（材料加工工程专业论文）等径角挤扭ecaet新工艺数值模拟及实验研究.pdf

等径角挤扭( e c a e t ) 新工艺数值模拟及实验研究 摘要 随着材料科学的发展，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 ) 已被证明为制备超细晶材料行之有效的方法，等径角挤压法( e q u a lc h a n n e l a n g u l a re x t r u s i o n ，e c a e ) 和挤扭法( t w i s ta n de x t r u s i o n ，t e ) 是大塑性变形法 中的两种基本方法，这两种工艺在制备块体超细晶材料方面体现出许多共同的 优势，但在细化晶粒效果等方面皆存在着细化能力不足的缺陷，而其他大塑性 变形方法皆不宜用于制备块状超细晶材料。因此，探索新型高效的大塑性变形 方法对于制备块体超细晶材料意义重大。 本文在e c a e 和t e 两种工艺方法的基础上，结合两者基本原理，探索了 了一种新型大塑性变形方法一一等径角挤扭法( 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 a n dt w i s t ，e c a e t ) 。等径角挤扭的通道是在e c a e 后附加一个t e 通道形成的， 以此来增加材料通过转角时的静水压力，并增大一次挤压变形量，从而改善组 织结构，更好的细化晶粒，针对此种工艺的探索研究在国内外尚属首次。 本文采用有限元软件d e f o r m 3 d 以对纯铝e c a e t 过程进行有限元模拟分 析，得出了其变形特征及应力应变分布情况，分析了其载荷变化规律。采用单 因素比较方法对影响e c a e t 变形的几何形状因素( 如螺旋角夕、截面转角， 及e c a e 与t e 通道间的过渡距离三，) 和工艺参数( 如接触摩擦条件m 、变形 温度t 及变形速度1 ，等) 进行了系统的研究，全面分析了各工艺参数对e c a e t 变形行为的影响以及对成形过程中的应力、应变和载荷等场量的影响，这为 e c a e t 主要工艺参数的优化及模具设计提供了理论依据。 在上述模拟分析的基础上，基于实验室2 0 0 t 压扭机设备，采用二层预应 力组合凹模结构，首次设计并制造了e c a e t 模具，并通过实验验证了模具设 计合理，强度足够，证实了模拟分析结果与实验的一致性。为了对e c a e t 变 形进行更加深入的研究，分析其相对于e c a e 的优越性，本文首次进行了纯铝 e c a e t 实验研究，通过与e c a e 实验结果的对比，得出了e c a e t 的形变量 大，细化晶粒能力强等特性。本文进一步研究分析了e c a e t 在不同道次( 1 、 2 、3 和4 个道次) 下的组织形貌演变情况，并进行了拉伸实验来研究其力学性 能的变化，初步分析了其组织演变机理。这些实验结论为模拟分析做出了最直 接的验证，所进行的研究为e c a e t 晶粒细化机理的研究提供了实验素材。 关键词：等径角挤扭，数值模拟，实验研究 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a ls t u d yo nan e w t e c h n i c s n a m e da se q u a lc h a n n e l a n g u l a re x t r u s i o na n dt w i s t a b s t r a c t w i t l lm ed e v e l o p m e n to fm a t e r i a l ss c i e n c e ，s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o nm e t h o d ( s p d ) h a sb e c o m eaw e l l - e s t a b l i s h e dm e t h o df o rm a n u f a c t u r i n gu l t r a f i n e g r a i n e dm a t e r i a l s a s t w ob a s i cm e t h o d s ，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 ) a n dt w i s te x t r u s i o n ( t e ) h a v e m a n yc o m m o na d v a n t a g e si nt h ef i e l do fm a n u f a c t u r i n gu l t r a f i n e g r a i n e dm a t e r i a l s ，b u t b o t ho ft h e mh a v et h