（材料加工工程专业论文）等径角挤压细化大尺寸铝棒材晶粒尺寸的模拟与实验.pdf

l m 帅1 1 i 删姗m m 帅 y 17 3 9 0 3 9 论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者虢温石砷 研年月移日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 囱即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 一澎巾撇：私洲辉多月罗日 摘要 的模拟与实验 等径角挤压法( e q u a lc h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g 简称e c a p ) 是一种制备 块体纳米材料的大塑性变形方法。利用e c a p 法可以使材料获得微米甚至纳 米级别的晶粒，从而使材料产生特殊的力学、物理、化学等优异性能。 本文加大试样的尺寸以利于其工业化生产应用。论文先用公认的 d e f o r m 有限元分析软件系统模拟e c a p 过程，模拟不同参数下的e c a p 试 样的等效应变、等效应力、应变速率等的变化和分布情况。结果显示：内 角越小试样单道次挤压变形越强烈，但变形也越不均匀，同时，e c a p 挤压 载荷随内角的变化很大，e c a p 实验时宜选用内角为直角或钝角，但为提高 挤压效率一般选用直角；内转角半径较大时也会形成死区，且加剧试样变 形的不均匀，宜采用较小的内转角半径；外角较小时会形成死区，较大的 外角可以避免死区但会降低试样的等效应变量，模拟表明外角取3 0 。左右时 可避免死区的产生；大的摩擦系数会增加能耗，影响试样的变形均匀性； 挤压速度对试样等效应变的影响较小，但在较低的挤压速度下，试样内各 质点应变状态基本相同，晶粒细化更加均匀；挤压温度的升高可降低e c a p 的挤压载荷，但会影响到试样晶粒的细化效果，因此应在室温或较低的温 度下进行e c a p 工作；对不同路径的连续两次挤压表明，试样等效应变的 均匀性的好坏依次为a 、b ( b 、b c ) 、c 。但根据后面章节的分析，多道次挤 压后的b c 路径效果最佳。 根据模拟结果与课题要求制作内角为9 0 。，外角为3 0 。，内转角半径为 2 m m 的e c a p 模具，在室温下对1 0 7 0 工业纯铝进行e c a p 挤压，对挤压试样 的力学性能、微观组织等进行了研究，并与模拟结果进行比较，最后对e c a p 的发展前景进行展望。结果表明：模拟结果能很好和实验数据吻合；e c a p 法可显著调高材料的力学性能；经e c a p 处理工业纯铝在2 0 0 。c 范围内有很 好的热稳定性。对e c a p 四道次的挤压发现，试样材料晶粒被细化形成等 轴的细小晶粒，晶粒细化的过程为：先是晶粒沿剪切方向被拉长，再者位 错增殖产生位错胞，出现小角度亚晶，后来晶粒不断被破碎扭转，形成大 角度等轴晶粒，随挤压道次的增加，位错的增值、湮灭等作用达到平衡， 晶粒的细化接近极限；利用几何特征很好的说明了e c a p 的剪切、晶粒细化 机制；变形织构影响试样材料的晶粒细化，内角为9 0 。时采用b c 路径，织构 可有效促进试样材料的晶粒细化。 关键词：等径角挤压( e c a p )大尺寸铝棒材模拟性能晶粒细化 i i g e c a p ( 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 ) i s o n eo fs e v e r e p l a s t i c d e f o r m a t i o n m e t h o d s ，w h i c h a c h i e v e st o p r e p a r e b u l kn a n o s t r u c t u r e d m a t e r i a l s m a t e r i a l sp r o c e s s e db ye c a pc a ng e tm i c r o no re v e nn a n o m e t e r s c a l e g r a i n ，s ot h a tm a t e r i a l sc a ng e ts p e c i a lm e c h a n i c a l 、p h y s i c a l 、c h e m i c a la n do t h e r