（材料加工工程专业论文）纯铜致密体及粉末烧结材料挤扭工艺研究.pdf

本论文 士学位论文 主席： 委员： 导师：蛮苹 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金起王些太堂 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 姒 签字日期：矽，f 年伊月砧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，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。本人授 权金胆王些太堂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，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：乡们，年妒月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 名摩弘o 7 i 签字日期：山，年汐月形日 电话： 邮编： 纯铜致密体及粉末烧结材料挤扭工艺研究 摘要 近年来大量研究表明大塑性变形法( s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ，s p d ) 是 制备块体超细晶、改善材料性能的一种行之有效的方法。其目前主要用于改善 致密体材料性能与提高粉末材料的致密度。挤扭( t w i s te x t r u s i o n ，t e ) 工艺 是国内外最新提出的一种新工艺，初步研究表明挤扭法与其它大塑性法变形方 式相似，可使材料产生较大的剪切变形，且具有对设备要求低，工艺实现简单 等优点。因此研究挤扭工艺对材料改性、粉末冶金等领域具有重要意义。 研究挤扭工艺对致密体材料组织性能的影响，首先需研究其变形方式。采 用数值模拟方法对纯铜致密体挤扭进行模拟，获得了挤扭变形过程及各场量大 小及分布。并利用单因素法进一步研究了工艺参数( 如螺旋角、挤扭道次、背 压力) 对挤扭变形的影响。为了验证模拟结果的可靠性以及研究挤扭工艺的组 织性能演化以及变形机制，基于模拟结果设计挤扭模具并在室温下进行纯铜致 密体挤扭实验。结果表明：实验结果与模拟分析较为吻合；挤扭变形可以显著 改善材料的组织和性能；变形为位错滑移和孪生共同作用机制。 致密度是研究粉末烧结材料挤扭成形的关键问题，采用数值模拟方法研究 挤扭道次与路径对粉末烧结材料的应变分布、相对密度分布的影响，结果显示： 挤扭道次增加可以显著提高粉末烧结体致密度；路径对相对密度的分布具有重 要影响。通过实验进一步研究了粉末烧结体挤扭成形，实验结果表明：挤扭成 形可以显著提高粉末烧结体材料的致密度以及力学性能；变形机制为颗粒重排 和孔隙压合共同作用机制。 关键词：挤扭，数值模拟，烧结材料，变形机制，组织性能 s t u d yo nt w i s te x t r u s i o no fd e n s e p u r ec o p p e ra n ds i n t e r e d m a t e r i a l a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，n u m e r o u ss t u d i e ss h o wt h a ts e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ( s p d ) i sa ne f f e c t i v em e t h o dw h i c hi su s e dt op r e p a r ef o rb u l ku l t r a f i n eg r a i nf o r i m p r o v i n gt h em a t e r i a lp r o p e r t i e s i ti sm a i n l yu s e dt oi m p r o v ep r o p e r t i e so fd e n s e b o d i e sa n di n c r e a s et h ed e n s i t yo ft h ep o w d e rb u l km a t e r i a l s t w i s te x t r u s i o n ( t e ) i san e w p r o p o s e ds p dp