等通道角挤压（精选4篇）
等通道角挤压 篇1
1 引言
20世纪80年代,前苏联学者Segal等[1]在研究钢的变形织构和微观组织时提出了等通道转角挤压技术(Equal Channel angular pressing,ECAP),该技术以纯剪切的方式实现强烈的塑性变形,在材料内部累积相当大的总应变量[2][3],从而使材料组织细化到亚微米甚至纳米数量级,且得到的是致密、无污染的块体超细晶材料。近年来国内外众多学者针对挤压道次[4]、模具几何形状[5]、挤压速度[6]、变形温度[7]等工艺参数对ECAP变形过程和晶粒细化进行了大量实验研究,并取得了重要成果。
计算机技术发展为复合挤压[8]、反挤压[9]、ECAP等挤压过程金属塑性变形行为的数值模拟计算提供了契机。Seung等[10]对等通道转角挤压中模具内角的作用进行了数值模拟和分析。Cai等[11]对高强铝合金在ECAP变形过程中的应力应变以及晶粒细化效果进行了有限元计算模拟,得出了适合于高强铝合金的ECAP工艺。文献[12]对方形纯铝不同道次的等通道转角挤压过程变形特点进行了数值模拟与分析。无论是实验还是数值模拟技术,研究重点多为方形通道,关于圆形通道下ECAP过程变形特点研究较少。本文基于大型有限元软件对纯铝ECAP圆形等通道转角挤压过程进行三维数值模拟,求解分析了变形特点和应变分布规律。研究对圆形等通道转角挤压理论和实验研究具有重要理论和实际意义。
2 基本原理与模拟条件
2.1 ECAP基本原理
ECAP技术基本原理如图1所示。等通道转角挤压模具具有两个截面相等、以一定角度相交且完全连接的通道,两通道的内转角为准,外转角为ψ,将被加工材料挤出,使材料发生强烈剪切变形,获得大的剪切应变量,从而使晶粒细化(图2所示)。由于每道次挤压后试样的横截面形状及面积均未改变,故可实现反复挤压。反复挤压可使各次变形的应变量累积迭加而达到相当大的总应变量。在理想、无摩擦、试样在模具转角处发生纯剪切变形的条件下,日本学者Iwahashi等人[13]得到ECAP变形N道次后材料内部的累积总应变εN的理论计算公式:
式中:N———变形道次数;
φ———两通道的内转角;
ψ———两通道的外转角。
2.2 网格划分与材料模型
为保证计算精度,采用六面体等参单元进行均匀网格划分,有限元模型如图3所示。所用圆形通道直径d=10mm,内转角φ=90°,外转角ψ=0°,入口和出口通道长均为L=80mm,挤压杆模型简化为平面,直径d=10mm。共划分单元8694个,节点9790个,摩擦因子分别为μ=0和μ=0.1。假设模具和挤压杆为刚体,由于ECAP过程属于非线性大变形,为保证计算精度,采用自动网格重新划分,沿X方向网格最大长度超过1.1mm或者Y和Z方向最大长度超过1mm时,重新划分网格。实验材料纯铝,弹性模量7×104MPa,泊松比0.3,密度2.7×103kg/m3,真实应力应变曲线见图4所示。
3 结果与讨论
3.1 变形分析
网格变形和试样接触分布如图5所示。由网格变形可知在剪切作用下网格形状由正方形变为平行四边形,受到摩擦力影响,出口端金属底部网格被拉长产生一定畸变。变形过程中,试样受到三向压应力作用,X方向中心压应力最小使其头部形成半球形。由接触情况可以看出,摩擦较小时,下表面与试样接触更充分,随着摩擦的增大变形试样与模具接触面积逐渐增大,即与模具之间的“间隙”逐渐减小,接触情况较好。
3.2 载荷分析
