（材料学专业论文）6061铝合金及其sic颗粒增强复合材料的ecap变形研究.pdf

上海交通大学博士学位论文 6 0 6 1 铝合金及其s ic 颗粒增强复合材料 的e c a p 变形研究 摘要 7 ：一直是材料学领域研究的热点，通过细化晶粒，可在不改变材料成 分r 苘材料的强度和韧性，同时获得相当好的塑性和超塑性。在当前各 一一。r i p 细化晶粒的方法中，等径角挤压( e c a p e q u a lc h a n n e la h g u l a rp r e s s i n g ) 。 以其独特的工艺成为最有大规模工业应用前景的一种方法a 此方法模具结构简 单，可以在材料截面积不变的情况下获得很大的剪切变形量，将材料的晶粒细化 到亚微米级甚至纳米级，使材料呈现出和常规变形方式不同的机械性能。 目前为止，所有的e c a p 过程都是作用于块状毛坯上的，并且研究主要集中 在e c a p 过程对材料的微观组织的变化，及对材料机械性能的影响上，对材料在 变形过程中的织构变化，还没有系统深入的研究。而织构是金属板材成形过程的 一个重要性能参量，本文采用一种全新的基于e c a p 原理，适用于板材e c a p 变形 的方法，对板料e c a p 变形的变形机制，微观组织和力学性能的变化，特别是板 料的织构的演变进行了深入研究。 由于复合材料的塑性较差，e c a p 变形过程应用于非连续增强金属基复合材 料国内外很少报道，而相应于板状e c a p 过程的报道则基本未见。因此本文也将 探讨板状e c a p 过程应用于颗粒增强金属基复合材料板材的可行性，e c a p 变形的 剪切变形模式对颗粒破碎的作用及对织构和力学性能变化的影响。 试验中，本文利用了x 射线衍射仪，透射电镜，扫描电镜，光学显微镜， 一万能拉伸试验机，硬度计，及取向分布函数等手段，重点进行了以下几个方面的 研究： 1 通过改变板状e c a p 变形的模具及增加变形道次的方法，研究了e c a p 变形过程中材料变形量与宏观变形织构之间的关系。结果证明当剪切变形量不断 增加时e c a p 变形存在一个稳定织构。对6 0 6 1 铝合金的试验表明，在相对较小 的变形量下，材料内会形成旋转立方织构。但随着e c a p 变形量的增加，旋转立 方织构分量的强度的下降， 1 1 2 ) 分量的强度迅速增加并成为材料内唯一一 上海交通大学博士学位论文 个织构分量。表明e c a p 变形时随变形量的增加存在一个亚稳态的旋转立方织构 和一个最终稳定的一个 1 1 2 ) 织构分量。微观组织的观察表明e c a p 过程可 以得到晶粒或亚晶尺寸小于1 岫的等轴细晶。 2 研究了e c a p 变形过程的一个重要变形参数变形温度，对织构形成及 j 、微观组织演变的影响。制各出了具有 价的y 织构线的板材。对6 0 6 l 铝合 金在不同的温度下进行的e c a p 实验表明，在适当的变形条件下，材料内将形成 3 3 2 ) 织构分量，并且这些分量沿丫织构线分散分布，构成了事实上的丫织构 线。此时铝合金板材的平均板厚方向性系数r 值高达1 5 ，较常规变形方式所能 得到的提高了几乎5 0 。微观组织的观测表明此时试样内并未出现明显的亚晶 尺寸长大的现象。此研究结果表明了e c a p 变形可作为控制板料成形性的一种重 要手段应用于金属板材的生产加工上。 3 对于可热处理强化的铝合金来说，其实际应用中仍可能会对变形后的材 料进行去应力退火等热处理工序，或后续变形过程及应用中在一定温度下进行， 因此研究e c a p 变形后材料内的细晶组织的高温稳定性及退火过程中织构的变化 也是本文的研究内容之一。对6 0 6 1 铝合金e c a p 后变形组织的热稳定性研究表明 e c a p 变形后材料具有良好的热稳定性，退火结束时晶粒大小仍保持约为o 6 岬 与轧制后铝合金经常出现的立方织构不同，e c a p 变形后6 0 6 l 铝合金退火结束时 的主要织构为旋转立方织构，这应与e c a p 变形的剪切变形方式有关。 4 e c a p 变形可以显著地提高材料的力学性能，本文中的颗粒增强铝复合材 料板材e c a p 变形前已经历了较大的挤压及轧制变形，因此本文将探讨此时的 e c a p 变形是否能进一步的提高材料的力学性能，并将对e c a p 变形前后的铝基复 合材料的颗粒状况、微观组织、拉伸力学性能及宏观织构的变化进行研究。实验 成功的进行了0 5 8 变形量下的体积含量1 0 的s i c 颗粒增强6 0 6 1 铝基复合材 料板料的e c a p 变形。结果表明，虽然经历了大变形量的塑性变形，但随后的e c a p 变形仍然可以提高复合材料板料的拉伸力学性能，其e c a p 变形后的屈服强度和 拉伸强度分别较e c a p 变形前提高了2 0 。 5 最后本文利用有限元方法，研究了e c a p 变形过程中的温度场及应力应变 场，以期深入了解并揭示板状e c a p 变形过程中的变形特点及变形机制。对e c a p 变形时的计算机模拟结果表明，与常规块状的e c a p 变形方式不同，板状e c a p i i 上海交通大学博士学位论文 变形中摩擦力是e c a p 成型的关键。块状e c a p 变形中摩擦力的存在会使变形 能过多的耗散于摩擦功，需要尽量减小摩擦系数。