r o c e s sa th o m ea n da b r o a d p r e l i m i n a r ys t u d i e si n d i c a t e d t h a t ，t ew h i c hc a no f f e rs e v e r es h e a rd e f o r m a t i o ni ss i m i l a rt oo t h e rs p dp r o c e s s e s i ti ss i m p l et oa c h i e v ea n dl o w e rr e q u i r e m e n tt oe q u i p m e n t s ot h er e s e a r c h e so ft e a r ei m p o r t a n tt om a t e r i a li m p r o v e m e n ta n dt h ep o w d e rm e t a l l u r g yf i e l d s t or e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo ft ep r o c e s so nm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f d e n s eb o d i e sm a t e r i a l s ，i ti sn e c e s s a r yt od i s c u s st h ed e f o r m a t i o nm o d e lf i r s t t h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o di su s e dt oi n v e s t i g a t et h ec o p p e rd e f o r m a t i o ni nt h et e p r o c e s sf o ro b t a i n i n gt h ev a l u ea n dd i s t r i b u t i o n o fs e v e r a lc o m p l e x o r f u r t h e r r e s e a r c h e so ni n f l u e n c e so fd i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r s ( s u c ha sh e l i xa n g l e ，t e p a s s ，b a c kp r e s s u r e ) o nt ed e f o r m a t i o ni sd o n eb ys i n g l e - f a c t o rm e t h o d b a s e do n t h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h et em o l dw a sd e s i g n e d t h ee v o l u t i o no fm i c r o s t r u c t u r e a n dp r o p e r t i e sa n dd e f o r m a t i o nm e c h a n i s m so fc o p p e rd e n s eb o d i e se x t r u d e da t r o o mt e m p e r a t u r ew e r es t u d i e d ，t h er e s u l t sw e r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h e s i m u l a t i o n ；t ed e f o r m a t i o nc a ns i g n i f i c a n t l ym a k et h em i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e si m p r o v e d ；d e f o r m a t i o n m e c h a n i s mw a st h ec o m b i n e da c t i o no f d i s l o c a t i o ng l i d ea n dt w i n d e n s