圆形ECAP过程的载荷时间曲线如图6所示。由图可见,材料在圆形ECAP变形过程中大致经历三个阶段:初始变形阶段(Ⅰ)、稳定变形阶段(Ⅱ)和终了阶段(Ⅲ)。初始变形阶段属于塑性变形加载过程,试样发生剪切变形,载荷急剧增加;随着变形过程进行,塑性变形进入稳定变形阶段,载荷变化稳定,但由于摩擦作用和材料加工硬化,载荷也继续增加;当变形试样完全通过剪切塑性变形区后,进入卸载阶段,载荷急剧下降,变形过程结束。
由图还可以看出,无摩擦时稳定阶段所需载荷约为15kN。随着摩擦增加,载荷在稳定阶段与模具通道接触面积增大,摩擦力增加,因而需要更大载荷使试样继续塑性变形,这符合塑性变形理论。摩擦因子为0.1时,稳定阶段所需载荷约为25kN～35kN。
3.3 应变分布
图7所示为单道次摩擦系数μ=0和μ=0.1时,变形试样Z轴表面与中间截面的等效应变分布。由图可以看出,μ=0时,表面与中间截面等效应变分布基本相同,但受到模具形状和外端影响,变形不均匀;μ=0.1时,表面受到外摩擦的作用,等效应变比中间截面略小,Z表面变形相比心部更为不均匀;无摩擦时,稳定区域的最大等效应变靠近Y轴上表面,随着摩擦的增大,稳定区域的最大等效应变向模具转角处的Y轴下表面集中。
图8所示为Z轴表面稳定区域截面Z-Z′节点(图7)等效应变变化曲线。由图可以看出,无摩擦时,沿着截面Z-Z′方向节点等效应变逐渐增大;当μ=0.1时,沿着截面Z-Z′方向节点等效应变呈逐渐减小的趋势;随着摩擦的增大,等效应变分布梯度逐渐增大,加剧了试样变形的不均匀性。
图9所示为不同摩擦系数ECAP圆形通道Y轴上下表面和中间截面等效应变分布。可以看出,无摩擦时Y轴上表面与模具不完全接触,存在间隙,等效应变较大,并且变形不均匀,而Y轴下表面和中间截面等效应变分布梯度较小,变形比较均匀;随着摩擦增加,由于剪切变形和摩擦作用,等效应变最大值集中在Y轴下表面的转角处,Y轴上表面和中间截面等效应变分布梯度相对较小。
图10为X轴出口端表面Ⅰ、中间三分之一截面Ⅱ(出口端到剪变区)、三分之二截面Ⅲ和试样尾端截面Ⅳ的等效应变分布。Ⅰ对应载荷变化的初始阶段,与无摩擦时的分布规律一致,不过,随着摩擦增加等效应变值变大;Ⅱ和Ⅲ截面对应载荷变化的稳定阶段,这个稳定阶段的等效应变值较大,但分布梯度较小,是ECAP变形的主要阶段,相比Ⅲ截面,Ⅱ截面剪切变形完全结束,因而变形最均匀;Ⅳ截面对应载荷变化的终了阶段Ⅲ,等效应变分布不均、梯度较大。
4 结论
本文基于有限元理论对φ=90°,ψ=0°,不同摩擦条件下的单道次纯铝圆形ECAP变形进行了三维数值模拟。试样受到三向压应力作用,由于摩擦力和剪切变形影响,出口端金属形成半球形,底部网格产生一定畸变。摩擦较小时,下表面与试样接触更充分,随着摩擦的增大变形试样与模具接触面积逐渐增大,模具之间的“间隙”逐渐减小。变形过程经历初始变形阶段、稳定变形阶段和终了阶段。初始变形阶段,塑性变形加载,载荷急剧增加;稳定变形阶段载荷变化缓慢,由于受到加工硬化和摩擦影响,载荷继续增加;终了阶段,载荷急剧降低,随着摩擦增加,需要塑性变形的载荷值增加。各个截面应变分布规律并不相同,心部应变梯度相比表面较为均匀,中间变形相比头尾变形更为均匀,摩擦加剧了各个方向的变形不均匀性。
等通道角挤压 篇2
关键词：纯钛,等通道挤压 (ECAP) ,细胞毒性,口腔修复与种植