而板料e c a p 过程中的一定的 摩擦力和尺寸精确的模具结构却是使e c a p 变形能正常进行的关键。 可以预见，在能源与环境要求越来越高的今天，包括铝合金及其复合材料在 内的板材正越来越多的得到了汽车工业等领域的关注。本文的研究结果对今后板 料e c a p 应用于大规模工业生产应具有重要现实意义。 关键词：等径角挤压，织构，铝合金，复合材料，微观组织 上海交通大学博士学位论文 t h ee q u a lc h a n n e la n g u l a rp r e s s i n go n 6 0 61a l u m i n u ms h e e ta n ds i cr e 腑o r c e d 6 0 61a l u m i n u mm a t r c o m p o s i t es h e e t a b s t r a c t t bo b t a i nt h es u b m i c r do rn a n o s i z em i c r d s t r u c t l l r ee 街c i e n t l vi so n eo ft 1 1 em a j n g o a l sp u r s u i n gb ym e t a l l u r 百s ta n dm a t e r i a l se n 百n e e r t h es t r e n 舀ha n dt o u g h n e s so f m e t a l sc a nb ee n h a n c e db yr e 丘i l i n gt h e i rm i c r o s 廿u c n l r e sw i t h o u tt h em a jo r c o m p o s i t i o n a lm o d i f i c a t i o n ，a n da ts 锄et i m eh a v i n 2t h eg o o dp l a s t i c i t ya n d s u p e r p l a s t i c i 札am o n gv 撕o u st e c l l i l i q u e so fr e f i n i n gm em e t a l l i cm i c r o s t n 】c t u r e ，t h e e c a p ( e q u a lc h 锄e la 【1 9 u l a rp r e s s i n g ) p r o c e d u r eh a st h e 伊e a tp o t e n t i a l t oa p p l yi n l a r g e s c a l ei n d u s 仃y t h ee c a pp r o c e s sp r o v i d e sas i m p l em e t h o dt oi n t r o d u c ea1 a r g e 锄o u n to fs i n l d l es h e a rs t r a i ni n t om a t e r i a l sw i t hn on e c e s s i t a t e so f 也er e d u c t i o ni n t h es a n i p l ec r o s s s e c t i o n ，a n das u b s t a n t i a la c c m u l a t i v es 打a i nc a nb eo b t a i n e db y c o n s e c u t i v ee c a pp r e s s i n g s t h es u b m i c r o no rn a l l o s i z e罩a i n so rs u b 盯a i n s s 印a r a t e db yh i 曲a i l 9 1 eb o 吼d 撕e sc a nb eo b t a i n e db yt h ee c a pp r o c e d u r e ，w h i c h i e a dt om ec r e a t i o n so fs o m ea d v a n t a g e sm e c h a i l i c a lp r o p e r t i e s u pt od a t e ，m ee c a pp r o c e d u r ec a i lo n l yd e a lw i t l lt h eb u ( m a t e r i a l s ，i e t h e c r o s ss e c t i o no ft h es 锄p l ei so f 也er o u i l do rs q u a r es e c t i o n ，a 1 1 da h n o s ta l l 血e r e s e a r c h e sa r ef o c u so nt h ee v o l u t i o no fm i c r o s t r u c m r ea n dt h em e c h a i l i c a lp r o p e r t i e s i nv a r i o u sm a t e r i a l sd u r i n g 也ee c 久pp r o c e s s e s t h e r ei so