es a m ef a t a l l yf l a w e dt h a tt h e r e f i n i n gc a p a c i t yi sn o te n o u g h s o ， e x p l o r i n gn e wa n d e f f i c i e n ts e v e r e p l a s t i c d e f o r m a t i o nm e t h o df o r m a n u f a c t u r i n g u l t r a f i n e g r a i n e dm a t e r i a l sh a sag r e a ts i g n i f i c a n c e b a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft h et w om e t h o d sm e n t i o n e d ，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 a n dt w i s t ( e c a e t ) w a sp r o p o s e da san e ws p dm e t h o di nt h i sp a p e r t h ee s s e n c eo f e c a e - ti st h a tt h ec h a n n e lo fe c a e ti sa p p e n d e dat ec h a n n e la f t e rt h ec h a n n e lo f e c a ei no r d e rt oi n c r e a s et h ee f f e c t i v es t r a i no fo n ep a s se c a e tb ye n h a n c et h e h y d r o s t a t i cp r e s s u r ea tt h ec o m e r , b yw h i c ht h ee c a e tc a nr e f i n ec r y s t a l l i n eg r a i nw i t h i m p r o v i n gt h eo r g a n i z a t i o n a ls t r u c t u r e t h ee x p l o r a t i o na n ds t u d ya b o u tt h i sp r o c e s si ss t i l l t h ef r s tt i m ea th o m ea n da b r o a d i nt h i sp a p e r ，f m i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n a l y s i sa b o u te c a e tw i t hp u r ea l u m i n u m w a sc a r r i e do u tb yd e f o r i l l 一3 d ，t h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t r e s ss t r a i nd i s t r i b u t i o n w a so b t a i n e d ，a n dt h el o a dv a r i a t i o nw a so b t a i n e dt o o t h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h e e c a e td e f o r m a t i o ns u c ha st h eg e o m e t r i cs h a p e sf a c t o r s ( t h eh e l i xa n g l e f l , t ea n g l e 】， a n dt r a n s i t i o nd i s t a n c el 1 ( d i s t a n c eb e t w e e ne c a ec h a n n e la n dt ec h a n n e l ) ) a n dt h e p r o t e s sp a r a m e t e r s ( c o n t a c tf r i c t i o nc o n d i t i o nm ，d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r er ，d e f o r m a t i o n v e l o c i t yv ，e t c ) w e r es y s t e m i ci n v e s t i g a t e d t h ee f f e c tt oe c