e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e i no r d e rt of a c i l i t a t et h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n da p p l i c a t i o n ，t h i sp a p e r i n c r e a s e dt h es i z eo ft h es a m p l e d e f o r m 一3 di s a d o p t e dt om a k en u m e r i c a l c a l c u l a t i o ni nd i f f e r e n te c a pc o n d i t i o n s a n dt h ed i s t r i b u t i o na n dc h a n g eo f e f f e c t i v es t r a i n 、e f f e c t i v es t r e s s 、s t r a i nr a t ea r eo b s e r v e d t h er e s u l ts h o w st h a t ：t h es m a l l e ri n n e rc o m e rc o u l dc a s es e v e r ea n d h e t e r o g e n e o u sp l a s t i cd e f o r m a t i o no fs i n g l ep a s s ，a tt h es a m et i m et h el o a d e c a pp r e s s u r ec h a n g e sq u i c k l ya st h ei n n e rc o r n e r , s or i g h to ro b t u s ea n g l e s s h o u l db es e l e c t e d ，e s p e c i a l l yt h er i g h ta n g l ef o re f f i c i e n c y ；i no r d e rt oa v o i dd e a d z o n ea n dh e t e r o g e n e o u so fw o r k p i e c e ，as m a l l e ri n n e rc o m e rr a d i u ss h o u l db e s e l e c t e d ；t h ed e a dz o n ec a nb ea v o i da n dt h ee f f e c t i v es t r a i nc a nb ea s s u r a n c e d w h e nt h eo u tc o m e ri s30 d e g r e e s ；l a r g e f r i c t i o nc o e f f i c i e n tc a na f f e c t d e f o r m a t i o nh o m o g e n e i t ya n di n c r e a s ep o w e rc o n s u m p t i o n ；g r a i nr e f i n e m e n t w i l lb em o r eu n i f o r mf o rl o n g e rr e t u m a c t i o nw i t hl o w e r p r e s s i n gv e l i c i t y ；h i g h p r e s s i n gt e m p e r a t u r ec a nr e d u c et h ep r e s s i n gl o a db u tw i l la f f e c tt h eg r a i n i i i r e f i n e m e n to fw o r k p i e c es ot h ee c a ps h o u l db ec a r r i e do nw i t hl o w e ro r r o o m t e m p e r a t u r e ；t h eb e s te c a p r o u t ei sb e a c c o r d i n g t ot h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dr e q u i r e m e n to ft h es u b je c t ，e c a p d i ei sd e s i g n e da i lm a n u f a c t u r e dw i t hao u t e rc o m e ro f3 0 。