钛及钛合金由于具有优异的生物相容性和良好的机械性能、耐腐蚀性, 在医学中的应用越来越广泛[1,2]。钛种植体及义齿支架的应用, 成功的解决了牙列缺损及缺失患者的口腔修复要求。然而大量的研究发现钛合金中的Al和V对生物体有害[3,4], 因此, 纯钛材料一般是作为种植体的首选。但是纯钛的强度较钛合金低, 纯钛种植体及义齿支架在使用过程中, 易出现折断, 影响种植体及义齿的使用寿命, 提示我们临床中使用的纯钛的强度需要提高[5]。目前, 改变金属的晶粒大小和结构是常用的提高金属强度和性能的方法[6,7]。
等通道挤压 (ECAP) 是Segal等[8,9,10]提出的一种制备纳米材料的加工方法, 通过纯剪应力改变晶粒结构和大小 (图1) , 模具由2个成一定角度的等径通道组成, 可以在不改变试样尺寸的前提下进行多次挤压变形, 增大总应变量。采用此方法可以制备出大块体的超细晶或纳米晶金属材料, 该方法受到越来越多的关注。Tabachnikova等[11,12]在室温下对工业纯钛进行八道次ECAP变形, 晶粒由23μm细化到约0.2μm, 屈服强度从380 MPa提高到640 MPa, 极限强度从460 MPa提高到710 MPa, 热稳定温度也提高到300℃。
本研究在前期通过模具制备出实验所需的超细晶纯钛材料, 并在测定其机械强度的基础上进一步进行生物相容性的测试, 为其在口腔修复以及种植体的临床应用提供试验依据。
1 材料与方法
1.1 ECAP纯钛制备
1.1.1 材料及自制模具
纯钛 (CP2) 主要化学成分 (质量分数) :O:0.15%, N:0.01%, C:0.01%, Fe:0.07%, Ti:99.4%。
1.1.2 实验方法
将实验材料切割成直径10 mm、长度10 cm的圆柱体试样。室温下放入挤压内角Φ=120°的模具 (图2) , 挤压速率为6 mm/s, 以Bc进入方式 (每2次挤压之间试样始终保持旋转正90°) , 4道次挤压对材料进行ECAP操作 (图3~4) 。同时将材料热处理:将制备的超细晶钛200℃/空冷。润滑剂主要成分为Mo S2、石墨。
1.2细胞毒性试验
1.2.1 浸提液的制备
制备ECAP材料规格为直径6 mm、长5 mm的圆柱试件, Si C砂纸抛光至1500目, 再按照丙酮、无水酒精、去离子水的顺序超声震荡清洗2次, 干燥, 钴60消毒。将试样材料置于超净台中, 按照材料质量与浸提介质为0.2 g/ml的比例加入无菌DEME培养液, 置于37℃恒温箱中72 h。
1.2.2 细胞培养
选用优质的第3代L-929小鼠成纤维细胞, 使用0.25%胰蛋白酶制备成细胞悬液, 调整细胞浓度达到20 000个/ml, 接种至96孔板 (n=3) , 以每孔200μl为准在5%CO2、37℃的恒温孵箱培养24 h, 使细胞贴壁。去掉原培养液, 分别将材料浸提液等量加入96孔培养板, 将浓度调整至1%、10%、50%、100%。普通纯钛组也按照上述方法制备。阴性对照组为含有10%胎牛血清的DEME培养液, 阳性对照组为0.64%苯酚培养液, 培养时间点为1、3、5 d。
1.2.3 机械性能测试
扫描电子显微镜下观察测试样品表面形态和晶粒直径, 用维氏硬度测试样品硬度, 万能试验机测试压缩强度。
1.2.4 MTT测试
在1、3、5 d分别取出96孔板, 在每个孔加入20μl MTT溶液, 继续培养5 h, 然后去除孔里的上清液体, 加入150μl二甲基亚砜 (DMSO) , 轻震荡10 min, 酶标仪选取570 nm波长测定吸光值 (A值) 。根据6级毒性评分标准进行毒性分级。
2 结果
2.1 ECAP纯钛制备