ns y s t e m a t i cr e s e a r c ho n t h et e x n l r ec h a n g ei i le c a pp r o c e d u r e f o rm e t a l l i cs h e e t ，m et e x t l l r ei sa 1 1i m p o r t a l l t p a r a m e t e rf o ri tc o n 的lt h ef o 珊a b i l i t yo fm es h e e t ，a 工l di ti st h em a i nr e a s o no ft h e e 疵ga p p e 撕n gi ns h e e td r a w i n gp r o c e s s s oi np r e s e n ts t u d mau 1 1 i q u ee c a p p r o c e d u r e ，w m c hc a np r o c e s s 也em e t a l l i cs h e e t ，w a sc o n d u c t e dt oi n v e s t i g a t e 血e e v o i u t i o no fm i c r o s 仇l c t u r e 觚dm e c h a l l i c a lp r o p e r t i e sd u r i n gt h ee c 久pp r o c e s s ， e s p e c i a u vo nt 1 1 ee v 0 1 u t i o no ft e x n l r e o n 也eo 也e rh a l l d s ，m e r ea r ef e ws t u d i e so nm e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s ，e s p e c i a l l y 1 1 0 n eo ns h e e tm e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s t h es e c o n do b je c to fp r e s e n ts t u d yi st o i 】1 v e s t i g a t em ef l e a s i b i l i 够o ft h i s 嘶q u ee c a pp r o c e d u r eo ns h e e tm e t a lm a t r i x c o m p o s i t e s t h ee v o o no ft e x t u r ea 1 1 dm i c r o s 仃u c t u r e 缸1 dm eb r e a k a g ec o n d i t i o no f r e i n f o r c e i n e n ta r ea l s oi n v e s t i g a t e db yu s i n gt t l i su 1 1 i q u ee c a p p r o c e d l j r e b vm e a l l so fx r a yd i 脏a c t i o n ，t e m ，s e m ，o m ，t e l l s i l em a c h i i l ea 1 1 do r i e n t a t i o n d i s 仃i b u t i o n 缸l c t i o n s ， s e v e r a la s p e c t sa b o u tm i ss h e e te c a pp r o c e s sw e r e i n v e s t i 2 a t e d ，w l l i c ha r e1 i s t e da sf 0 1 1 0 w s ： 1 t h ee 丘i e c t so fs i m p l es h e a rs 仃a i l lo nm i c r o s t r u c t l l r ea n dt e x t u r ee v o l u t i o nw a s v 上海交通大学博士学位论文 i n v e s t i g a t et 1 1 r o u g ht l l ec h a l l g eo ft h es e t u po fd i e so ft h ee c a pm a c m n ea 1 1 d b yc o n s e c u t i v ep r e s s i l l gt oe l u c i d a t ew h e t h e ro rn o tt h e r ei sas t a b l et e x t u r e c o n l p o n e n tw h e nt 1 1 es h e a rs 仃a i nb e e ni n c r e a s e d ni sf o u i l dm a ta tr e l a t i v e l y l o wd e 露e eo fm es i m p l es h e a rs 仃a i n ，t h er o t a t e dc u b ec o m p o n e n tw a s a p d e a r e d a st