a n dai n n e rc o m e r r a d i u s2 r a m m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r ea n ds oo na r es t u d i e do f 10 7 0c o m m e r c i a l l yp u r ea l u m i n i u mp r o c e s s e db ye c a p a n dt h er e s u l ti s c o m p a r e dw i t hs i m u l a t i o n f i n a l l y , p r o s p e c tt h ef u t u r ed e v e l o p m e n to fe c a e t h e r e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h es i m u l a t i o nr e s u l t s a g r e e w e l lw i t h e x p e r i m e n t a l d a t a ；e c a pm e t h o dc a ns i g n i f i c a n t l yi n c r e a s et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，t h e m a t e r i a l sh a v et h e r m a ls t a b i l i t yu n d e r2 0 0 。c t h ew o r k p i e c ei sp r o c e s s e db y e c a pf o rf o u rp a s s e ss h o w e d ，t h eg r a i n so fw o r k p i e c ei sr e f i n e di n t os m a l l e q u i a x e dg r a i n s a n dt h ep r o c e s so fg r a i nr e f i n e m e n t ：f i r s tg r a i n sa r ee l o n g a t e d a l o n gt h es h e a rd i r e c t i o n ，d i s l o c a t i o n sp r o l i f e r a t ea n dd i s l o c a t i o nc e l l sa p p e a r t h e ns u b g r a i n sa r eo b s e r v e d ，s u b g r a i n sb e i n gb r o k e na n dr e v e r s e dt of o r mh i g h a n g l ee q u i a x e dg r a i n s ，w i t h t h ei n c r e a s eo f p r e s s i n gp a s s e s ，d i s l o c a t i o n m u l t i p l i c a t i o n 、o b l i v i o na n do t h e re f f e c t i o na c h i e v eab a l a n c e ，g r a i nr e f i n e m e n t c l o s et ot h el i m t t h es h e a ra n dg r a i nr e f i n e m e n tm e c h a n i s ma r ew e l ld e s c r i p t e d b yg e o m e t r i c c h a r a c t e r i s t i c s t e x t u r ec a nb ee f f e c t i v ei n p r o m o t i n gg r a i n r e f i n e m e n tw h e nb cr o u t ei sa d o p t e d k e yw o r d 