经过ECAP和热晶粒处理工艺相结合的方式成功制备出室温下4道次、平均晶粒大小由原始状态40μm减小为0.3μm的超细晶纯钛材料 (图5) , 晶粒成功细化 (图6~7) 。维氏硬度值由原始状态的1 496MPa上升到4道次的2 458 MPa, 提升了64%。静态压缩强度从原始状态的300 MPa上升到4道次772MPa;动态压缩强度从原始状态的900 MPa上升到4道次1 240 MPa, 屈服强度有明显的提高。
2.2 L-929成纤维细胞毒性试验
每个时间点细胞数量呈递增趋势, MTT实验结果数据见 (表1~2) 。按照细胞毒性分级标准, ECAP纯钛试验组材料毒性分级为0~1级, 与未细化处理的纯钛材料相同。
3 讨论
3.1 ECAP技术相关原理
目前提高纯钛机械性能的方法很多, ECAP是大塑性变形技术 (SPD) 中发展比较迅速的方法之一, 特点是通过连续多道次的挤压来积累变形量达到晶粒细化的效果, 使金属材料结构超细晶化, 能极大的提高金属的强度、疲劳极限、超塑性工艺性能和热稳定温度。
3.2 ECAP技术相关影响因素
已知影响ECAP的因素有: (1) 模具几何参数和挤压次数的影响:工艺与模具相关的几何参数中, 挤压内角Φ大小是影响剪切应变的最主要因素, 基本确定了单次变形的应变量。挤压次数则决定了挤压试样的积累应变量。两者确定了材料在变形过程中获得应变的途径和总应变量, 决定了晶粒细化的效果和特点; (2) 挤压路径的影响:目前常采用的挤压路径有4种:A试样不旋转。Ba每2次挤压之间试样依次旋转正反90°。Bc每2次挤压之间试样始终保持旋转正90° (此为最佳路径) 。C每2次挤压之间试样翻转180°; (3) 挤压温度的影响:金属ECAP变形温度越低, 材料变形难度越大;而温度越高, 变形后越容易从高能态金属向变形前低能恢复, 因此合适的温度对结果影响很大。同时不同的变形方法也会影响最佳变形温度; (4) 挤压速度的影响:因为较难变形的钛和钛合金材料对应变速率具有很强的敏感性, 屈服强度随应变速率的增大显著提高, 所以一般选取较低的挤压速度, 降低挤压力, 并能获得均匀的细化晶粒; (5) 摩擦作用的影响:摩擦力的存在使得变形的不均匀性增加, 使试样底部畸变区的变形严重, 远远大于试样中心变形, 应使用润滑液尽量减少摩擦力[11,12]。根据上述的影响因素, 我们选择在室温下, 模具挤压内角为120°, 以Bc路径挤压4个道次, 同时进行热处理。经过预实验证明, 这是目前技术条件下能得到性能稳定的超细晶纯钛的最佳方式, 经过等通道挤压 (ECAP) 处理的纯钛相对普通纯钛晶粒细化之后维氏硬度以及屈服强度有了很大提高。
3.3 ECAP纯钛细胞毒性及实验原理
细胞毒性实验是生物材料生物相容性评价体系中重要的检测指标之一, 也是几乎各种用途的生物材料临床应用前的必选项目。参照ISO7405-2003 (E) 标准, 常规选择细胞生长抑制法 (MTT比色法) 作为细胞毒性评价的检测方法。既灵敏又可靠地反映被测材料对细胞造成的毒性损害程度, 从而可对该材料是否具有细胞毒性作出客观的定量评价[13]。有学者认为晶粒细化作用中纯钛可能会产生表面能量和湿润性, 前者对细胞的附着能力、生存和分化能力很有帮助, 后者能加强细胞中蛋白的活化和催化作用, 但目前还没有准确的定论, 对此我们还需要更深入的研究[14,15]。经过等通道挤压处理后的纯钛是否还具有晶粒未细化纯钛具备的生物相容性, 我们可以利用细胞毒性试验进行测试, 结果显示等通道挤压的超细晶纯钛生物相容性良好。
等通道角挤压 篇3