h es h e a rd e f o 订n a t i o ni n c r e a s e d ，t h ei 1 1 t e n s i t yo fr o t a t e dc u b ed r o p r a p i d l v ，a n da tt h es a m et i m e ，m et e x n l r e 1 12 ) b e c 锄em ed o m i n a t i n g t e x n l r ec o r n p o n e n ta i l dt h e r ei sn oa n yo t h e rt e 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b e c o r n d o n e n t 趴dam i n o r f1 11 ，c o m p o n e n t ， r a t h e rt h a l lt 1 1 ec u b e c o m p o n e n t ，w h j c hg e n e r a l l ya p p e a r e dt ob et h em a i nt e x t u r ec o n l p o n e mi n r 0 1 1 i n gd e f o n n a t i o n 4 t h ee c a pp r o c e d l l r ew a ss u c c e s s 血l l yc o n d u c t e dt o1o v 0 1 u m e 丘a c t i o no f s i cp 抓i c u l a t er e i l l f o r c e d6 0 61a l u i n i l l u ms h e e ta tr o o mt e m p e r a t l l r e ，e v e nt h e c o m p o s i t es h e e th a de x p e r i e n c e dal a r g ea m o u l l to fp l a l s t i cd e f o r r n a t i o np r i o rt o e c a pp r o c e s s t h er e s u l ts h o w st 1 1 a tt l l ep a r t i c l e sw e r ed i s t r i b u t e 谢f o 订n l ya 工1 d f i e ww e r eb r o k e na f t e re c a pp r o c e s s t h e 弧e l ds 打e s sa n dt 1 1 eu l t i m a t et e n s i l e s 仃e n 啦o ft h ec o m p o s i t ep r o c e s s e d b yt 1 1 ee c a pw e r eb o ms i 嘶矗c a l l t l y e r 血a i l c e db y2 0 w h e nc o m p a r et om eo n eb e f o r ee c a pp r o c e s s 5 c o m p u t e rs i m u l a 矗o nw a u sca r = 吖o u tt oi n v e s t i g a t e dt l l ee a e c t so f 衔c t i o no nt h e e c a pp r o c e d ：i 】r eb yaf i l l i t ee 1 伽【1 e n tm 砒1 0 d t h es i l i m l a t i o nr e s u l t ss h c j w nt h a t 也e 衔c t i o np l a y sad e c i s i v er o l eo nm ed r e s e i l te c 久pp r o c e d l l r er 舳e rt h 趾t h e n e g a t i v e 伍c t i o ne 舵c to nc o n v e n t i o n 2 l 1e c a pp r o c e s s t h ea d e q u a t e 衔c t i o n a 1 1 dm es t r i c t l yc o 腑o l l e dc h a n l l e ls i z ea r et h ew a r r a m yo fas u c c e s s m l p e r f o n n a n c eo f 锄su 1 1 i q u ee c a pp r o c e d l l r e t o d a y a sm ei 1 1 c r e 2 l s i l l gd 锄a z l d so fm e le 伍c i e n c ya n dr e d u c e dv e l l i c l ee m i s s i o n ， 也ea p p l i c a t i o n so f 也es h e e to fa i u m i n u ma r 通a l u m i n j 吼m a 晡xc o m p o s i t e sh a v el e d t o 狐i 1 1 c r e a s i n gn