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 ) ；a l u m i n u mr o do fl a r g e s i z e ；s i m u l a t i o n ；p r o p e r t y ；g r a i nr e f i n e m e n t i v 1 4e c a p 法材料晶粒细化效果及性能9 1 4 1 晶粒细化效果及力学性能9 1 4 2 物理性能1 0 1 4 3 热稳定性1 0 1 4 4 超塑性1 1 1 4 5 疲劳性能11 1 5e c a p 材料组织1 1 1 6e c a p 法的计算机模拟1 2 1 7e c a p 法应用潜力及存在问题1 2 1 7 1 应用潜力1 2 1 7 2 e c a p 法存在问题14 1 8 本课题的提出及主要内容1 4 1 8 1 本课题的提出1 4 1 8 2 主要内容1 5 第二章实验方案和研究方法1 6 2 1 实验过程1 6 2 2 实验用试样材料及其制备16 2 3 实验设备1 6 2 4 实验方法1 7 2 4 1d e f 0 1 1 1 1 有限元模拟17 2 4 2e c a p 变形过程17 2 4 3e c a p 试样的力学性能研究1 7 2 4 4 e c a p 试样显微组织2 0 2 5 本章小结2 0 第三章e c a p 法的计算机模拟2 l 3 1 单道次模拟参数的选取和模型的建立2 1 3 1 1 模拟参数的选取2 l 3 1 2 计算模型的建立2 1 v l l 2 3 3 5 6 6 6 7 9 3 1 3 模拟方案2 3 3 2 单道次模拟结果分析2 3 3 2 1 内角的影响2 3 3 2 2 内转角半径的影响2 7 3 2 。3 外角的影响2 9 3 2 4 摩擦系数的影响3 1 3 2 5 挤压速度的影响3 2 3 2 6 挤压温度的影响3 4 3 3 连续挤压及路径的计算机模拟3 6 3 3 1 模型的建立3 6 3 4 不同路径挤压有限元模拟结果3 6 3 5 本章小结3 7 第四章e c a p 法模具设计制造及挤压后材料性能研究3 9 4 1e c a p 实验方案3 9 4 2 e c a p 模具的设计与制造3 9 4 2 1e c a p 模具材料的选择3 9 4 2 2 e c a p 模具结构和制造的要求4 0 4 2 3 e c a p 模具设计与制造4 0 4 2 4 润滑剂的选择4 0 4 2 5 挤压模具及润滑4 1 4 3 e c a p 过程中的问题4 l 4 3 1 过大的挤压载荷4 1 4 3 2 下一道次挤压前试样的处理4 2 4 4 e c a p 试样力学性能4 2 4 4 1e c a p 试样硬度4 2 4 4 2 e c a p 试样强度4 3 4 4 3 e c a p 试样塑性4 4 4 5 温度及保温时间对e c a p 后试样的影响4 5 4 6 本章小结4 6 第五章e c a p 纯铝棒材显微组织分析及细化机理探讨4 7 5 1 研究内容4 7 5 2 显微组织分析4 7 5 2 1 原始试样的微观结构4 7 5 2 2 一道次后微观结构4 7 5 2 3 二道次后微观结构4 8 5 2 4 三道次后微观结构4 9 5 2 5 四道次后微观结构4 9 5 3 晶粒细化研究4 9 5 3 1 晶粒细化机制5 0 5 3 2 e c a p 的剪切特征_ 51 5 3 3 变形织构5 3 5 4 其他的晶粒细化影响因素5 3 5 5 本章小结5 4 第六章e c a p 展望及结论5 5 v n 广西大学硕士学位论文等径角挤压细化大尺寸铝棒材晶粒尺寸的模拟与实验 1 1 引言 第一章绪论 材料是人类生存、发展、文明和社会进步的必要条件。2 0 世纪7 0 年代，信息、材 料、能源被喻为当代文明的三大支柱。8 0 年代的新技术革命又把新材料与信息技术、生 物技术并列为重要的标志。自从1 9 8 4 年德国萨尔兰大学的g l e i t e r 教授成功地采用惰性 气体凝聚原位加压法制取纯物质的块状纳米材料，并提出纳米晶的概念以来，纳米材料 引起了广泛的重视，世界各国科学家和政府极其重视纳米材料的制备技术研究，纳米材 料及其制备技术进入了一个全新的发展时期。纳米结构是介于宏观物质和微观原子、分 子的中间领域，界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的品格结构互 不相关，构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。