常规的挤压成型是把大尺寸材料挤压成小尺寸材料,材料的横截面发生很大变化,材料各部分的变形极不均匀,致使材料的组织也很不均匀,一般是外层晶粒较细小,中心晶粒粗大,且需要很大的挤压载荷,这就提高了对模具的制造要求。而等通道转角挤压工艺是不改变材料的横截面,被加工的材料通过等通道转角发生严重的剪切塑性变形,从而使材料的晶粒得到细化。采用此工艺材料可重复挤压,经过多次挤压后,材料的晶粒最后达到超细尺度,使材料的综合力学性能大大提高[3]。与其他晶粒细化法相比,等通道转角挤压法能在较小挤压力下获得超细晶粒材料,可根据材料所要求的性能,从不同方向对材料进行转角挤压而不改变材料的形状[4]。目前已有许多人对其他材料的等通道转角挤压过程进行了一定的分析,然而影响等通道转角变形过程的因素很多,实验对定量研究等通道转角挤压的变形机理还有一定的局限性[5]。本课题采用有限元分析软件ANSYS模拟了7050铝合金在不同的挤压转角、不同的摩擦系数和不同的挤压速度时材料的变形过程,并全面地比较分析了材料的应力、应变和挤压载荷的变化规律。等通道转角挤压工艺示意图如图1所示。
1 有限元模拟参数的设定
在无摩擦条件下,铝合金等通道挤压N道次,其累积等效应变量可用式(1)表示[6]:
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式中:N为挤压道次;ϕ为挤压角;ψ为过渡角。
从式(1)可以看出,等通道转角挤压后,材料的总应变量εN主要取决于挤压道次、挤压角和过渡角。
实验材料7050的室温力学性能[7]:弹性模量E=70.3×109Pa,泊松比μ=0.33,屈服强度σs=455×106Pa,剪切模量G=26.9×109Pa。
挤压温度设为350℃,坯料尺寸10mm×10mm ×60mm,模具转角ϕ分别取90,120°和150°三种情况,挤压速度v为1mm/s和0.2mm/s两种情况,摩擦系数f分别取0.05和0.2,挤压行程为40mm,过渡角ψ取30°。对各种情况下,材料的变形、应变和挤压载荷进行了比较,得出了他们之间的影响规律。
挤压过程中,在材料的前端下侧和转角处产生很大的变形,网格略变严重,所以网格划分较细,最小单元尺寸为0.3mm×0.3mm。模具采用H13钢,由于模具的刚性很大,不考虑模具的变形情况,所以模具材料设为刚体。在模拟中没有考虑应变速率和由于摩擦生热对材料性能的影响。实验方案如表1所示。
2 模拟结果与分析
2.1 挤压转角的影响
摩擦系数f=0.05,挤压速度v=0.2mm/s时,挤压转角对材料变形区的应变和挤压载荷的影响如图2所示。挤压转角是影响剪切变形的最主要因素[8]。由图2可见,随挤压转角的增大,材料的应变值很快减小。最大应变值从挤压角为90°时的1.054变到挤压角为120°时的0.748,再到挤压角为150°时的0.689。较大的应变值主要分布在材料的前端下侧和内转角附近区域。随挤压转角的增大应变的均匀性变好,但单次挤压所产生的有效应变值减小。挤压转角为90°时,材料中间区域的有效应变值在0.550～0.9范围,挤压转角为120°时,材料中间区域的有效应变值在0.4～0.65范围,挤压转角为150°时,材料中间区域的有效应变值在0.35～0.5范围。挤压转角越小,材料变形区的有效应变值就越大,晶粒细化的效果就越好。
挤压转角对挤压载荷也有很大的影响。随挤压转角的减小,极限挤压载荷明显增大,挤压转角从150°减小到90°时,极限挤压载荷就从25kN增加到66kN,增大了164%,这就显著提高了对模具的制造要求。因此应综合考虑各项因素设计较适合的挤压角度。