a e - td e f o r m a t i o nb e h a v i o r a n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h es t r e s s 、s t r a i n 、l o a da n ds oo no fa l lt h ep a r a m e t e r sw e r e c o m p r e h e n s i v e l ys t u d i e d ，w h i c hc a ns u p p l yat h e o r e t i c a lb a s i sf o ru st oo p t i m i z et h e p r o c e s sp a r a m e t e r sa n dd i ed e s i g n w i 协t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n a l y s i s ，b a s e do nl a b o r a t o r y b a s e d2 0 0 tp r e s s u r et o r s i o n m a c h i n ee q u i p m e n t ，u s i n gt w o s t o r ys t r u c t u r eo fs t e e la n dc o n c r e t ec o m p o s i t ed i e ，t h e e c a e - tm o l dw a sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e df o rt h ef i r s tt i m ea n dw a sv e r i f i e d b y e x p e r i m e n t n l ee x p e r i m e n ts h o w e d t h a tt h em o l di sr e a s o n a b l e ，a d e q u a t es t r e n g t h ，a n dt h a t t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ec o n s i s t e n t i no r d e rt os t u d yt h e e c a e td e f o r m a t i o nf u l l ya n da n a l y s i si t sr e l a t i v ea d v a n t a g e so fe c a e ，e x p e r i m e n t s a b o u tp u r ea l u m i n u mw e r ed o n e a tt h eh e l po fe x p e r i m e n t s ，t h ef e a t u r e so ft h a te c a e t h a ss t i o n g e rd e f o n n l t i o na n db e r e ra b i l i t yt or e f i n eg r a i nw a sk n o w n t h e n m o r ee c a e - t e x p e r i m e l l _ t sa td i f f e r e n tp a s s ( s u c ha s1 ，2 ，3a n d 4p a s s ) w e r ec a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t et h e m i c z 0 s t m c n l r ee v o l u t i o n ，t e n s i l ee x p e r i m e n t sw e r e c a r r i e do u tt os t u d yt h ec h a n g e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，a n dt h er e v o l u t i o no ft h em i c r o s t r u c t u r ew a sp r e l i m i n a r i l ya n a l y z e d t h e s ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sm a k e st h em o s td i r e c tv a l i d a t i o nf o rs i m u l a t i o ns t u d y , t h e r e s e a r c hi nt h i sp a p e rp r o v i d e st h ee x p e r