i t yi st h ek e yi s s u e so fs i n t e r e dp o w d e rm a t e r i a l sb yt e t h ei n f l u e n c eo f r o u t e sa n dp a s s e so nt h es t r a i nd i s t r i b u t i o na n dr e l a t i v ed e n s i t yd i s t r i b u t i o ni s i n v e s t i g a t e db yf i n i t e e l e m e n tm e t h o d r e s u l t ss h o w , w i t hp a s s e si n c r e a s i n g ， r e l a t i v ed e n s i t yo fp o w d e rs i n t e r e ds i g n i f i c a n t l yi m p r o v e s ；r o u t e sh a v ea ni m p o r t a n t i n f l u e n c eo nt h er e l a t i v ed e n s i t y t h es i n t e r e dp o w d e ri sf a b r i c a t e di n t ob u l k m a t e r i a lb yt e ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ，t ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo n t h er e l a t i v ed e n s i t ya n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs i n t e r e dm a t e r i a l ；d e f o r m a t i o n m e c h a n i s mw a sc o m b i n e da c t i o no fp a r t i c l er e a r r a n g e da n dp o r es t i t c h e dg l i d e k e y w o r d s ：t w i s te x t r u s i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s i n t e r e dm a t e r i a l ，d e f o r m a t i o n m e c h a n i s m ，m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s 致谢 本文的研究工作是在导师李萍教授悉心指导下完成的。导师敏锐的学术思 维和洞察力，丰富的专业知识，积极进取、开拓创新的精神，平易近人的生活 作风，激发学生奋发图强、不断上进。几年来，导师不仅在学习和科研上给予 我们精心的指导，还在生活上给予无微不至的关怀。在此，谨向导师表示最衷 心的谢意。 感谢课题组薛克敏教授给予的关心和帮助，薛老师开阔敏捷的思维，对前 沿学科的准确把握对我的学习和科研有很大启发，在整个硕士阶段的学习期间 薛老师给予了很多有益建议和热情帮助。 特别感谢王晓溪、李永志博士在实验与论文写作中的帮助，他们毫无保留 的将知识和经验传授与我，让我整个课题研究中都受益匪浅。 在这里还要感谢我的师兄李琦、汪洋、吴战立、国宁等对我研究生生活中 的帮助；感谢在一起同窗共读的张宾宾、王刚、李晓、张倩倩、曹婷婷、朱广 余、章凯、王岗超以及各位无法一一提起的各位师弟师妹，在这几年我们曾一 起探讨过许多有意义的学术问题，相互支持和勉励，共同渡过难忘的学习时光， 感谢你们曾给予我的支持和帮助! 最后要感谢我的父母以及所有的亲人，感谢他们对我学业的支持，他们的 关爱一直是我不断向上的动力，促使我不断努力前行。 感谢所有关心和帮助我的老师、朋友和家人! 作者：王成 2 0 1 1 年4 月 目录 第一章绪论l 1 1 超细晶及其应用1 1 2 大塑性变形工艺简介2 1 3 大塑性变形研究概况3 1 4 挤扭工艺的研究进展概况一4 1 4 1挤扭工艺简介4 1 4 2 挤扭工艺特点4 1 4 3挤扭工艺参数6 1 4 4 挤扭研究现状7 1 5 课题的来源、研究意义及内容1 0 1 5 1课题来源1 0 1 5 2 课题研究的目的及意义1 0 1 5 3 研究内容1 0 1 6 本章小结1 1 第二章纯铜挤扭成形数值模拟及分析。