e r e s ti na u t o m o t i v ea i l da e r o s p a c ei n d u s 臼了t 1 1 ee c p 心p r o c e d u r e v i 上海交通大学博士学位论丈 h a sa 日a t ep o t e n t l a lt o 印p l y1 n1 a r g e s c a l ei n d u s 廿ya n dt 1 1 er e s e a r c hm p r e s c l l tw o r k 研| 1o f t h ei m p o n a n c em 吐l ee c a pa p p l i c a t l o nl nt h en e a r t h e l k e yw o r d se c a _ p ( e q u a 工c h 蛐e 1a g u l a rp r e s s i n g ) ，t e x t u r e ，a l 岍i n 啪，删c s ( m e t “m a t r i xc o m p o s i t e s ) ，m i c r o s 拓u c t l l r e v 附件四 上海交通大学上海父逋大罕 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。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。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：dr 年y 月j 日 附件五 上海交通大学上海父逋大罕 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。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密彳 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：一指导教师签名： 婊吣 日期：d j 年7 月目 日期： 。f 年f 蝴1 日 上海交通大学博士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 有效的细化晶粒的途径是材料学领域的研究热点，通过晶粒的细化可以在不 改变材料任何成分下前提下提高材料的强度和韧性，同时还可以获得相当好的塑 性和超塑性。近年来等径角挤压( e c a p ) 细化晶粒方法由于其简单实用性正得到 越来越多的关注。随着板料e c a p 方法的提出，扳料e c a p 过程对材料微观组织及 性能影响的研究具有重要的理论和应用价值。 1 2e c a p 方法的特点 一直以来，传统上的材料晶粒细化主要是以压力加工如各种锻造、挤压和轧 制手段，以及各种热处理和形变热处理等方法进行的。近年来由于对超细晶材料 的需求，出现了各种细化晶粒的方法，如粉末冶金法，高能球磨法，以及通过在 材料内引入大塑性变形来达到超细晶的方法如高静水压力下的扭转( h p t h i g h p r e s s u r et o r s i o n ) 及e c a p ( e q u a 卜c h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g ) 方法等，而在这 些方法中，s e g a l 1 提出的e c a p 方法以其独特的工艺成为最有大规模工业应用 前景的一种方法。 首先e c a p 并不需要特别的工艺设备，其模具结构也极其简单，它可以在材 料内引进均匀的变形，是一个可以广泛应用于各种材料的一种新工艺。其次这种 工艺可以在不改变材料截面积的情况下获得很大的变形量，由于材料的截面积不 变，因此可以很容易地进行多道次的e c a p 变形来达到所需的变形量。例如经过 8 道次的e c a p 变形( 转角9 0 度) ，材料内经历的应变量可以达到9 2 ，材料此时 的截面积和原来坯料一样。而如果通过轧制要达到相同的变形量，此时相应的压 缩比是2 ，8 8 3 ：l ，假如要得到5 毫米厚的板料，材料必然要从1 4 米的厚度开始 轧制，这几乎是不可能的。第三，e c a p 变形工艺可以得到大角度晶界下的等轴 细晶，其晶粒细化可以达到亚微米级甚至纳米级，使材料呈现出和常规变形方式 上海交通大学博士学位论文 不同的机械性能。 与常规的细化晶粒的方法相比较，e c a p 都有其独到之处。挤压、轧制等这 些常规的细化晶粒的方法可以细化晶粒，但晶粒的细化程度有限，最主要是随着 变形程度的增加，材料的截面积不断减小，因此限制了其可获得的变形程度，而 且这些常规的变形方法其变形组织是小角度晶界的组织。而e c a p 细化晶粒的效 果包括了等轴细晶和大量的非平衡晶界，以及得到的晶粒及亚晶之间的大角度晶 界。有试验表明即使在同样的变形程度下，经e c a p 后的材料的塑性要比经轧制 后的材料的塑性有明显提高。 形变热处理是以往获得超塑性组织的一种常用的手段，它包含了固溶、时效 和压力加工等几个工艺的特征，最终材料可获得较细的晶粒以得到超塑性。但与 等径角挤压挤压相比形变热处理工艺有二个不足之处：一、形变热处理工艺可得 到的晶粒要比等径角挤压挤压的粗大，造成其超塑性变形时变形速度要求较慢。 