等通道弯角挤压（ECAP）变形机理数值模拟与实验研究

摘要

材料的内在微观结构对外在宏观特性具有重要影响，材料晶粒平均尺寸越小其屈服强度和硬度越高，因此寻求可有效细化晶粒的工艺对于开发力学性能优越的材料具有重要的工业应用前景。Segal等上世纪七十年代末期提出的等通道弯角挤压(EqualChannelAngularPressing，ECAP)工艺可以将块状材料晶粒细化至1μm以下，获得超细晶粒材料(包括亚微米和纳米材料)。与其它制备工艺相比，等通道弯角挤压过程具有工艺简单，生产成本低等显著优点，且该工艺能获得无疏松孔洞的材料，有效避免了残留孔隙对材料产生的不良影响。块体超细晶粒材料具有大量与众不同的特性，可做超高强度材料、智能金属材料和超塑性材料等。 ECAP工艺细化机理在于累积足够应变使挤压件达到晶粒细化，因此，获得挤压过程晶粒细化的演化机理具有十分重要的意义。本文通过数值模拟分析与实验研究相结合的方法开展对ECAP工艺的研究。采用商品化塑性成形有限元软件CASFORM/PC和DEFORM-3D对ECAP工艺进行大量数值模拟，通过分析模具几何形状以及工艺参数对挤压过程的影响，获得挤压过程的变形机理与合适的工艺参数。针对单道次挤压变形不均匀的问题，采用节点映射法实现ECAP工艺多道次挤压有限元分析，获得了不同工艺路线最终挤压件变形均匀性规律。在数值模拟分析结果的基础上，设计了ECAP实验模具并规划了挤压工艺方案，获得了纯铝逐道次挤压件，采用彩色光学显微、电子透射和高分辨等分析手段获得了挤压件内部微观组织演化规律以及内部结构变化特征。 本文讨论了经典塑性力学求解ECAP变形问题，给出了ECAP工艺的力学机理，分析了ECAP工艺的变形特点并给出了刚塑性/刚粘塑性有限元求解过程，规划了采用CASFORM/PC与DEFORM-3D有限元模拟系统分析等圆形与等方形通道弯角挤压工艺变形机理的方案。研究表明，模具几何形状和摩擦条件对ECAP挤压过程具有重要影响。对于模具拐角和模具圆心角的取值范围应慎重考虑。在取得较合适的模具几何形状的前提下，应尽量减小摩擦以利于挤压件的挤出。单道次挤压获得的挤压件的变形分布沿挤压件中心横截面竖直方向变形分布不均匀，在多道次挤压过程中必须寻求较好的工艺路线。通过节点映射实现了各工艺路线的多道次挤压，经分析获得了变形较为均匀的挤压工艺路线。 在挤压件变形微观组织与力学性能方面：单道次ECAP工艺是一种不均匀的剪切变形行为，挤压件变形后的片状组织主要呈现低角度的晶界。对于多道次挤压，虽然在不同挤压工艺路线下挤压道次相同，但光学微观组织分布明显表明不同挤压工艺路线对挤压件中晶粒的大小、晶粒分布及均匀程度均具有重要影响。微观组织分析表明退火初始试样是由高角度晶界的大晶粒组成，随着挤压道次的增加晶粒微观组织逐渐得到细化，不同工艺路线获得的晶粒及其分布与晶界取向差别较大。高分辨表明在初始纯铝半个大晶粒边界附近具有位错和孪晶缺陷，不同工艺路线八道次挤压后获得的高分辨研究表明，在试样初始晶粒晶界产生较多的位错缺陷，同时不同工艺路线对应位错密度及晶格缺陷也有较大变化。对各道次挤压件横截面硬度进行测试表明，随挤压一、二道次硬度值上升较快，随后硬度略有上升，但不明显。对各道次挤压件横截面硬度分布进行测试表明，单道次挤压硬度分布不均匀，其中按路线B和路线C挤压后获得的硬度分布均匀程度较好，这与有限元分析结果也基本符合。 研究和探索能够使ECAP工艺最终走向产业化的新方法十分必要，通过多弯角ECAP和连续ECAP过程三维数值模拟获得了各工艺挤压过程的变形规律。90°多拐角ECAP变形过于剧烈，在实验研究中建议采用较大的模具拐角。分析了120°两拐角ECAP工艺对应各工艺路线变形机理，对比分析可知，提高模具拐角可显著降低挤压载荷，因此采用较大的模具拐角有利于挤压件的挤出。连续ECAP工艺是连续挤压与ECAP变形交互影响的剧烈塑性变形过程，在连续挤压过程中必须选择较大的模具拐角和模具圆心角来降低变形的剧烈程度。在连续挤压过程中摩擦是一个十分复杂的因素，对材料变形具有促进和抑制作用，较低的摩擦容易产生挤压闭塞现象，较高的摩擦导致进料轮扭矩显著增加，从整体考虑，连续挤压容易导致较高的摩擦，因此，在连续ECAP过程中应尽量降低摩擦。 通过有限元分析与实验研究相结合的方法，给出了材料在等通道弯角挤压过程中的变形机理，可为优化模具几何形状和工艺参数提供大量有效的结果和规律。获得了多道次ECAP工艺不同挤压工艺路线对应挤压件的累积等效应变分布及变形均匀性规律，可对挤压件晶粒均匀细化提供优化的工艺路线与合适的挤压次数。实验表明挤压过程中晶粒细化的演化规律基本与等效应变累积规律具有一致性。剧烈塑性变形细化晶粒过程可以认为是一个位错的产生、增殖、湮灭及回复的动平衡过程，从微观组织上是控制位错产生和湮灭动平衡的过程，从宏观变形上是寻求优化的工艺参数、合适的挤压次数和较好工艺路线的过程。