1 2 2 1 有限元模型建立1 2 2 2 模拟结果分析1 2 2 2 1t e 变形过程13 2 2 2 等效应力分布1 3 2 2 3 等效应变分布1 4 2 2 4 应变速率分布1 4 2 2 5应变分量变化趋势1 5 2 3 工艺参数对t e 变形的影响1 6 2 3 1 螺旋角o 16 2 3 2 挤扭道次1 7 2 3 3背压力1 8 2 4 本章小结1 9 第三章铜粉烧结体成形数值模拟及分析2 0 3 1 有限元模型建立2 0 3 2 模拟结果分析2 0 3 2 1 挤压力2 1 3 2 2 等效应变分布2 1 3 2 3 相对密度分布：2 3 3 3 本章小结2 4 第四章挤扭工艺实验研究。2 6 4 1 实验材料及方案2 6 4 1 1 实验材料2 6 4 1 。2 实验用模具2 7 4 1 3 实验过程2 7 4 2 纯铜致密体挤扭实验研究2 8 4 2 1 应变量对显微组织的影响2 9 4 2 2应变量对显微硬度的影响3 0 4 2 3晶粒变形方式3 1 4 3 纯铜烧结体挤扭实验研究3 1 4 3 1 挤扭对显微组织的影响3 2 4 3 2挤扭对显微硬度的影响3 3 4 3 3变形机制研究3 3 4 3 4 压缩性能3 4 第五章结论与展望3 6 5 1 本文主要结论：3 6 5 2 本文创新点3 6 5 3 展望3 7 参考文献。3 8 攻读硕士学位期间发表的论文4 2 图1 1 图1 2 图1 3 图1 - 4 图1 5 图1 6 图l 一7 图1 8 图1 - 9 图1 1 0 图1 1 1 图1 1 2 图1 1 3 图1 1 4 图1 15 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 15 图2 1 6 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图4 1 图4 2 插图清单 铜和铝的屈服强度与其亚晶尺寸的关系1 高压扭转原理图3 等通道转角挤压原理3 带背压的t e 示意图5 挤扭变形中剪切面5 材料利用率比较。5 可挤扭成形零件形状5 螺旋通道角度示意6 挤扭的两种不同路径6 两种路径下切应变变化趋势7 连续挤扭模型7 纯铝挤扭前后光学显微组织7 纯铝挤扭变形后组织8 a 1 0 1 3 m g 显微组织9 钛挤扭后显微组织9 有限元模型1 3 分析选取部位1 3 挤扭变形过程1 3 挤压力行程曲线1 3 等效应力分布1 4 等效应变分布及变化趋势1 4 应变速率分布15 节点应变分量的变化1 6 螺旋角变化趋势1 7 螺旋角对应变的影响1 7 螺旋角对应变量与均匀系数的影响1 7 挤扭道次对应变分布影响1 8 挤扭道次对均匀系数的影响1 8 背压对应变分布影响1 8 背压对均匀系数的影响1 8 背压对试样端部的影响1 9 两种路径下挤压力变化图2 l 路径i 下试样纵截面应变分布图2 2 路径i i 下试样纵截面应变分布图2 2 4 道次变形后两种路径下应变2 3 路径i 下的试样相对密度分布2 3 路径i i 下试样相对密度分布2 4 4 道次变形后两种路径下相对密度2 4 铜粉粒度分布图2 6 铜粉s e m 图2 7 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 挤扭模具实物图2 7 烧结加热规范2 8 烧结体制坯过程2 8 挤扭变形前后试样显微组织2 9 不同挤扭道次变形组织3 0 横截面显微硬度分布图3 0 挤扭道次对显微硬度影响3 l 晶粒变形过程3 1 烧结体初始组织j 3 2 挤扭变形后显微组织3 2 硬度测量点3 3 不同变形方式对应的应力状态3 3 变形示意图3 4 真实应力应变曲线3 4 表格清单 表2 1铜的j o h n s o n c o o k 模型参数值1 2 表4 1 实验用纯铜材料成分2 6 第一章绪论 1 1 超细晶及其应用 t 随着科学技术的不断发展，工程应用领域对材料的性能要求也越来越高， 如何制备出高性能的材料正成为研究热点之一。众多研究结果显示许多金属和 合金材料当晶粒细化时，其屈服强度、流动应力、断裂强度、硬度和疲劳强度 都有大幅度提高。大量实验结果表明晶粒尺寸的细化是材料机械性能获得全面 提高的有效途径【l 】。 