二、由于材料的成分和微观组织对形变热处理工艺有较大的影响，因此对每一种 具体材料的工艺研制成本高。而等径角挤压挤压则是一种相对简单的工艺，它所 要确定的工艺参数相对要少得多。此外对一些不能用热处理方法来细化晶粒的金 属来说，如铝合金，铝合金的晶粒细化通常很难通过形变热处理的再结晶过程来 获得，因为铝的高层错能造成了位错的 易于交滑移，使铝合金极易发生回复， 而使再结晶动力降低。另一方面一些铝 合金也不能象钢一样通过热处理来细化 晶粒，因为铝合金加热没有相交过程。 因此铝合金很难通过常规方法得到超细 晶粒。但通过e c a p 方法，铝合金可以得 到2 0 0 一3 0 0n l 的晶粒度。 高静水压力下的剪切变形( h p t h i 卧p r e s s u r et o r s i o n ) 也是近年来提 出的通过引入太塑性变形来细化晶粒的 方法。其变形原理如图1 1 所示：将一 薄片状材料放入下模中，冲头先加 2 图卜l 高静水压力下剪切变形原理图 f i g u r e 1 1 4 s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o n o fh p tp r o c e d u r e 上海交通大学博士学位论文 5 5 g p a 的应力而后进行旋转而使材料发生高静水压力下的扭转变形，其晶粒度 可达o 1 岬，利用此种方法可以得到相当大的变形量，因为只要保持冲头旋转， 就可以得到足够大的变形量。但此法有一个明显得缺点，变形的材料的尺寸有限， 只能是相当薄的薄片状材料，而且受模具结构的影响，直径不可能太大。此法的 变形方式也决定了变形量并不均匀，会造成微观组织的不一致。尺寸的限制是这 种方法无法用于大规模工业生产的原因。 由此可以看到e c a p 是一种有极大应用前景的材料加工工艺，e c a p 变形方法 对材料各种性能的影响，以及e c a p 的各种工艺参数对其成型性的影响将在下几 节进行详细综述。 1 3e c a p 方法的原理 1 3 1e c a p 方法的结构 e c a p 方法是在2 0 年前左右由前苏联s e g a l 1 首先提出来的，其原理如图卜2 所示。e c a p 变形的模具结构相当简单， 为二通道相交，相交角度通常为g o 度。 二通道截面积一致。试样加工成截面与 通道截面致的长条状，由冲头推入模 具。可以看到加在试样上的应变主要是 由二通道之间的转角决定的，在此图中 二通道的夹角是9 0 度。可以看到，变 形前后试样的截面积并没有改变，这就 使得试验可以很方便的在同一模具上 进行多道次的变形。以此方法便可以很 方便地在试样中得到很高的累积变形 量。 p 阳e d 翱m p k 图卜2 4 e c a p 变形原理图 f i g u r el 一2 4t h es c h e m a t i c i l l u s t r a t i o n o fe c a pp r o c e d u r e 1 3 2e c a p 变形的应变量的计算 e c a p 变形时的模具结构中的控制变形角度的示意图如图卜3 所示，其中控制 变形量的只有二个角度参数，通道之间的转角。以及通道外角甲，转角巾一般大 3 上海交通大学博士学位论文 于或等于9 0 度而外角甲一般可以在o 度和兀一西之间变化。s a g e l 2 最早给出了 计算甲= o 时的e c a p 变形量计算公式： p 驴等c o t c 争 c t 叫 式中：n 代表材料重复e c a p 次数 而1 w a h a s h i ，y 3 等则给出了考虑到甲角 不同时e c a p 的变形量的计算。 知= 若( c o t ( 詈+ s 叫詈+ 刳c - 叫 式中n 同样代表材料重复e c a p 次数。从上式 可以知道，当转角为9 0 度时，外角、王，从0 度增加图卜3 b c a p 变形的控制角 到9 0 度，材料经历的有效应变从1 1 5 减小到度于意图- o 9 0 7 。由于转角m 太大就不具有晶粒细化效果，o ft h ec o n tr o l “n ga n g 【e s 一般模具设计为9 0 度转角，对于一般粗略地估 “心9 ”d u “ 算，每道次通过模具材料可获得的有效应变量是1 ，也就是1 0 0 的变形量。 1 3 3e c a p 方法的后续各道次定义 由图l 一2 可以看出，e c a p 后材料的截面积并未发生变化，因此可以很方便 4 r o 山a ；2 p r e 蚰i n 口j r o 山b ：2 p 怕明i 啊3 r o 口c ；2 b 明l n 口8 ，龆龉些醯 ( a )( b )( c )( d ) 图l 一42 1 后续e c a p 道次不同变化的变形示意图，( a ) 第一次e c a p 单位立方体变形，( b ) 第 二次a 道次变形，( c ) 第二次b 道次变形，( d ) 第二次c 道次变形。 