的方法是保持恒定的变形方式。对于不同挤压方式对晶粒细化 的影响，不同学者得出了一些不同的结论，目前还有待于全面系统的研究。在巾= 9 0 0 时，1 w a h a s h ”】等人对纯铝研究了不同变形方式( a 、b c 、c ) 的影响，认为方式b c 比方 式a 、c 具有更快的晶粒细化效果：o h i s h i 1 4 1 等人则对方式b a 、b c 进行了对比实验。认 为方式b c 比b a 更有效；f u r u k a w a u ”等人认为各变形方式的晶粒细化教果为b c c a 或 为方式b c 比b a 更有效；f u r u k a w a u ”等人认为各变形方式的晶粒细化效果为b c c a 或 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 b a 。而当o = 1 2 0 0 时，g h o l i n i a 【12 j 等人研究了四道次挤压时各变形方式对 a 1 3 m g - 0 2 z r - 0 2 f e 合金的晶粒细化效果的影响，认为a b c b a c 。 变形方式的选择对材料微观结构的影响很大。图1 4 定义了试样的x 、y 、z 方向 和x 、y 、z 平面及不同变形方式加工后的变形情况。可以看出，经过方式a 多道次挤 压后，材料在x 、z 方向上变形较大；方式b a 与a 较为接近：经过方式c 偶数次挤压 后，晶粒恢复到挤压前的形状；对于方式a 、c 由于y 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，而方式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，并且方式b c 使所有的滑移系开动，晶粒 破碎均匀。在挤压4 v 道次后，晶粒恢复为挤压前的形状，形成等轴晶更迅速。s e 刚【9 】 研究了方式a 、c 对材料微观结构的影响，指出变形方式c 能更快地获得大角度晶界， 这是由于在挤压过程中试样受到剪切，晶粒发生滑移或重组，在方式c 中晶粒和亚晶同 时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 t l 3 等人的研究结果表明，在形成大角度晶界方面，方式b c 最快，其次是方式c ，再次是 方式a 、b a 。目前普遍认为当0 = 9 0 0 时，方式b c 具有迅速显著的晶粒细化效果。 一固 d r e a 8 。ds a m p l e a 口口 一 一 一 _一 一 口7 ，一一 0 口。口口口口d0 口口扩、 h 口4 ，- _ p m 一 口 口飞甚、目一e h - 一一 口口扩d口口a0 b d口口d 口貂 口口口a 口 口口口口口口o口 口口口矿口口 口d 口口口口口口0 图1 4 挤压试样方向及不同挤压方式变形示意图 f i g 1 4s c h e m eo f t h et h r e eo r t h o g o n a lp l a n e so f t h es a m p l e ，a n d s h e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c sf o r t h ef o u rp r e s s i n gr o u t e s z h u 等人n 6 1 认为研究挤压方式对晶粒的细化应该综合考虑剪切面、晶体结构和变形 织构之间的相互作用。相邻两次挤压的剪切面夹角是随着挤压方式和通道夹角而变化 的，当0 = 9 0 。时，剪切面的夹角分别是：9 0 。( a ) ，6 0 。( b c ) ，6 0 。( b a ) ，o 。( c ) ；而当o = 1 2 0 。 时夹角分别是：6 0 。( a ) ，4 1 4 。( b c ) ，4 1 4 。( b a ) ，o 。( c ) 。面心立方金属的滑移系为 1 1 1 ) ( 1 1 0 ) ， 四个 1 11 滑移面之间的夹角是7 0 5 。，故相邻两次的剪切面之间的夹角接近7 0 5 。时才有 d 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 利于激活 1 1 1 面上的位错滑移。再综合考虑各面的变形情况，得出当中= 9 0 。时用方式 b c 或者( i ) = 1 2 0 0 时方式a 挤压才比较符合这个要求，因此具有显著的晶粒细化效果。但 多数的实验都是对a l 及其合金，对其它的金属是否适用尚待进一步研究。 