多晶体金属材料的晶粒尺寸对其屈服强度的影响可用霍尔一配奇公式解释： 一三 o - , = c r 0 + k d 2 ( 1 1 ) 式( 1 1 ) 中，印为单晶体金属的屈服强度；k 为常数，表征晶界对强度影 响程度；d 为晶粒的平均尺寸。对于相同的材料c r o 不变，则平均晶粒尺寸d 越 小，c r s 越大，反之以越小。有学者通过实验证明，该公式中d 同样适用于亚晶 尺寸【2 】。图1 1 为铜和铝的屈服强度与亚晶尺寸之间的关系，亚晶尺寸越小， 材料的强度越高。 图1 1铜和铝的屈服强度与其亚晶尺寸的关系 细晶强化的突出优点是在提高材料强度的同时可以提高塑性。这是因为在 相同外力作用下，细小晶粒的晶粒内部和晶界附近的应变量相差较小，变形较 为均匀，相对来说，因应力集中引起开裂的机会也较少，这就有可能在材料断 裂前实现较大的变形量，因此可以获得较大的延伸率和断面收缩率。且由于细 晶粒金属中的裂纹不易产生也不易传播，因而在断裂过程中吸收了更多的能量， 即表现出较高的韧性。因此，在工业生产中总是设法获得细小而均匀的晶粒组 织，使材料具有较好的综合机械性能。细晶材料的优良特性已引起了各国研究 学者关注，开发出一系列制备细晶材料的工艺，这些工艺按照坯料状态可分为 【3 】：气相法( 惰性气体冷凝法、溅射法【4 】) 、液相法( 电沉积法【5 】、快速凝固6 1 ) 和固相法( 高能机械球磨、非晶晶化法、大塑性变形法等) 。 ，拿善，。om啊譬蔓霉篇 采用气相法与高能机械球磨制取的块体材料内存在大量残余孔隙，影响了 材料性能。快速凝固法工艺过程复杂、成本较高，非晶晶化法局限于部分合金。 而大塑性变形工艺能够制备无残余孔隙、界面清洁的各种大块体超细晶材料， 被认为是目前制备超细晶材料的众多方法中效果最显著的一种。 1 2大塑性变形工艺简介 所谓大塑性变形法( s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ，s p d ) 7 1 的实质是迫使试 样在较低的变形温度( 通常为再结晶温度以下) 、较高的静水压力状态下，通过 累积较大的塑性变形在材料内部产生大量的位错，位错之间相互缠结进一步演 化成晶界，从而达到晶粒细化目的。目前，s p d 法作为制备大块体超细晶材料 非常有效的方法，受到材料科学及工程领域内研究者的日益广泛的关注。 大塑性变形工艺一般需满足几个条件【8 】：( 1 ) 变形通常在相对较低的温度 下进行，且能获得大的变形量( 累积的等效应变量一般需超过6 8 ) ；( 2 ) 变形 后试样内部组织整体保持均匀性；( 3 ) 剧烈塑性变形后试样不能破损或开裂； ( 4 ) 获得具有大角度晶界的超细组织。这些是大塑性变形法与传统塑性变形法 的区别。因为通过冷轧、拉拔、挤压等传统塑性变形的方法尽管可以使得金属 材料微观结构细化和提高材料的性能。然而由于其自身的变形特点使得变形积 累的剪切塑性变形量有限、或是在达到所需变形量之前材料本身已发生破坏， 因而往往很难得到具有超细晶组织的大块体材料，且研究表明传统塑性变形工 艺所获得的材料的微观结构通常是具有小角度晶界的晶粒结构。 目前已经提出和进行研究的大塑性变形工艺主要有高压扭转法( h i g h p r e s s u r et o r s i o n ，h p t ) 9 - l o 】、等通道转角挤压法( e q u a lc h a n n e la n g u l a r e x t r u s i o n ，e c a e ) 1 l - 1 2 】、累积轧制( a c c u m u l a t i v er o l lb o n d i n g ，a r b ) t 3 】、 往复挤压( r e c i p r o c a le x t r u s i o na n dc o m p r e s s i o n ，r e c ) ，挤扭( t w i s te x t r u s i o n ， t e ) 【1 4 】以及上述工艺交叉复合的新工艺等【1 5 。1 6 1 。其中高压扭转法与等通道转角 挤压法是目前研究最为深入的两种工艺方法。 高压扭转法是1 9 4 6 年由b r i d g m a n 教授首次提出，该工艺是在试样的轴向 施加压力的同时使之受到一个周向的扭矩作用，原理图见图1 2 【1 7 】。1 9 世纪8 0 年代俄罗斯研究团队将高压扭转法运用到一系列金属中，使之产生剧烈的变形， 获得组织均匀、晶粒细小的高性能材料，引起了全世界学者广泛的关注。 