目录

文摘

英文文摘

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第一章 绪论

1.1引言

1.2剧烈塑性变形（SPD）方法与块体超细晶材料

1.2.1剧烈塑性变形方法

1.2.2超细晶材料

1.3块体超细晶材料性能、应用及其发展[4]

1.3.1块体超细晶材料的性能

1.3.2块体超细晶材料应用与发展

1.4等通道弯角挤压过程研究现状

1.4.1等通道弯角挤压过程研究进展

1.4.2等通道弯角挤压过程有限无数值模拟研究

1.5等通道弯角挤压过程研究存在的问题及本文的研究方法

1.6本文研究的主要内容

第二章 ECAP国学机理与刚塑性有限元理论

2.1引言

2.2刚塑性/刚塑性力学基本方程[115-120]

2.2.1刚塑性/刚塑性材料基本假设

2.2.2塑性力学基本方程

2.3ECAP经典塑性力学分析

2.3.1滑移线法

2.3.2几何推导法

2.3.3上限法

2.3.4ECAP变形特点

2.4刚塑性有限元法[118-120]

2.4.1刚塑料性/刚粘塑性有限元变分原理

2.4.2刚塑性/风粘塑性有限元求解过程

2.5有限元模拟系统

2.5.1有限元模拟系统的组成

2.5.2有限元模拟系统的发展过程

2.5.3本文采用的有限元模拟系统

2.6ECAP有限元分析方法

2.7本章小结

第三章 方形挤压件等通道弯角挤压过程数值模拟

3.1引言

3.2数值模拟分析平台的建立

3.3有限元数值模拟

3.3.1有限元模型

3.3.2多道次挤压工艺路线

3.3.3节点映射法

3.3.4挤压过程变形行为与分析方法

3.4方形挤压件ECAP工艺受力分析

3.4.1模具几何形状分析

3.4.2磨擦条件分析

3.5方形挤压件ECAP变形均匀性研究

3.5.1模具几何形状分析

3.5.2磨擦条件分析

3.6多道次挤压变形均匀性研究

3.6.1多道次挤压对累积变形均匀的影响

3.6.2不同模具拐角多道次挤压变形均匀性规律

3.7本章小结

第四章方形挤压件ECAP模具设计与实验研究

4.1引言

4.2冷挤压组合模具设计[121-129]

4.2.1预应力组合凹模设计

4.2.2凸模设计

4.3ECAP实验规划

4.3.1实验条件

4.3.2工艺路线规划

4.3.3挤压件准备

4.4工业纯铜实验结果分析

4.4.1ECAP挤压件变形分析

4.4.2ECAP挤压件微观组织分析

4.4.3ECAP挤压件硬度分析

4.5工业纯铜铝实验结果分析

4.5.1挤压变形实验

4.5.2单道次挤压对组织分布影响

4.5.3多道次挤压变形微观组织演化

4.5.4挤压材料内部结构高分辨电镜分析

4.5.5ECAP挤压件硬度分析

4.6本章小结

第五章 圆形挤压件等通道弯角挤压过程数值模拟

5.1引言

5.2数值模拟分析平台

5.3三维有限无数值模拟

5.3.1三维有限元数值模拟

5.3.2多道次挤压工艺路线

5.3.3节点映射法

5.3.4挤压变形分析方法

5.3ECAP工艺受力分析

5.3.1模具几何形状分析

5.3.2磨擦条件分析

5.4圆形挤压件ECAP变形分布研究

5.4.1模具几何开头分析

5.4.2磨擦条件分析

5.5多道次挤压变形均匀性研究

5.5.1多道次挤压对累积变形均匀性的影响

5.5.2不同模具拐角多道次挤压变形均匀性规律

5.6本章小结

第六章 圆形挤压件ECAP模具设计与实验研究

6.1引言

6.2等圆形通道模具及其改进

6.3ECAP工艺规划

6.3.1实验条件

6.3.2工艺路线规划

6.3.3挤压件准备

6.4工业纯铝实验结果分析

6.4.1挤压件变形

6.4.2挤压材料微观组织分布

6.4.3多道次挤压微观组织演化

6.4.4ECAP挤压件硬度分析

6.5结论

第七章等通道弯角挤压工艺开发研究

7.1引言

7.2基于ECAP的新工艺

7.2.1多拐角ECAP工艺

7.2.2连续ECAP工艺

7.3多拐角ECAP有限无分析

7.3.1有限元模型

7.3.2挤压变形分析方法

7.3.3多拐角ECAP工艺受力分析

7.3.4多拐角ECAP工艺变形均匀性研究

7.3.5两拐角ECAP工艺开发研究

7.4连续ECAP工艺有限元分析

7.4.1有限元模型

7.4.2挤压变形分析

7.4.3模具拐角对CECAP挤压过程的影响

7.4.4模具圆心角对连续通道弯角挤压过程的影响

7.4.5磨擦条件分析

7.5本章小结

第八章 结论与展望

8.1结论

8.2展望

参考文献

致谢

攻读博士期间完成的论文

攻读博士学位期间参与完成的科研项目

攻读博士学位期间获得的奖励