i m e n t a lm a t e r i a l f o rt h ea n a l y s i so fe c a e - t d e f o r m a t i o i lm e c h a n i s m k e y w o r d s ：e q u a l c h a n n e la n g u l a re x t r u s i o na n dt w i s t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n t r e s e a r c h 图1 1 图l 一2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图l 一7 图1 8 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3 1 图3 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图4 1 插图清单 e c a e 工艺及剪切变形原理3 四种基本挤压工艺路径5 不同挤压路径多道次挤压中立方体单元形状的变化一6 e c a e 技术制备的零部件7 e c a e 连续挤压工艺8 挤扭工艺基本原理8 t e 过程中的4 个变形区一9 两种路径下制件横向( 丫t ) 和纵向“l ) 剪切平面上剪应变的情况1 0 e c a e t 通道的几何模型建立1 4 e c a e t 通道原理图及有限元模型1 5 e c a e t 变形过程图16 e c a e t 的载荷变化图17 制件在e c a e t 通道内等效应变分布17 e c a e t 中横截面上3 点应变分布18 e c a e t 中纵截面上各点应变分布= 1 9 三种工艺中横截面上点的应变变化1 9 制件在e c a e t 通道内等效应力分布2 0 挤压过程试件内部的等效应变率和速度分布一2 1 模具和试件上温度场分布2 1 试件内跟踪点的温度变化2 2 不同丫下载荷变化情况及峰值大小2 4 螺旋转角对各点等效应变的影响2 4 制件不同三下e c a e t 变形的温度分布图2 5 不同螺旋距离l 下的载荷变化情况。2 6 不同三的制件横截面上3 点的等效应变2 7 不同过渡距离三，对各点等效应变的影响2 8 不同过渡距离三，对载荷变化的影响2 8 摩擦条件对横截面上各个点等效应变的影响2 9 摩擦条件对变形均匀性的影响3 0 摩擦条件对挤压力的影响3 0 背压对等效应变大小与分布的影响31 不同挤压速度对等效应变大小与分布的影响3 l 温度对e c a e t 等效应变大小与均匀性的影响3 2 温度对e c a e t 载荷分布的影响。3 2 高压扭转设备3 4 图4 2e c a e t 模具图3 4 图4 3 初始坯料3 6 图4 4 实验过程图3 7 图4 5 实验中得到的制件宏观照片3 8 图4 6 拉伸前制件3 9 图5 1e c a e t 制件模拟与实验变形过程对比4 0 图5 2e c a e t 模拟与实验后制件头部形状对比4 0 图5 3一道次e c a e t 后的组织与退火态及e c a e 后的比较4 1 图5 4 不同道次下3 个面上的显微组织图4 2 图5 5e c a e t 不同道次后纯铝的拉伸应力应变曲线4 3 图5 - 60 0 2 、o b 和6 随e c a e t 道次的变化规律4 4 图5 7 不同工艺下制件中部横截面上点的硬度变化4 4 图5 8 不同挤压道次下e c a e t 制件的显微硬度变化4 5 图5 - 9e c a e t 变形机理图4 5 表格清单 表l 一1 模具内外角对单到此发e c a e 剪切应变量的影响4 表3 1螺旋转角的大小及对应的挤压力峰值2 4 表3 2 与螺旋通道长度相对应的螺旋角2 5 表4 1 设备规格表3 4 表4 2 纯铝的化学成分3 6 表4 3 纯铝的实测成分3 6 表4 4 实验条件表3 6 表5 1e c a e t 不同道次后纯铝的力学性能4 3 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 金卫王些太堂 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： 虽坂劫 签字日期：o 年妒月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些太堂有关保留、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。本人授权金月垦王些太堂可 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： 虽磷童 签字日期：ip 年护月知日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 芗，弘 签字日期：乃，。