1 2 2 2 变形道次 e c a p 变形的特点之一就是可以重复挤压，随着挤压道次数的增加，材料内部累积 的真应变不断增加，内部变形加剧。根据累积等效应变公式( 1 1 ) 可知，随着挤压次数 的增加，累积的塑性变形量就会越大，从而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【l7 j 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 m ，纵横比大约是2 8 ( 如图1 5 ) 。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 随挤压次数增加而增大，大角度晶界逐渐增加( 如图1 6 ) 。s h i h 等【l8 】用纯铜、f e r r a s s e 掣1 9 1 用6 0 6 1 a 1 合金以及其他许多学者的试验都证明了这个结论1 2 0 1 。 出现这种结果，与塑性变形过程中位错的增殖、湮灭及回复作用是分不开的。变形 不大时，位错密度较小，金属内积聚的储存能也较小，这时位错湮灭速度要小于增殖速 度，回复作用不是很明显，从总的效果看位错在增加，位错密度增大，晶粒细化作用较 明显。当变形量达到一定程度后，位错的增殖和湮灭达到动态平衡，同时随着储存能的 增加回复作用逐渐明显，挤压时晶粒的大小和纵横比基本上不再变化。但在变形的过程 中由于相邻晶粒间的相互作用，晶粒还要发生转动，因此晶粒间的取向差会继续增大， 大角度晶界的数量继续增加。 言 3 曼 兰 g n u m b e r o f p t e m i r 啦 图1 5 纯铝不同道次变形晶粒尺寸和纵横比【1 7 l f i g 1 5 t h e v 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 b j e c t e d t oc y c l i c e c a p 5 ， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 图1 , 6 不同道次变形后大小角度晶界比例i l 7 l f i g 1 6 h i g ha n d l o wa n g l eg r a i n b o u n d a r y u n d e r d i f f e r e n t p r e s s i n g n u m b e r 1 2 2 3 模具的几何形状 e c a p 是通过加工过程中材料的剪切变形使晶粒得以细化的，实验表明，随着m 角的 不同，材料的微观组织会有显著的差异1 2 j 】。由方程( 1 1 ) 可知，单道次挤压所产生的 等效应变与模具两通道的几何交角m 和甲有着很重要的关系。从理论上来说，采用选择 不同的角度组合可以使试样受到相同的剪切应变，或者当每次剪切的应变量较小的时候 通过多次挤压使试样达到所需要的总的等效应变。例如m 角9 0 0 的模具与两道次的m 角 1 3 5 0 的模具所产生的等效应变基本相等，分别为1 1 5 和1 1 6 。然而，能否能达到相同的 晶粒细化效果就需要用试验来研究。表1 1 为模具几何形状不同时为获得相同等效应变所 需的挤压道次数。 表1 ，1 模具几何形状不同时力获得相同等效应变所需的挤压道次数 t a b l e1 1n u m b e ro f p r e s s i n g sr e q u i r e df o rs a m ee q u i v a l e n ts t r a i nu n d e rd i f f e r e n td i es h a p e n u m b e r o f p r e s s i n g s ! 竺! ! 壶竺鲨竺坚! ： 皇三! i ! ：竺! ! ! ： 1 1 ( 1 0 5 )2 ( 1 4 2 )3 ( 1 4 0 ) 6 ( 1 3 7 ) 2 2 ( 21 )3 ( 213 ) 5 ( 2 3 4 )9 ( 2 0 5 ) 4 4 ( 4 2 2 )6 ( 42 7 19 ( 4 2 1 ) 1 9 ( 4 3 3 ) 5 7 ( 4 9 8 ) 11 ( 5 1 5 ) 2 1 ( 4 7 8 ) 一6 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 为具体研究角度对e c a p 超细化组织结构及性质的影响，n a k a s h i m a 等人【2 1j 利用m 位 于9 0 1 5 7 5 0 之间的不同模具在室温下进行e c a p 实验。