轧制驱动等通道转角大应变铝材的仿真模拟、性能及强化机理

摘要

轧制驱动等通道转角挤压(RollingDrivenEqualChannelAngularPressin，简称R-ECA)大应变技术结合了轧制的连续性和传统等通道转角挤压(EqualChannelAngularPressing，简称ECAP)技术能细化晶粒和调控晶体取向的优点，是一种连续加工制备大应变材料的有效方法。本文首先借助DEFORM-3D有限元仿真软件对轧制驱动等通道转角大应变技术进行了研究，之后进行大应变材料的制备实验并进行性能与微观组织检测，所开展的工作和创新成果如下。
　　 (1)研究了通道夹角对R-ECA大应变技术的影响。大应变加工2024铝合金时，随着模具通道夹角的增大，工件产生的有效应变逐渐变小，表面形貌改善，总扭矩与主动轮扭矩逐渐变小，主动轮所占总扭矩之比减小，扭矩分配更加合理，能耗特性减小。与5052铝合金相比，在相同通道夹角下，有效应变有所提高，表面形貌的变化基本一致。工件的主动轮扭矩与能耗特性都较高，由此得出材料特性改变时，材料应力-应变曲线围成的面积越大，大应变装置需要提供更大的扭矩，并相应的增加了能耗。
　　 (2)研究了大应变加工及后续退火热处理对工业纯铝的力学性能与微观组织的影响。大应变加工均提高了工业纯铝的硬度与屈服强度。R-ECA大应变加工结合后续200℃×1h的热处理使材料强度进一步提高。后续350℃×1h热处理使材料获得较好的强度与塑性的匹配。轧制大应变加工及后续热处理未能从根本上降低晶体的取向程度，而R-ECA大应变加工结合后续500℃×1h热处理巨大地降低了晶体取向，使得XRD谱与无晶体取向铝的XRD谱非常接近。
　　 (3)研究了大应变加工及后续退火热处理对5052铝合金的力学性能与微观组织的影响。大应变加工均提高了5052铝合金的硬度与屈服强度，但R-ECA大应变加工的提升幅度更大。轧制结合后续200℃×1h热处理使材料的强度进一步提高并同时提高了塑性。轧制结合后续热处理则不仅没有降低晶体取向反而增加了晶体取向，R-ECA结合后续500℃×1h热处理巨大地降低了晶体取向，使得XRD谱与无晶体取向铝的XRD谱非常接近。说明了R-ECA技术结合后续热处理工艺大幅调控材料晶体取向的可行性。
　　 (4)首次建立了大应变工业纯铝强化机理的数学模型。采用X射线衍射分析(XRD)对材料内部位错密度进行表征，发现大应变工业纯铝内部的位错密度很低，大应变加工不能使工业纯铝内部有效累积位错。采用电子背散射衍射分析技术(EBSD)对材料内部低角度晶界与高角度晶界进行表征。基于σLAGB+σρ=MαG(b2ρ0+3b(1-f)θLAGB/L)1/2公式定量计算出位错与低角度晶界的强化贡献，基于Hall-Petch公式定量计算出高角度晶界的强化贡献。结果表明低角度晶界的强化贡献最大。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 研究块体纳米结构材料的意义

1．2．1 提高材料的力学性能

1．2．2 提高材料的成型性能

1．3 采用强塑性变形制备块体纳米结构材料的方法

1．3．1 HPT法

1．3．2 Multim-ram Forging法

1．4 ECAP法

1．4．1 ECAP原理

1．4．2 ECAP工艺参数

1．4．3 ECAP超细晶形成机制

1．4．4 等通道转角挤压的优缺点

1．5 轧制驱动等通道转角大应变技术

1．5．1 轧制驱动等通道转角大应变技术原理

1．5．2 轧制驱动等通道转角大应变技术特点

1．6 后续退火热处理

1．7 有限元软件DEFORM介绍

1．8 研究目标与内容

第二章 仿真模拟设置与实验研究方法

2．1 仿真模拟设置

2．1．1 模型建立

2．1．2 摩擦条件及边界约束条件

2．2 实验研究方法

2．2．1 试样材料

2．2．2 实验方案

2．2．3 试验所用的轧制驱动等通道大应变装置

2．2．4 预处理

2．2．5 大应变试验

2．2．6 后续热处理

2．2．7 材料性能测试和显微组织分析

第三章 轧制驱动等通道转角大应变加工的仿真模拟

3．1 引言

3．2 模拟结果及分析

3．2．1 大应变加工过程

3．2．2 通道夹角对有效应变的影响

3．2．3 通道夹角对扭矩分配的影响

3．2．4 通道夹角对出口形貌的影响

3．2．5 通道夹角对能耗的影响

3．3 本章小结

第四章 大应变加工及后续热处理对工业纯铝性能的影响

4．1 引言

4．2 实验方法

4．3 轧制工业纯铝

4．3．1 DSC分析

4．3．2 显微硬度

4．3．3 拉伸性能

4．3．4 断口特征

4．3．5 XRD分析

4．4 轧制驱动等通道转角大应变工业纯铝

4．4．1 DSC分析

4．4．2 显微硬度

4．4．3 拉伸性能

4．4．4 断口特征

4．4．5 XRD分析

4．5 本章小结

第五章 大应变加工及后续热处理对5052铝合金性能的影响

5．1 引言

5．2 实验方法

5．3 轧制5052铝合金

5．3．1 DSC分析

5．3．2 显微硬度

5．3．3 拉伸性能

5．3．4 断口特征

5．3．5 XRD分析

5．4 轧制驱动等通道转角大应变5052铝合金

5．4．1 DSC分析

5．4．2 显微硬度

5．4．3 拉伸性能

5．4．4 断口特征

5．4．5 XRD分析

5．5 本章小结

第六章 大应变工业纯铝强度提升机理的研究

6．1 引言

6．2 实验方法

6．3 实验结果

6．3．1 XRD分析

6．3．2 EBSD分析

6．3．3 TEM分析

6．4 强化机理

6．4．1 低角度晶界强化与晶粒内部位错强化

6．4．2 高角度晶界强化

6．4．3 强化组成部分

6．5 本章小结

本文总结

本文研究的创新点

需要进一步研究的工作

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间成果