2.2 摩擦系数的影响
挤压转角ϕ=120°,挤压速度v=0.2mm/s时,摩擦系数对材料应变及挤压载荷的影响如图3(f=0.2)和图2b所示。
摩擦系数对材料的应变有较大影响,由于摩擦的存在,材料边缘与中部的相对流动速度增加,使得材料的变形不均匀性增大。随摩擦系数增大,材料的等效应变值增大。挤压角ϕ=120°,摩擦系数为0.05时,材料的最大应变值为0.748,材料中间区域有效应变值在0.4～0.65范围;摩擦系数为0.2时,材料的最大应变值为0.971,材料中间区域有效应变值在0.41～0.70范围。
由于摩擦的存在,挤压载荷也有较大的增加。因此可通过降低材料与模具间的摩擦,从而减小挤压载荷,使挤压变形时应变分布均匀。
2.3 挤压速度的影响
挤压转角为120°,摩擦系数为0.05时,挤压速度对材料的应变和挤压载荷的影响如图4(v=1mm/s)和图2b所示。结果表明,挤压速度对材料的应变和挤压载荷的影响都很小。材料中间有效应变值均在0.4～0.65范围。在挤压开始阶段,随挤压速度的增加,挤压载荷有一定的增大,挤压速度对极限挤压载荷的影响很小。
模拟等效应变结果如表2所示。
Note:εmax was the maximum equivalent strain and εave was the average equivalent strain.
3 力学性能的实验研究
对经过多次挤压后的材料进行拉伸实验,材料的抗拉强度及延伸率的实验结果如图5所示。
由图5可见,挤压4次后材料的抗拉强度提高了约20%,延伸率保持在8%左右。
材料经过挤压后,晶粒产生破碎而使其尺寸变小。晶粒细化后,晶格的畸变能升高。晶界将对位错运动产生很大的阻力,导致位错不断地塞积。因此,材料在变形初期的几次挤压后,材料的晶粒得到明显的细化,同时发生加工硬化,使得其抗拉强度增加比较明显,而伸长率下降。再次挤压后,材料的强度和延伸率的变化较小。
挤压速度对材料的抗拉强度和延伸率的影响很小。
4 结论
(1)随挤压转角的减小,材料变形区的等效应变值增大,材料的抗拉强度值也越大,挤压载荷很快增加。
(2)随摩擦系数的增加,应变值和挤压载荷都有一定的增加,应变均匀性变差,因此应采取措施减小摩擦的影响。
(3)挤压速度对应变值和挤压载荷的影响很小。
(4)材料的抗拉强度随挤压次数的增加而增加。在约4次挤压后抗拉强度增大的趋势减小。
(5) 单次挤压后,材料的延伸率下降很大,随挤压次数增加,延伸率略有回升。
参考文献
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等通道角挤压 篇4
镁合金ECAP加工工艺的基本原理如图1所示, 工件在凹模弯曲通道的拐角处发生近似理想的纯剪切变形从而实现晶粒细化及改变力学性能。为获得足够大的应变累积量, 在镁合金ECAP工艺过程中, 一般需要进行多道次重复挤压变形, 不同的挤压路径具有不同的剪切应变特征, 因此对挤压件微观组织及力学性能也存在较大影响[7]。虽然有关ECAP工艺的研究已持续多年, 但ECAP工艺累积的应变对镁合金组织性能的影响规律仍缺乏完整的认识, 尤其在多道次变形过程中, 对不同路径ECAP工艺处理的应变累积均匀性仍需要进一步深入的分析[8,9]。以连续塑性变形为理论基础的有限元模拟方法是研究金属变形的一种重要手段, 本研究利用三维有限元模拟软件DE-FORM-3D, 分析不同挤压路径应变累积均匀性的变化特点, 并通过对不同路径ECAP加工AZ31镁合金的室温拉伸实验及断口形貌分析, 探讨不同变形路径对AZ31镁合金力学性能的影响规律。