纳米晶粒和由此产生的高浓 度晶界是纳米材料的两个重要特征，这导致材料的力学、磁性、介电性、超导性、光学 乃至热力学等性能的改变。 块体纳米材料具有尺寸等方面的优势，可以更好的满足工业结构件的使用要求，因 此成为纳米材料研究和开发中的重要部分i 。 根据霍尔配奇( h a l l p e t c h ) 1 2 j 关系式： 一l 盯。= q + 72_kyd ( 1 - 1 ) 盯。为材料的屈服强度 d 为晶粒直径尺寸的平均值 万为总的位错运动阻力 k ，为一常数，表征晶界对强度的影响 当金属材料的晶粒尺寸不断减小时，金属材料的强度、硬度越来越高，同时其塑性、 韧性也有所提高。另外，纳米材料晶粒尺寸小，使其具有小尺寸效应，因而纳米材料具 有了丁达尔效应、高磁化率、超塑性等特性。因此对块体纳米材料进行研究开发是极具 有意义与前景的。 目前制备块体纳米材料的方法有：惰性气体蒸发原位加压法、机械合金及高压凝固 法、机械诱导粉末冶金法、电沉积法、非晶晶化法、强塑性变形法、急冷法等等。其中 广西大掌硕士学位论文等径角挤压细化大尺寸铝棒材晶粒尺寸的模拟与实验 强塑性变形法( 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 ) 是材料在外力作用下通过特别制作的模 具发生强烈的塑性变形( 主要为剪切变形) ，从而获得亚微米( 晶粒直径小于1 a m ) 甚 至纳米级( 晶粒尺寸小于l o o n m ) 的晶粒尺寸的细化晶粒的方法。强塑性变形所采用的主 要工艺有：等径角挤压法( e q u a lc h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g 简称e c a p 法) 、高压下的扭转 变形法( s e v e r ep l a s t i ct o r s i o ns t r a i n i n gu n d e rh i g hp r e s s u r e 简称s p t s 法) 、复合锻造法 ( m u l t i p l ef o r g i n g 简称m f 法) 以及反复压轧法( a c c u m u l a t i v er o l lb o n d i n gp r o c e s s 简称 a r b p 法) 等。 1 2e c a p 法 e c a p 工艺是前苏联科学家s e g a l l 3 1 等提出来的利用一种特殊的模具实现材料剪切 变形的材料塑性变形方法，v a l i e v l 4 1 等发现利用e c a p 法可以获得亚微米甚至纳米级的 超细晶结构，自此e c a p 法受到各国科学家的广泛关注和研究，成为很好的利用近似理 想的纯剪切变形方式来获得超细晶材料的强塑性成形工剖5 1 。 e c a p 模具有两个横截面相同且以一定角度完全连通的上下两个通道( 一般为方形 或圆形) 组成。如图1 一l 所示，两通道的相交的角称为内角，外接弧角甲称为外角， 另外还有内接圆弧半径r 和外转角半径r 。e c a p 挤压过程中，试样在挤压冲头p 的作 用下在通道内流动，当试样流经两通道相交的地方时经受近似理想的纯剪切变形，从而 达到细化自身晶粒的效果。由于试样在每次挤压前后形状变化不大，且横截面积不变， 故可以经过多道次挤压从而使试样最终获得累积的大的应变量，以得到良好的晶粒细化 效果，实现材料各方面性能的提高与突破。 图1 1e c a p 原理 f i g 1 1t h ep r i n c i p l eo fe c a p 2 等径角挤压细化大尺寸铝棒材晶粒尺寸的模拟与实验 1 3e c a p 法影响因素 1 3 1e c a p 模具结构 模具是实验的首要条件，模具的优劣直接关系到实验结果的好坏与成败。e c a p 法 实验中对模具参数的研究是有重大意义的部分。模具的主要工艺参数有：内角、外角 甲、内外转角半径r 和r 。s e g a l l 3 1 最先给出了计算试样单道次( 试样进出模具一次称一 道次) 剪切应变量的方程( 式1 2 ) ，后来1 w a h a s h i 6 1 修正，考虑外角甲的作用，给出新 的方程( 式1 - 3 ) 。式( 1 3 ) 中取甲= 0 。、= 2 ( a 时就转化为式( 1 3 ) 。这两个式子都 s ：2 0 0 t ( )。一2 ， 3 占= 击 2 c o t ( 皇2 + 詈) 一眦c ( 詈+ 剀 3 ， 是以试样与模壁完全润滑的理想纯剪切变形为前提的。