在诸多大塑性变形方法中，高压扭转法的晶粒细化的能力是最强的，试样 在受到强烈剪切作用的同时受到较高的静水压力，可以在细化晶粒的同时材料 内部孔隙得到有效的闭合，制得纯净、致密的材料。但是高压扭转法只能制备 尺寸较小的扁薄件，很难应用到工业生产中。 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 ) 法最早是由前 苏联科学家s e g a l 等人于2 0 世纪8 0 年代初提出【1 1 1 。基本原理如下：模具内有 两个截面尺寸和形状相同、以一定角度相交的通道。试样在冲头的作用下由通 2 道被挤出，试样在通过两通道交界处时发生近似纯剪切变形。由图1 3 可知， 试样变形前后截面形状和尺寸均未发生改变，理论上可以通过增加挤扭道次使 得材料累积获得很大的塑性变形，从而有效地细化晶粒，制备出三维尺寸较大 的块体超细晶材料。e c a e 显著的晶粒细化效果掀起了国内外材料科学工作者 的研究热潮，经过近2 0 多年的研究和发展，采用e c a e 法已成功地制备出多 种金属及其合金的块状超细晶材料。 ： ：n 辟 i s m “k 醛冈 筐卅 隰i 图1 2 高压扭转原理图 ( a ) 模具通道 ( b ) 剪切原理 图1 3 等通道转角挤压原理 1 3大塑性变形研究概况 随着各国学者研究的深入，运用大塑性变形法已成功制备出铝、铜【l 弘25 1 、 钛及其合金系列的细晶材料。 a k i h i r oy a m a s h i t 等【2 6 j 对m g 0 9 a 1 合金分别在4 7 3 、5 7 3 、6 7 3 k 下经e c a e 挤压后发现，随着挤压道次的增加，其晶粒尺寸均有所减小，但在较高温度下 效果较弱。r w a d s a e k 2 7 】采用高压扭转工艺加工纯铬，将初始晶粒尺寸8 0 9 m 细 化到约5 0 0 n m ，经硬度测试表明，变形后硬度是初始的4 倍。丁雨田 2 8 - 2 9 1 等人 针对纯铜材料在室温条件下进行8 道次等通道转角挤压，通过对其组织性能分 析得出：8 道次挤压后，获得了均匀细小的等轴晶组织，抗拉强度由2 3 5 m p a 提高到4 2 0 m p a ，硬度从1 1 4 提高到1 8 4 3 。这些数据证明该工艺能有效的提高 材料性能。上官丰收等人【3 0 】采用高压扭转法将初始晶粒尺寸为1 3 2 m 的纯铜 细化到0 2 7 9 m ，并指出晶粒细化程度随着剪切应变的增大而增强。 随着大塑性变形研究的深入，该类方法不仅用于致密体的组织细化及性能 改善，也越来越多的用于粉末烧结体材料的固结。近年随着制粉技术的发展， 粉末冶金材料得到了广泛的应用，传统的粉末成形工艺( 主要是压制和烧结) 制备的粉末冶金材料往往内部存在着大量的孔隙，致密度较低，大大降低了材 料强度与硬度，很难满足高负荷条件下使用。针对以上缺陷，研究学者采用塑 性变形的方法来提高粉末冶金的性能，但以往传统的塑性加工工艺由于受到各 种条件的限制，变形量较小，难以制备出高致密度、高性能的材料。因此科学 工作者希望通过大塑性变形法，利用变形过程中累积大的剪切变形和高的静水 压力迫使材料内部的颗粒重排和孔隙闭合来制备出高致密度、力学性能优良的 粉末冶金材料。 目前国内外学者采用大塑性变形法对粉末烧结体材料开展了大量的理论和 实验研究，取得了一定的研究成果。s e n k o v 等人【3 l 】采用等通道转角挤压法对 a l 8 9 g d 7 n i 3 f e l 粉末冶金材料进行实验研究，结果表明，初始密度约为6 0 - - 一6 5 的粉末材料，经过3 道次挤压后相对密度可达到9 9 。z h a n g 等人【3 2 】对 t i 5 0 c u l 8 n i 2 2 a l 4 s n 6 非晶粉末合金也进行相关e c a e 研究，结果测得后试样 的密度可达到9 7 。x i a 等采用带反压的e c a e 工艺对纯铝粉进行实验研究， 结果表明，经过一道次挤压后，初始松散的颗粒被固化为致密的块体材料。v v s t o l y a r o v 等【3 3 】对钛粉进行了高压扭转实验，在3 0 0 、3 0 0 m p a 的条件下扭转 了3 圈之后，试样密度增至理论密度的9 7 ，表明高压扭转法能够有效降低材 料孔隙率。 综上所述，大塑性变形法可以有效细化晶粒、提高材料性能；应用在粉末 冶金材料能有效地降低孔隙率、固化粉末材料。然而在研究中也发现这些工艺 本身都具有一定的局限性，主要包括：要求坯料的尺寸较小、很难实现自动化 生产、生产操作劳动集中、效率较低等，在一定程度上限制了其工业应用。