年舻月弘日 电话： 邮编： 致谢 首先要感谢我的导师薛克敏教授，在我攻读硕士学位期间，他将我带入精密塑性 成形及仿真中心，让我有机会进行塑性成形方向的研究。在过去的近3 年时间里，他 无私地把渊博的知识传授给我，潜移默化地用严谨治学、实事求是的科研作风影响我， 为我的科研道路指明了方向，确立了目标。研究当中，他给予我的鼓励使我有勇气去 面对任何困难，他给予我的指导使我受益终身。他和蔼可亲、平易近人的为人值得我 永远尊敬，他无私奉献、教书育人的敬业精神是我追随的榜样，能做薛老师的学生是 我一生的荣幸。 在此，我还要感谢李萍老师在课题理论研究及论文写作当中对我的悉心指导和在 生活上给予的帮助。真诚感谢同课题组的周明智和赵茂俞博士在论文的选题、模具设 计及数值模拟等方面提出了十分宝贵和实用的建议。 在这里还要感谢我的师兄许峰、韩国民、杜华、黄勇、黄科帅等，师姐段圆培、 喻佳、袁美玲等对我的课题研究及软件学习中的指导与帮助；感谢我的同窗王晓溪、 李琦、贾建磊、董传勇、唐勇、禹路、汪洋、国宁、孙林以及实验室的师弟师妹所给 予的帮助和支持。同时，感谢0 7 级1 0 班全体同学在生活上给予我的关心、帮助以及 学业上的指点。 最后感谢我的父母、哥哥、妹妹和女朋友，感谢他们对我生活无微不至的关怀， 对我工作不断的鼓励和无条件的支持，是他们关怀，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：吴战立 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 1 1 超细晶材料的性能及应用 随着材料科学的发展，人们在研究中发现，随着金属材料的晶粒尺寸逐渐 减小，材料将表现出较高的强度，同时也拥有优良的塑性。而当材料的尺寸小 到亚微米级别时，此时材料被称为超细晶材料，其物理力学性能将有大幅度的 提高。因此能使材料超细晶化的制备技术成为材料科学研究的热点【l ，2 】。超细晶 材料所具备的这些优异的力学性能，可以根据多晶体的塑性变形机理来解释， 多晶体的塑性变形有两大特点，一是不同时性，即各个晶粒的变形有先有后： 二是各晶粒间的相互协调性。但总的来说，多晶体金属材料的塑性变形主要是 由位错运动决定的。在变形时，位错在晶粒内部以滑移或者孪生的方式进行， 由于晶界的存在，阻碍了位错的运动，因此每一晶粒中的滑移带也都在晶界附 近终止；而后各晶粒间要协调变形，产生多滑移，从而发生位错的相互交割， 大大提高了金属的强度。即超细晶材料的晶粒较为细小，在相同的尺寸范围内， 晶界就较多，因此，在发生塑性变形时，位错运动的阻力也就很大，从而导致 材料的强度增大。对于多晶体金属材料来说，屈服强度随着平均晶粒尺寸的减 小而急剧的增大，它们的关系可用下式来表示 3 1 ： l o - b = + - m 2 ( 卜1 ) 上式便是著名的霍尔一配奇( h a l l p e t c h ) 公式，其中，仍为材料的屈服强 度，t r o 为常数，d 为多晶体晶粒的平均直径，k 为表征晶界对强度影响程度的常 数，与晶界结构有关。由式子1 1 可知，随着晶粒平均尺寸的减小，金属材料 的屈服强度会迅速的增大，这就是传统意义上所说的细晶强化。实际上，采用 细晶强化所制备的材料，由于晶粒细小，变形协调性增强，因此塑性也会大幅 提高。 此外，晶粒尺寸为亚微米级别的超细晶材料还具有其它优良的机械、光学 和电磁学性能，因而国内外对其的研究涉及了很多，包括在制备超细晶材料、 控制其组织性能、超塑性成形等领域。在这些研究领域中，制备出性能优异的 超细晶材料是重中之重，因此制备工艺是研究的关键环节。当然，能够制备超 细晶材料的方法有很多，比如惰性气体原位加压法、电沉积法等，但在众多制 备超细晶材料的方法中，大塑性变形法是目前公认为制备效果最显著的一种， 因此对其的研究具有非常重要的理论意义与工业化工应用前景。 1 2 大塑性变形( s p d ) 简介 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 ) q 是2 0 世纪9 0 年代俄罗斯 科学家v a l i e v 等人发明的。v a l i e v 等人的研究表明，块体金属材料在获得很大 的塑性变形后，其内部的晶粒可以被均匀地细化，有的甚至可以细化至纳米级 别，同时伴随着大角度晶界的出现。根据霍尔一配奇公式可知，大塑性变形后 的材料性能会发生明显的改善。大塑性变形法的出现，受到了材料科学工作者 们的广泛关注与研究，对大塑性变形的研究也取得了丰硕成果【4 1 0 1 。 从材料塑性变形的机理来分析，大塑性变形法不同于传统的塑性变形工艺， 大塑性变形的实质是在较低的温度下，很大的静水压力下，以使制件材料获得 较大的塑性变形量而不使其破坏，这是传统的塑性加工方法( 如冷轧、拉拔等) 所做不到的。