当忽略掉蜡泥塑料和模壁之间摩 擦的时候，有机玻璃模具和多层蜡泥塑料模型的实验【7 1 、坐标网格法实验【8 1 都证明公式 ( 1 - 3 ) 是合理的。可以看出内角和外角甲是影响剪切应变量的最主要因素，决定了单道 次的应变量。 表1 1 单道次应变随模角、甲的变化 t a b l e 1 1s t r a i nv a r y i n gw i t hd i f f e r e n yd i ea n g l e n 0 。1 0 。2 0 。3 0 。4 0 。5 0 。 6 0 。 7 0 。8 0 。9 0 。 1 1 5 51 1 0 01 0 5 51 0 1 60 9 8 30 9 5 70 9 3 50 9 2 0o 9 l o0 9 0 7 9 0 。 0 6 6 7 0 6 5 00 6 3 50 6 2 2 0 6 1 30 6 0 70 6 0 5 1 3 5 。 0 4 7 80 4 7 00 4 6 20 4 5 70 4 5 4 1 3 5 。 0 3 0 90 3 0 6 0 3 0 30 3 0 2 1 5 0 。 表1 1 为单道次应变量随模具内角、外角甲的变化情况表。由表可以看出模具内 角对应变量影响最大，内角一定时，应变量随外角的增大而减小，内外角和值为1 8 0 。时 应变出现最小值。c j l u i s p r e z l 9 1 等模拟研究了外角和摩擦对e c a p 过程的影响，认为外 3 广西大学硕士学位论文等径角挤压细化大尺寸铝棒材晶粒尺寸的模拟与实验 角和摩擦是影响挤压材料等效应变的主要因素。h u a n gw h 【lo 】等研究认为e c a p 过程中 试样材料由于受到模具特殊结构的作用会产生变形织构，从而影响试样材料晶粒的细 化。n a k a s h i m a 【l l 】等利用内角中位于9 0 。1 5 7 5 。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内角的模具挤压几次后达到较大的塑性应 变量，但是试样材料的晶粒尺寸并未得到细化；相反，在值接近9 0 。时，试样的每道 次挤压都经历一个较大的剪切应变，试样晶粒很容易变为大角度的等轴晶粒，因此采用 ：9 0 。模具挤压，试样材料的晶粒细化效果最为明显；1 w a h a s h iy 、f e r r a s s es f l 2 m 1 等的 研究也表明，在= 9 0 。时，内角对应变量和晶粒的细化效果表现最好。l e e 1 4 】等则认为 试样材料的晶粒尺寸的细化与每道次挤压的应变量有关且与随挤压道次增加的应变量 的累积有关，虽然随着模具角度的增加，每次应变量减小，但随着挤压次数的增加，试 样材料的晶粒尺寸不断减小，晶粒角度不断增加。他们在8 3 m m s 的速度下采用= 1 4 0 。 的模具挤压纯铝发现，试样材料具有大角度的等轴晶粒，这与n a k a s h i m a 1 等人的结论 相矛盾，还需迸一步的研究。有限元分析表明 t 5 1 ，当= 9 0 0 ，甲= 0 0 时，容易形成死 区，当甲增大到2 0 。时则可以很好的避免。白朴存【1 6 】等研究认为，模具外角甲在0 。3 0 。 的范围内，等效应变的分布比较均匀；当模具外角甲 3 0 。时，随外角不断增大，等效 应变均匀性不断降低；当模具外角甲= 0 。一9 0 。范围内逐渐增大时，试样材料的变形变 得复杂，由原来简单的纯剪切变形变为剪切变形与弯曲变形相互交织的复杂变形行为。 内外转角半径r 和r 对e c a p 也有很大的影响。居志兰【1 7 1 等研究认为：r 过小，最 大应力集中在转角处，且分布范围广，降低了材料的流动性，模具通道的外转角处出现 未有试样材料填充的空隙；r 值过大，材料流动性好，但累计应变减小，晶粒的细化不 明显。s e u n gc h a ey o o n l l 8 】等模拟认为外角为0 的时候，内接半径过小容易产生死区，内 接转角半径过大会引起高度的不均匀变形和应变的不均匀分布。 此外，模具材料也是关键所在。材料不仅是实现成功挤压的关键，也是影响e c a p 法工业应用后成本高低的关键。研究【1 9 】表明，模具通道相交处承受的应力较大，且试样 与模具间摩擦力影响模具的使用寿命和模具的受力情况。 目前，尽管已有对e c a p 模具的研究，但缺乏对模具的系统研究，且有些研究结果 相互矛盾。如采用传统的办法，周期长成本高，故借助现代化的计算机手段对其进行系 4 1 3 2 挤压路径 由于挤压后试样材料的横截面积不变，故试样可经过多道次挤压，挤压过程中每次 重复挤压试样所旋转的方向及角度称为挤压路径。