结果表明，尽管试样可以通过具 有大角度m 值的模具压制几次后达到较大的塑性应变，但是通常芳不能产生一系列的超 细晶粒；相反，在m 值接近9 0 0 时，每一道次变形都对试样施加了一个较大的塑性变形， 且最容易得到具有大角度晶界的超纲晶结构。其它研究也表明，在0 = 9 0 0 时，角度因素 最优l 2 2 - 2 4 j 。 1 2 2 4 变形温度 在e c a p 挤压中，挤压温度对微观组织也有一定影响。从热力学的角度来看，金属塑 性变形中如果温度越高。原子具有的内能高，原子热运动更剧烈，变形后处于不稳定的 高自由能状态的金属向变形前低能状态回复的趋势就越大，因此挤压过程中温度对晶粒 细化必然产生影响。y a m a s h i t a 等人【2 5 】对a l 及a l 合金( 9 9 9 9 a 1 ，a i 3 m g ， a i 一3 m g - 0 2 s c ) 从室温至i j 5 7 3 k 范围内使用方式b c 进行挤压，结果发现晶粒尺寸随温 度的升高而增大( 如图1 7 所示) ，且大角度晶界减少，材料的屈服应力也随温度升高而 降低。s h i n 等人【2 6 j 在四种不同温度下对低碳钢进行挤压，发现晶粒尺寸随温度的升高而 降低。这种情况的发生主要归因于在较高温度进行挤压时回复更容易发生，使得变形中 产生的位错被吸收，不利于大角度晶界的形成。可见，在较高温度下对材料进行挤压不 利于大角度等轴晶的形成，这主要是因为高温下材料具有较高的回复速度、位错湮灭速 度，同时也加快了亚晶对位错的吸收。然而，对一些塑性较差的金属，在较高的温度下 进行挤压，却有利于挤压的顺利进行。 耄 盔 羔 善 e c i 咿t e m t l 删a l u ml k ) 图1 7 a i 及a i 合金e c a p 变形后晶粒尺寸与变形温度的关系8 5 1 f i g 1 7 g r a i ns i z e a f t e r e c a p v e r s t l sp r e s s i n g t e m p e r a t u r e f o r a la n d a ia l l o y s 虽然变形过程中较高的温度不利于具有大角度晶界的细晶组织的形成，但对一些硬 度较高的材料，适当的提高变形温度有利于试样挤压的顺利进行。即适当的提高变形温 一7 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 度，材料的变形抗力降低，更易成功的进行e c a p ，以获得分布均匀的超细晶组织。 1 2 2 5 挤压速度 b e r b o n 等人【2 7 1 以热处理后的a l 和a 1 1 m g 合金为挤压材料，挤压速度在1 0 1 0 m m s 范围内时，研究挤压速度对材料晶粒细化的影响。结果表明，挤压速度对晶粒细 化没有多大的影响，然而却对挤压后晶粒的均匀分布有些影响，当挤压速度较慢时晶粒 分布更趋于均匀化。这主要是因为在较低速度挤压时，变形过程中的回复作用时间较长， 因此更多的位错可以被晶界吸收，使得材料的微观结构更加均匀。k a m a c h i 等人拉副用纯 铜试验，发现在挤压速度为0 2 1 8 m m s 范围内，挤压速度不会对晶粒的细化产生很大 的影响。l e e 等人在8 3 m m s 的速度下挤压纯铝也得到了超细晶组织。这些都与b e r b o n 的 结论相吻合，证明了挤压速度对晶粒细化的影响很小。 1 2 3e c a p 研究现状 1 2 。3 1e c a p 的应用 随着科学技术的不断进步，对材料的功能提出了更高的要求，同时，可利用能源的 不断减少，迫切地需要大量的超细晶材料来满足社会的需求。e c a p 作为超细晶制各的 一种新型方法，已经得到了广泛的重视。目前，已利用该方法对a 1 2 9 j 0 1 、c u 3 1 , 3 2 1 、n i l 3 3 】、 t i i “1 等金属或合金 3 4 - 4 6 】、半导体材料和复合材料i 4 7 的加工成型进行了研究，而且该方法 已用于生产加工航天工业和汽车工业上应用的高强钛合金螺纹零件【l j 。同时，随着电子 计算机技术的发展，国内外众多学者采用计算机模拟的方法对e c a p 变形机制和不同的 变形参数的e c a p 过程进行模拟优化。其工业领域的潜在应用主要为几个方面：( 1 ) 制 备高强度轻金属结构材料；( 2 ) 制各超细晶钢；( 3 ) 应用于生物材料；( 4 ) 制备具有超 塑性的材料。 然而，e c a p 方法变形所获得试样的长度由于以下两个因素而受到限制：( 1 )