所 以各国的研究学者都致力于开发新的工艺以解决这些难题，挤扭工艺便是在这 种背景下提出的【3 4 35 1 。 1 4挤扭工艺的研究进展概况 1 4 1挤扭工艺简介 挤扭工艺是将试样从中间为螺旋形通道、两端为非圆形截面通道的模具挤 出( 如图1 4 所示) ，试样在保持初始横截面尺寸的同时经历了较大的塑性变形。 该工艺是由y a hb e y g e l z i m e r 教授及其研究团队于1 9 9 9 年首先提出，该团队对 其基本原理进行了深入的理论分析和研究并在此基础上成功的将挤扭工艺应用 于细化晶粒和粉末材料的固结成形。 挤扭工艺同其他大塑性变形工艺一样，试样在发生塑性变形的同时并不改 变其原始尺寸，因此理论上可以进行多道次成形以累积大的变形量从而获得超 细晶组织，进而提高材料的力学性能。与其它大塑性变形工艺相比，挤扭工艺 也具有一些特殊的性质。 1 4 2 挤扭工艺特点 ( 1 ) 挤扭变形过程中，试样存在两个简单剪切平面( 图1 5 中所示) ，分 别垂直和平行于其纵中心轴。其变形方式不同于等通遵转角挤压( e c a e 只含 有一个剪切平面，与纵轴大约呈4 5 6 0 0 角) 。在背压力较大时，挤扭变形可视为 高压扭转变形，不同的是挤扭工艺通过螺旋通道代替了模具的旋转。 4 t 鸯 氧氲 2 耋 图1 - 4挤扭示意图图1 5挤扭变形中的剪切面 ( 2 ) 挤扭工艺试样材料的利用率相对较高，图1 6 为等通道转角挤压和挤 扭试样变形前后形状和试样有效尺寸。由于剪切变形存在，试样变形前后两端 形状发生变化，该部分材料不能满足需要，只有中间为有效部分。等通道转角 挤压变形时由于试样通过了4 5 6 0 0 转角，试样变形后头部发生翘曲，而t e 变 形前后试样两端仅由于流动速度不同而发生微小变形。比较得出，挤扭工艺相 对于e c a e 工艺，材料利用率较高【3 6 1 。 初始 臣e 虱g 夏 a e t e i l i 二。一1 ：二。_ 有效部分陌涵r 司 幽l 。二曼。- 生i e ：。，一e ：o 。二二煳 图l - 6 材料利用翠比较 ( 3 ) 由图1 4 可知挤扭变形过程试样的运动方向并不改变，因此易于将其 应用到现有的生产线操作上。且挤扭工艺只需将横截面尺寸逐渐减小的挤压模 更换为带有螺旋通道的挤压模即可实现，原有标准的挤压设备并不需要改动 【3 7 】 o ( 4 ) 挤扭工艺一个潜在的优点是可以应用于带有内孔等轮廓外形的零件挤 压成形。实现成形以及大塑性变形的同时进行，在成形过程的同时可以提高了 零件性能。针对一些对强度性能要求较高的、形状与图1 7 中所示类似的零件， 可采用挤扭工艺制坯或直接成形。 o 图1 7可挤扭成形零件形状 5 1 4 3挤扭工艺参数 1 4 3 1挤扭道次 由于单道次挤扭累积的变形量有限，晶粒细化的效果并不明显，无法在一 道次成形后获得超细晶组织，因此通过增加挤扭道次来累积大的塑性变形量， 进一步提高晶粒细化的程度。研究表明，挤扭道次增加，材料所积累的变形量 越大，理论上可以获得更加细小的晶粒。 1 4 3 2模具的几何形状 挤扭模具中螺旋通道是影响试样变形最主要的因素，螺旋通道有两个基本 的参数即横截面旋转角a 和螺旋角( 图1 8 中所示) 。它们对挤扭变形过程中 试样应变分布及其组织分布具有重要影响。a 角表征材料旋转的角度，a 越大， 材料旋转的角度越大，变形程度越大，累积的变形量越大。角表征试样的变 形程度，a 角一定时卢角越大材料变形越剧烈，累积的变形量越大。 1 4 3 3挤扭路径 挤扭模具的螺旋通道有两种旋转方向：左旋即顺时针方向( c l o c k w i s e ，c d ) 和右旋即逆时针旋转方向( c o u n t e r c l o c k w i s e ，c c d ) 。对于多道次挤扭成形， 通过改变旋转方向可以得到两种基本的挤扭路径【3 5 ，3 8 】：路径i 为c d + c d ( 或 c c d + c c d ) ；路径i i 为c d + c c d ( 或c c d + c d ) 。其中路径i i 可以从两个方面 实现： ( 1 ) 采用两种具有不同旋转方向的螺旋通道，相邻道次间将前一道次成形 后试样放入不同旋转方向的模具中进行下一道次即可。 ( 2 ) 在模具旋转方向一定的情况下，可以通过改变试样的放入方式来实现 旋转方向的改变。相邻道次间将试样翻转18 0 0 后在放入到模具中即可实现( 如 图1 9 所示) 。 