因此，经过大塑性变形的制件内部会产生大量的位错，在位错进 行滑移与孪生过程中会发生缠结，使得位错不断累计，从而演变成晶界。而大 量晶界的形成，使得晶粒尺寸进一步细化【2 】。 自从大塑性变形方法被v a l i e v 等人证明为制备超细晶材料的有效方法后， 国内外学术界对其产生了浓厚的兴趣，进行了很多的探索与研究，开发了一系 列大塑性变形工艺，其中具有代表性的工艺有三种，分别为等径角挤压【4 5 】、高 压扭转【6 ，。7 】和挤扭【即；另外还有两种工艺应用的不是很广泛，分别为累积轧合【9 】 和反复折叠一压直法【l 们。在上述这些大塑性变形法中，e c a e 是研究的最为广 泛的工艺之一，具备商业化应用的潜力；而t e 工艺在国内外尚处于理论基础研 究，但乌克兰及伊朗的研究者们也已经成功进行了块体超细晶材料的制备，因 而也具有也有广阔的运用前景。本文所研究的等径角挤扭( 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 na n dt w i s t ，e c a e t ) 是在e c a e 与t e 两种工艺基础上开发的一种新 型大塑性变形工艺，拟采用d e f o r m 软件进行分析，并拟采用实验研究的方法 进行了验证与组织观察，但在此之前有必要对e c a e 与t e 进行全面的阐述， 以便更加详细的分析此种新型大塑性变形工艺的特征。 1 3 等径角挤压( e c a e ) 技术研究概况 1 3 1 等径角挤压原理 2 0 世纪8 0 年代初期，前苏联科学家s e g a l 等人首先发明了等径角挤压工艺 吲( 如图1 1 ( a ) ) 。e c a e 的基本原理如下：e c a e 通道是由等截面的竖直通道 和水平通道相交成一定转角( 矽) 形成的，截面为圆形或者方形，在外力的作 用下，具有相同截面的制件被挤入e c a e 通道，在转角处获得强烈的类似纯剪 切塑性变形( 如图1 1 ( b ) ) 。在e c a e 过程前后，制件的横截面形状与外形尺 寸不发生任何改变，在其不发生裂纹等破坏的前提下，可以通过多道次e c a e 变形，积累更大的纯剪切变形量，从而有效地细化晶粒【2 j 。由于e c a e 可使制 件获得很大的剪切变形量，从而使材料的晶粒细化至微米尺度以下，制备出尺 寸较大的三维块体超细晶材料，这开创了采用大塑性变形法制备块体超细晶材 料的先河【2 j 。此后，e c a e 引起了国内外材料科学研究者的极大兴趣，掀起了一 股研究e c a e 的热潮，随着各国学者研究的深入，研究的范围不断扩大，已经 2 制备出许多金属及其合金的块状超细品材料，其中主要咀有色金属及其台金最 为常见包括粉体材料的超细晶制各。这些材料主要有：纯铝和铝合金、纯铜 和铜台金、纯钛和钛合金、纯镍、镁合金及其复合材料1 9 1 。 u ， a ) 模具结构示意图b ) 剪切变形原理 图1 - le c a e 工艺及剪切变形原理 在等径角挤压过程中所获的晶粒细化效果和制件在通过模具时所获的应变 大小密切相关。挤压过程中获得应变的大小及分布，与模具的几何形状( 如内 转角西、外转角) 及其它工艺因素( 如摩擦、变形温度等) 有密切的关系。 s e g a l 等人4 1 通过研究，首次在忽略模具外转角的情况下给出了挤压应变的理论 计算公式 s = 兰；c o t ( 兰) ( 卜2 ) ”32 式中：。是e c a e 变形道次后制件上累计的变形量，v 为道扶。以往的 研究表明，若小考虑摩擦所造成的影响，当模具内转角4 ， 9 0 。时，利用式1 2 所计算出来的理论值基奉上可以接受；但当模具内转角4 , 9 0 。时，利用式i 2 所计算出的理论值则存在着较大的偏差。 随着研究的深入，研究者对式l 一2 进行了改进，其中广为学界接受的是 1 w a h a s h i 等人【2 卅的研究成果。1 w a h a s h i 等人考虑了模具外角w 对制件上累计应 变的影响，得出了n 道次后不同内外角下的等效应变计算公式： 铲等m 。“争争一一c 争争 c t 式中，内转角曲的取值范围为0 0 1 8 0 。，由于内外转角的几何特性可知， 内外转角之和为1 8 0 。，因此外转角p 必然随着内转角的增大逐步减小，取值 范围为0 。( 1 8 0 0 - 庐) 。从式卜3 可以看出，当内转角庐一定时，累积的应变值 随着外转角w 的减小而增大；而当外转角v 一定时，累积的应变值随内转角曲 的增大而减小。此种结论已经被证明是较为正确的，而式1 3 也是比较准确预 测e c a e 多道次应变累积大小的有效公式。 1 3 2 等径角挤压变形的影响因素 1 3 2 1模具几何形状的影响 根据e c a e 多道次应变累的理论计算公式( 1 3 ) ，把不同的内转角( 矽) 和外转角( 1 f ，) 带入式1 3 ，得到理论上一道次后制件上所获得的等效应变值， 结果如表1 1 所示【1 2 】。 