f i g u r e1 4 “s c h e m a t i ci l i u s t r a t i o no fd i f f e r e n tc o n s e c u t i v ee c a pr o u t e ，( a ) t h e f i r s te c a pp r o c e ss ，( b ) t h es e c o n dr o u t eac o n s e c u t i v ep r e s s i n g ，( c ) t h es e c o n d r o u t ebc o n s e c u t i v ep r e ss i n ga n d ( d ) t h es e c o n dr o u t ecc o n s e c u t i v ep r e ss i n g 上海交通大学博士学位论文 的将e c a p 后的坯料重新放入模具中进行多次的e c a p 变形，采用这种方法可以在 不改变坯料截面积的前提下得到很高的塑性变形量。s a g e l 2 首先预计到了后 续变形时坯料不同的放置方向会影响到坯料的剪切面和剪切方向，进而影响材料 的微观组织的发展。由此可定义各种不同的后续变形方式。后续的变形道次一般 可以分为3 种，l 。后续每道次方向不变，2 。每道次试样旋转9 0 度，3 。每道次 试样旋转1 8 0 度，分别称为a ，b ，c 道次。对于变形前的一个标准立方体，其第 一次变形及以后各a ，b 及c 道次变形其体积的几何变化可直观地表示如图l 一4 所示。 对于各种后续每道次变形试样的转动的定义如下表1 一l 所示： 表1 一l 各种后续e c a p 变形的定义 n u m b e r0 fp r 鹊s i 几g s r 0 u t e 23456 7 8 a 0 。 0 40 。0 。0 。o 。0 。 b 9 0 气 9 0 。、 9 护、 9 旷、 9 0 。气 9 0 。、 9 0 气 b c 9 0 。气 g o 。气9 0 。、9 0 。气9 0 9 气9 0 。气9 0 。气 c1 8 0 。1 8 旷1 8 旷1 8 0 。1 8 0 。 1 8 0 61 8 0 。 b a - a 9 0 。气0 d 9 0 4 、 0 69 0 。气0 。 9 0 。、 b c - a 9 0 、0 。 9 0 口、 0 。9 0 、 0 。9 0 。气 对于一般的e c a p 研究，从操作的方便性以及实际的细化晶粒的效果出发， 一般只以a ，b c 及c 变形道次应用得最多。绝大部分研究是围绕这3 种变形方式 来进行的。 1 4e c a p 后材料性能变化的研究 1 4 1e c a p 后材料的显微组织的特性 自e c a p 方法发表以来，有大量的研究集中在了其晶粒细化的特征上，m i n o r u f u r u k a w a 等 4 研究了利用纯铝的b c 共4 道次的e c a p 变形研究了其晶粒细化的 效果。研究结果如下图所示，可以看到第一次的e c a p 变形后材料中有带状的亚 晶组织形成，并且s a e d 图谱表明亚晶之间是小角度晶界，但经过4 次b c 道次 5 上海交通大学博士学位论文 一一 图l 一5 1 纯铝e c a p 变形后不同侧面上不同应变量下的微观妇织，( a ) 一次e c a p 变形显 微组织( b ) 经4 次b c 道次变形后的显微组织；同时附有相应的选区衍射图谱 f i g u r el 一5 4m i c r o s tr u c t u r e si np u r ea lo nt h ex ，ya n dzp l a n e sa f t e re c a pf o r ( a ) o n ep a sst oas tr a i n a n d( b )f o u rp a ss e st oas t r a i nu s i n gr o u t eb c ：t h e s a e dp a t t e r n sa r ea ts 0s h o w n e c a p 变形后，材料内形成了大角度晶界的等轴细晶。晶粒从初始时的1 f f l l 细化 到了1 3 岍。 j o o n y e o nc h a n g 5 则利用x 射线衍射线的宽化来研究经e c a p 后纯铝的微观 6 图卜6 5 位错密度与变形道次的关系 f i g u r e l 65 p 1 0 t0 ft h ed i sl o c a t i o n d e n s i t yv e r s u st h en u m b e ro fp r e ss i n g s 图卜7 有效晶粒尺寸与变形道次的关系 f i g u r e l 7 5 e v o l u t i o no ft h ee f f e c t i v e d o m a i ns i z ew n ht h en u m b e ro f 口r e ss i n g s 一#寻oqso；c五il强、粤c3iu呈o 上海交通大学博士学位论文 组织变化，采用a 道次的变形，变形量最大达到了1 6 。所研究的结果如图卜6 所示，材料在初始4 次变形时位错密度增加较快，变形量达到4 以后直到变形量 1 6 ，位错密度基本没有大的增加，而材料的晶粒度( 图1 7 ) 也是头4 次变形细 化较快，而以后的变形其晶粒度基本没有较大的细化作用，这表明材料经a 道次 e c a p 变形似乎存在一个临界变形量，达到此变形量以后材料的晶粒细化效果不 再增加。 d o n gh y u ks h i n 6 ，7 等研究了低碳钢( 0 1 5 w t c ) 经等径角挤压挤压后材 料的组织和性能的变化