图1 - 8螺旋通道角度示意 围锄 印口 a ) 路径ib ) 路径i i 图1 - 9 挤扭的两种不同路径( 灰色部分为试样头部) 图1 1 0 以图示的方法比较了两种路径下，试样横向和纵向剪切平面上切应 变的变化情况【3 4 1 。从图中可以看出，横向剪切平面上切应变在路径i 下呈幅值 6 为a 的周期变化，而在路径i i 下幅值则为2 a ；纵向剪切平面上切应变在路径 i 下呈单调变化趋势，而在路径i i 下则呈循环变化趋势。 图1 1 0两种路径下切应变变化趋势 1 4 4 挤扭研究现状 挤扭工艺由于提出时间较晚，目前研究主要集中于国外，国内研究很少。 其提出者y a nb e y g e l z i m e r 教授进行了挤扭工艺理论与实验研究，并初步探讨了 挤扭工艺连续进行的可能，图1 1 1 为其提出的连续挤扭模型。 图l - 1 l连续挤扭模型 d m i t r yo r l o v 等人 3 9 1 采用挤扭工艺对高纯铝( 9 9 9 9 ) 在室温下进行变形。 运用光学显微镜对1 - 4 道次挤扭后试样的横截面进行观察。结果显示在试样的 横截面上存在“金属涡流 ，并且随着挤扭道次的增加愈加明显( 图1 1 2 中箭 头所示) 。 ( a ) 初始( b ) 一道次 ( c ) 四道次 图1 1 2纯铝挤扭前后光学显微组织 7 采用电子背散射技术( e b s d ) 进一步分析得出一道次后小角度晶界的亚晶 遍布于试样的横截面，而四道次后，试样边缘部分的显微组织含有7 0 大角度 晶界，边缘部分的平均晶粒尺寸细化到1 6 “m 。图1 1 3 ( a ) 、( b ) 为试样中心 点1 道次和4 道次挤扭变形后晶粒取向的e b s d 照片。1 道次变形后材料晶粒 仍较大，仅存在少数的大角度晶界。经4 道次挤扭后，晶粒发生了明显的细化， 小角度晶界比例显著降低。图( c ) 、( d ) 为边缘位置1 道次与4 道次挤扭后试 样晶粒取向的e b s d 照片。相比与中心点，l 道次挤扭变形后试样边缘位置晶 粒细化效果更明显，得到的组织中大角度取向晶粒比例更大。 ( a ) 1 道次中心( b ) 4 道次中心( c ) 1 道次边缘( d ) 4 道次边缘 图1 1 3纯铝挤扭变形后组织 m a c r ob e r t a 等【4 0 】将a 1 0 1 3 m g 合金挤扭8 道次后，运用电子背散射衍射 技术和透射电镜分析了1 道次和8 道次微观组织的变化。研究结果证实：挤扭 变形有明显的不均匀性，应变量分布呈现中心向边缘逐渐增加的趋势，大角度 晶界的亚晶比例也由中心处的3 增至3 0 。经过8 道次挤扭变形后，改善了 变形的不均匀性，但中心处晶粒仍有较多的小角度晶界；且边缘部分的晶粒细 化效果要好于中心处。 8 ( a ) 1 道次中心( b ) 1 道次边缘( c ) 8 道次中心( d ) 8 道次边缘 图1 1 4a 1 0 1 3 m g 显微组织 v v o s t o l y a r o v 等【4 l 】通过实验研究了低温退火和轧制前后纯钛挤扭变形过程 中显微组织、力学性能及热稳定性的变化情况。实验研究结果表明，挤扭变形 后材料晶粒显著细化，平均晶粒尺寸小于l i t m ：变形材料强度增加，试样横截 面和纵截面上的力学性能表现出强烈的各向异性。随后的低温退火可以在不降 低材料强度的前提下改善变形体塑性。 ( a ) 横截面( b ) 纵截面 图1 1 5钛挤扭后显微组织 a k b a r i m o u s a v isa a 等人【4 2 】提出将挤扭工艺与传统挤压工艺复合，增大了 变形量并一定程度上改善了变形的均匀性。国内合肥工业大学李萍教授等人将 挤扭工艺与等通道转角挤压工艺复合开发出新型大塑性变形工艺等径角挤扭 法，并针对纯铝、铝粉烧结体进行了相关的实验研究【4 引。 9 1 5 课题的来源、研究意义及内容 1 5 1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金资助项目“钼粉烧结材料等通道转角挤扭 成形机理研究( 项目批准号：5 0 8 7 5 0 7 2 ) 1 5 2课题研究的目的及意义 近年来大量的研究表明大塑性变形法可以有效的细化晶粒，提高材料性能； 对粉末烧结体材料有较强的致密效果。可以广泛的应用到材料改性领域、粉末 冶金领域等，具有良好的应用前景。然而现有的各种大塑性变形工艺均存在一 些缺点，如对试样尺寸的限制、对模具要求较高等。因此拟对国外最新提出的 挤扭工艺进行研究，利用有限元分