从理论上来说，随着模具内转角的减小，等效应变明显增大，而晶粒细化 的效果将更加明显。n a k a s h i m a 等人【2 l 】的研究证明这一点，他们在室温下采用 9 0 0 - 1 5 7 5 0 之间的不同内转角的模具进行e c a e 了实验，得出结论：采用内转 角矽接近9 0 0 的模具进行e c a e 实验，单道次即可获得较大的剪切变形量，容 易获得大角度晶界的组织结构；而在内转角矽较大时，单道次获得的应变量较 小，即使通过增加挤压道次的方法累积相同的应变量，但是却很少产生大角度 晶界的组织。但是n a k a s h i m a 等人未对4 ， - i 退火态 e c a e e c a e - t 图5 7 不同工艺下制件中部横截面上点的硬度变化 5 3 2 2 不同道次同一点处的硬度变化情况 采用e c a e t 工艺的a 路径，不同道次下制件主要变形区横截面中心的硬 度变化如图5 8 所示，道次对显微硬度的影响规律不明显，在l 、3 道次的硬度 大于2 、4 道次的硬度，这可能与挤压时的挤压路径有关，也可能是由于应变足 够大时位错相互抵消或者湮灭造成的，但具体的原因尚需进一步实验来研究。 念企 一：妻豢 0 1 23 4 挤压道次 留5 不同挤压遒执下e c a e - t 制件的显微硬度变化 5 4 变形机理初步研究 利用坐标州格法来进行e c a e - t 中变形机理的研究，实验前把矩形方坯沿 y 面切开，并在一边刻上相同距离的水平线和竖直线，间距为2 m m ，并用黑色 墨汁把线坑染黑，以便试验后进行观察与测量，囤5 - 9 为变形前后的网格图。 由于e c a e - t 包含了e c a e 变形，变形后的组织相比旋转了9 0 。，变形原 理图如图5 - 9 ( a 1 所示，当制件经过竖直通道到达直角转角处时，在y 面上发生 纯剪切变形，倾斜角度约为2 0 至3 0 。( 如图( c ) 所示) ；当制件到达t e 通道后， 将发生旋转变形( 从出口看为左旋) ，因此e c a e 后的y 面变成e c a e - t 后的z 面，而e c a e 后的z 面也相应的变为e c a e - t 的y 面。因此，图中在观测点 处( 闰中处为水平观察) 观察到的网格变化图为e c a e 后y 面( 如图( c ) 所示) ， 而处( 图中处为竖直观察) 观察到e c a e - t 后的z 面( 如图( d ) 所示) 。 ( a ) 变形原理圈 ( b ) 初始刚格 c ) 处观察到的网格 ( d ) 处观察到的网格 图5 。9e c a e - t 变形机理图 此种变形机理与前述的不同道次组织变形特征相一致，随着a 路径道次的 增加，最终导致剪切面在y 面和z 面上交替存在，显微组织变化情况也呈现交 替变化的特征。 5 5 本章小结 本章对e c a e t 变形进行了实验研究，并采用组织观察与力学性能测试技 术进行了分析，得出了下列结论。 ( 1 ) 本次实验验证了前述e c a e t 有限元模拟的正确性，且模具结构合理， 强度足够。 ( 2 ) 一道次e c a e t 后得到的制件晶粒尺寸比e c a e 细小，但是由于一道 次应变量相对较小，晶粒细化效果不是很明显；而随着道次的增加，e c a e t 晶粒细化效果明显好转，晶粒尺寸迅速减小，强度也有所提高，但三道次后强 度达到极大值，之后有所下降。 ( 3 ) 对于显微维氏硬度，一道次e c a e t 后比e c a e 后略有提高，e c a e t 中心处的硬度大于边缘处；但是随着道次的增加，硬度变化的规律性不是很明 显。 第六章本文主要结论与展望 6 1 主要结论 本文在总结制备超细晶材料方法的基础上，介绍了传统大塑性变形法 ( s p d ) 的特点及种类，分析比较了e c a e 与t e 工艺的特点，提出了新型大塑 性变形方法等径角挤扭( e c a e t ) ，并采用数值模拟与实验相结合的方法， 对等径角挤扭( e c a e t ) 新工艺进行了模拟分析与实验研究，得出了下述结论： ( 1 ) 结合等径角挤压( e c a e ) 和挤扭( t e ) 两种大塑性变形工艺，提出了 一种新的工艺方法等径角挤扭( e c a e t ) ，为制备块体超细晶材料提供了 新的思路，丰富了大塑性变形法的内容。 ( 2 ) 首次建立e c a e t 几何模型，并运用d e f o r m 3 d 软件进行了数值 模拟，得出了e c a e t 变性特征、应力应变及载荷的大小和分布情况。 ( 3 ) 在不同的几何形状和工艺条件下( 如螺旋角、截面转角，、过渡距 离三，、接触摩擦条件m 、变形温度，、变形速度1 ，和背压大小p 等) 进行了纯铝 连续体材料的e c a e - t 数值模拟，分析了各工艺参数对成形过程中的应力、应 变和载荷等场量大小与分布的影响；经分析认为，影响e c a e t 变形的最大因 素为模具几何形状及摩擦条件，挤压温度和变形速度影响最小，背压的影响较 为复杂，这为e c a e t 主要工艺参数进行最终的优化提供了理论依据。 ( 4 ) 基于实验室设备2 0 0 t 压扭机，采用二层预应力组合凹模结构，首次 设计并制造了e c a e t 模具，并进行了纯铝的试探性实验研究；结果证实，模 具设计合理，强度足够，验证了模拟与实验的一致性。 ( 5 ) 首次进行了纯铝e c a e t 实验研究，通过与e c a e 实验结果的对比， 分析了e c a e t 的优越性：研究了e c a e t 1 、2 、3 和4 个道次下的组织形貌演 变情况及其力学性能，得出结论：一道次e c a e t 后能得到比e c a e 更加细小 的组织结构，强度和硬度有所提高；且随着道次的增加，e c a e t 后制件的显 微组织更加细小，强度硬度明显提高，塑性有所降低，3 道次时强度达到极大值， 随后大幅下降。 ( 6 ) 对e c a e t 的变形特征及晶粒细化机理进行了初步的探讨，分析认为， e c a e t 通道在e c a e 的基础上多了螺旋通道，这使得e c a e 变形后的材料能 够进行旋转变形，剪切变形方式更加多样复杂，因此，晶粒细化更加显著，力 学性能更加优越。 6 2 创新点 ( 1 ) 本文在e c a e 和t e 两种s p d 方法基础上，首次进行了e c a e - t 研究， 并运用有限元分析软件进行了数值模拟，得出了其变形规律与工艺因素的影响 规律，扩展了大塑性变形方法的种类，为细化晶粒提供了新的途径。 ( 2 ) 设计了e c a e t 模具，并i l i o n 生产制造，成功进行了实验研究。 4 7 ( 3 ) 以纯铝为研究对象，进行了e c a e t 开创性实验，验证了模拟的正确 性，得到了e c a e 。t 后的实验制件组织照片，开展了拉伸实验，初步分析了 e c a e t 变形的机理，这为e c a e t 晶粒细化机制的研究奠定了坚实的基础。 6 3 展望 本文虽然在大塑性变形方法上进行了一定的创新，并对等径角挤扭工艺 ( e c a e t ) 进行了数值模拟及实验研究，得出了其变形规律、工艺因素的影响 以及组织性能变化规律，但限于作者知识水平有限，实感有很多问题需要在下 一步的工作中进行研究与探讨； ( 1 ) 对于e c a e t 工艺的模拟需要作进一步的研究，研究各个影响因素中 的相互影响，并对各个因素的影响作进一步的分析； ( 2 ) 在e c a e t 实验方面，需要对e c a e t 模具做进一步的开发，在不同 几何尺寸的模具下进行实验，以与模拟结果相互验证：并应针对不同的材料开 展e c a e t 实验，研究其晶粒尺寸变化情况，归纳其细化机理； ( 3 ) 对于e c a e - t 的应变量进行理论分析及公式的推导，并对变形均匀性 进行系统的研究，特别是各个影响因素对e c a e t 变形均匀性的影响，并应用 实验来验证此种结论。 参考文献 1 】 v a l i e vr z ，i s l a m g a l i e vrk ，a l e x a n d r o viv b u l kn a n o s t r u c t u r e dm a t e r i a l s f r o ms e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n 【j 】p r o g r e s si nm a t e r i a l ss c i e n c e ，2 0 0 0 ，4 5 ： 1 0 3 1 8 9 【2 】 v a l i e vr z ，l a n g d o ntg p r i n c i p l e so fe q u a l c h a n n e la n g u l a rp r e s s i n ga sa p r o c e s s i n gt o o lf o rg r a i nr e f i n e m e n t 【j 】p r o g r e s si nm a t e r i a l ss c i e n c e ，2 0 0 6 ， 5 1 ( 7 ) ：8 8 1 9 8 1 【3 】 崔忠圻金属学与热处理 m 】机械工业出版社，2 0 0 0 ：1 7 8 1 8 1 4 】s e g a lvm ，r e z n i k o vvi ，d r o b y s h e v k i y a e ，e ta 1 p l a s t i cw o r k i n go fm e t a l s b ys i m p l es h e a r j 】r u s s i a nm e t a l l u r g y ，1 9 8 1 ，l ：9 9 1 0 5 【5 】 v a l i e vr z ，k r a s i l n i k o vna ，t s e n e vnk ，p l a s t i c