挤压路径不同，多道次挤压下材料的 受剪切变形方式不同，最终材料的组织和性能将受到很大的影响。根据下一道次挤压时 试样相对于上一道次试样旋转的方向和角度，常常将挤压路径分为以下四种( 图1 2 ) ： 路径a ：试样方位不变动进入下一道次的挤压。 路径b a ：试样交替旋转9 0 0 。 路径b c ：试样进入下一道次向一个方向旋转9 0 0 。 路径c ：试样旋转l8 0 0 。 图1 - 2 e c a p 挤压路径不恿图 f i g 1 2r o t a t i o ns c h e m e so ff o u re c a p r o u t e s 挤压路径的不同使材料内部剪切变形的过程变得不同，材料晶粒细化的效果也不 同。：9 0 。时，研究 2 0 - 2 3 1 认为b c 路径细化晶粒效果最好，其次是c 路径和a 路径： 当= 1 2 0 。时，g h o l i n i a f 2 4 】等认为最优路径为a 其次为b c 路径与c 路径。 材料晶粒的细化效果应综合考虑剪切面、晶体结构和变形织构。工艺路径不同，相 邻挤压道次间剪切面的夹角不同。当内角为9 0 0 时，相邻挤压道次间剪切面的夹角分别 为：9 0 。( a ) 、6 0 。( b a ) 、6 0 ( b c ) 、0 。( a ) ；当内角为1 2 0 。时，则分别为：6 0 。( a ) 、 4 1 4o ( b a ) 、4 1 4o ( b c ) 、0 0 ( a ) 。滑移面间夹角越接近上述诸角度，在其模具 结构及工艺路径下越容易被激活，而材料晶粒细化效果越好。李永霞2 5 】等采用内角为9 0 。 和1 2 0 。的组合模具沿路径a 挤压，相邻两道次的剪切面交角为7 5 。发现利用不同内角 的模具组合在起，可以使高纯铝试样材料在较少的挤压道次下得到超细晶粒结构，细 广西大学硕士学位论文等径角挤压细化大尺寸铝棒材晶粒尺寸的模拟号实验 化效果明显，晶粒尺寸可达0 6 9 m 以下，且试样材料的硬度和屈服强度显著增加。因此 对于面心立方金属材料，当相邻两挤压道次的剪切面相交角度越接近7 0 5 。，则越有利 于晶粒细化。 目前对于e c a p 路径的研究仍存在较多的问题，很多的研究结论相互矛盾，因此仍 需对不同工艺路径下材料晶粒细化变形的机制进行研究。 1 3 3e c a p 挤压道次 e c a p 可以对试样进行多道次的挤压以累积大的塑性应变量，公式( 1 3 ) 是单道次 挤压的应变量，多道次挤压的应变量则可以表示为： 旷若 2 c o t ( 詈+ 詈) + w c o s e c ( 詈剖 c 4 ) n 为挤压道次。由公式( 1 4 ) 可以看出，试样总的应变量和挤压道次有很大关系， 多道次的挤压可以积累大的应变量，从而影响材料的晶粒细化【2 6 。2 引。c h u gjy 等对 9 9 9 a 1 挤压研究表明，首道次即可获得亚晶粒，随道次增加到四道次，晶粒间位向差 和晶粒尺寸不断减小。四道次后，晶粒尺寸基本不再发生变化，但随着挤压道次的不断 增多晶粒问位向差将不断增大，即大角度晶粒不断增多。位错的增殖、湮灭和回复等作 用在挤压过程中相互影响造成这种现象。 1 3 4e c a p 挤压速度 杨智强【3 0 】等在速度为0 1 m m 和1 m m 下对6 0 6 2 铝合金模拟认为，挤压速度不影响 晶粒大小。但降低变形速率，变形过程中回复作用增强，试样材料微观结构会变得更为 均匀【3 l 】。目前的实验一般把e c a p 看做等温过程忽略挤压过程中的变形热，且挤压速度 对在较高温度下挤压的影响研究较少，应加强这两方面的研究工作。 1 3 5e c a p 挤压温度 e c a p 法挤压过程中，温度是一个十分重要的参数，其影响试样材料再结晶。低温 下的e c a p 晶粒不易长大但变形困难；高温下的e c a p 晶粒容易长大但会降低挤压载荷 挤压容易完成。y 抽a s h i t a 阎等在不同挤压温度下对纯铝、a i 3 m g 合金和 6 广西大学硕士学位论文等径角挤压细1 弋大尺, - , - 3 - 铝棒材晶粒尺寸的模拟与实验 a i 3 m g 一0 2 s c 合金进行了e c a p 挤压。结果表明，试样材料的晶粒尺寸随挤压温度 的升高有长大的趋势。再者，在温度5 7 3 k 以下都可以实现试样材料的晶粒细化，但在 4 7 3 k 以上温度纯的a l 和在5 7 3 k 温度以上的a i 3 m g 合金，大角度晶界将向小角度晶 界转变。因此这两种试样材料的e c a p 温度应分别控制在4 7 3 k 和5 7 3 k 以下。但 a i 3 m g 0 2 s c 即使在高温下也具有大角度晶界。s h i n 3 3 】等用含钒和不含钒的低碳钢 在6 2 3 k 到8 7 3 k 范围内实验表明：在温度为6 2 3 k 时，不含钒的低碳钢形成晶粒尺寸大 约为0 3f u n 的大角度晶界晶粒，温度高于6 2 3 k 时，大角度结晶减少，形成小角度晶界 的粗大晶粒。但含钒的铁素体由于钒的作用，在温度达到8 7 3 k 时仍出现亚微米的铁素 体晶粒和高的位错密度。此外，随温度的升高，材料的屈服应力也随之降低。刘英【3 4 】 等对a z 3 l 镁合金在3 0 0 。c 以b 。路径进行e c a p l 2 道次挤压后的晶粒尺寸变为为1 5 _ o n ，而3 5 0 。c 后的试样材料晶粒尺寸大小变为8 1 0 n n ，证实了随挤压温度的升高， a z 3 1 镁合金晶粒尺寸不断变大。这主要是因为e c a p 在高温下进行，试样材料回复作 用增强，位错很快湮灭，晶粒的大角度晶界形成困难，大角度晶界减少。因此，高温下 的e c a p 挤压易形成小角度晶界，且晶粒尺寸比较大，即试样材料的屈服强度随e c a p 温度的升高而降低。h u a n gcx 1 3 5 】等在5 0 0 9 0 0 。c 范围内对3 0 4 l 奥氏体不锈钢进行 e c a p 挤压实验后发现：在7 0 0 。c 以下材料呈片层状和许多的变形孪晶，导致试样材料 高的拉伸强度但低的延展性能。随着温度上升到8 0 0 。c ，动态和静态回复发生，出现了 更多的低位错密度的等轴亚晶，只在单束形态的晶粒里面发现变形孪晶，此时试样材料 有着低强度和高的延展性能。可见，不同试样材料适用不同的e c a p 挤压温度。因此对 挤压温度的选择以及在较高温度下的剪切变形行为都还需要进一步的实验研究。 1 3 6e c a p 摩擦因素 相互接触的两个物体，相互之间运动或有运动趋势时，就会在接触表面上产生阻碍 运动的阻力，当物体在外力作用下，克服阻力运动时，会导致表面物质的磨损与变形。 金属材料发生塑形变形时相互接触的表面间发生一系列力学、物理化学与金属学等变 化，这对金属材料的成形性、成形产品的质量以及工具的寿命都有着重要的影响。e c a p 法与大多数的金属塑性变形一样，模具与试样材料之间存在阻碍金属流动的摩擦阻力。 7 广西大学硕士学位论文习l 径角挤压细化大尺寸铝棒材晶粒尺寸的模拟与实验 内摩擦和外摩擦是金属材料塑性变形加工中常见的两种摩擦现象。被加工材料与设备间 相互接触所产生的摩擦即外摩擦，它阻碍金属表面材料的自由流动，如图1 3 ( a ) 所示。 当金属材料内部一部分与另一部分沿一定滑移面滑动时产生的摩擦即内摩擦，这是由于 金属材料与塑性变形设备之问发生粘着等现象引起的。当f ，大于变形金属材料的剪切屈 工具 。r i ? 图1 - 3 金属材料成形时的外摩擦与内摩擦( a ) 外摩擦( b ) 内摩擦 f i g1 - 3t h eo u t e rf r i c t i o na n di n t e r n a lf r i c t i o no f m e t a lm a t e r i a lf o r m i n g( a ) o u t e rf r i c t i o n( b ) i n t e r n a lf r i c t i o n 服应力f 。时，则滑动不是在工具表面，而是转移到材料的内部，产生粘着摩擦，如图 1 3 ( b ) 。e c a p 法挤压金属试样时试样与模具通道问接触产生摩擦力，当试样通过通道 相交的地方时，p 增大，摩擦力进一步增大，金属的变形抗力增大，从而也使e c a p 法 的挤压载荷增加很大，不仅对挤压造成困难，还使模具的承受的应力增大，使挤压杆和 模具使用寿命大大减短，也使模具通道内壁磨损，从而对实验效果造成影响。再者，如 果模具设计制造不当，试样通过模具通道相交的地方时，由于模具的特殊结构，试样材 料会在通道相交的外转角处产生死区，使材料发生内摩擦，导致试样变形的不均匀，从 而影响试样材料的最终的组织均匀性而影响到材料的性能。摩擦系数很小时，摩擦对变 形影响小，变形主要发生在模具通道的相交处；摩擦系数较大时，试样变形的主要区域 延伸到通道相交的区域后面，并且变形的区域扩大【3 6 。7 】。s e g a l 3 8 1 研究认为，当不考虑 摩擦时，试样材料的各点流动速度相同，试样在通过模具通道相交的平面处发生简单的