1 镁合金多道次模拟的相关场量传递
根据试样在相邻道次间绕试样长轴旋转方向和角度的不同, 镁合金ECAP工艺过程中一般可以把变形分为四种变形方式, 具体如图2所示。这4种路径的差别在于试样在重复挤压过程中不同的方位改变。对于路径A, 每道次挤压后试样不旋转直接进入下一道次挤压;对于路径Ba, 每道次挤压后试样按90°交替旋转进入下一道次挤压;对于路径Bc, 每道次挤压后试样按同一方向旋转90°进入下一道次挤压;对于路径C, 每道次挤压后试样旋转180°进入下一道次。不同的挤压路径具有不同的剪切应变特征, 多道次挤压后材料内部具有不同的应变累积, 因此对微观组织及力学性能也存在着较大影响[10]。
ECAP多道次有限元模拟中的关键技术是将前一道次挤压获得的相关场量尽可能准确全面地传递到下一道次挤压过程。Cerri等[11]通过改变模具型腔为S型实现了ECAP的多道次有限元模拟分析, 但模具拐角为90°时, S型工艺难以获得挤压件, 且该工艺变形机理与ECAP的多道次挤压并不完全相同。而Xu等[12]则采用节点映射法实现了ECAP多道次挤压过程中应变场量的准确传递, 在该种方法中忽略了变形道次间的质点位移问题, 这同样也会引起最终结果存在一定偏差。采用空间转换法可以准确实现对ECAP多道次变形的应变分布分析, 空间转换法的原理如图2所示。图2 (a) 所示为在前一次挤压终了时挤压件变形状态, 以该时刻的各物理场量为基础进行下一道次的有限元建模, 然后按照ECAP多道次模拟中各变形路径中挤压件的方位变化, 通过空间几何变换, 调整挤压件与模具的相对位置, 建立下一模拟过程的有限元运算模型, 图2 (b) 所示即为下一次挤压过程初始时挤压件的相对位置及等效应变场量分布状态。由图2可见, 空间转换法不仅继承了前一变形过程中的各应变场量, 而且对挤压过程中变形质点的几何分布也实现了准确继承, 因此利用空间转换法能够更有效地完成对镁合金多道次ECAP挤压过程中变形均匀性的有限元分析。
2 AZ31镁合金ECAP挤压件的应变累积分析
2.1 工件纵截面等效应变累积分布
在多道次挤压过程中, 由于采用的变形路径不同, 试样的空间位置发生变化, 导致每道次变形的剪切面发生变化, 从而会对其内部所获的应变分布状况产生影响。挤压件变形区的最终变形均匀性是影响镁合金等通道转角多道次挤压件微观组织和力学性能的重要因素, 对于不同路径4道次挤压, 本文分别用A4, Ba4, Bc4, C4来分别表示。图3为模具拐角Ф为90°, 模具外角ψ为20°时, 按路线A, Ba, Bc, C逐次挤压4次后对应挤压件纵截面的等效应变等值线分布图。
由图3可以看出, 路线A经过四道次ECAP挤压后获得的最终挤压件等效应变分布继承了第1次挤压时的特点, 在主变形区呈明显的梯度分布, 从最大值5.90逐渐下降到最小值3.93。由路线Ba经过四道次ECAP挤压后挤压件的等效应变分布可以看出, 沿纵截面的应变分布梯度明显减小, 等效应变值由最大5.33逐渐减弱为4.30, 挤压件变形均匀程度得到改善。挤压件沿Bc和C路径经过4道次挤压后, 由其等效应变分布图可以看出, 在挤压件的头部和尾部存在着比较密集的等效应变等值线, 但在中间将近1/2的主变形区并没有等值线分布, 这表明沿路径Bc和路径C经四道次挤压后, 其头部和尾部存在着较大的应变梯度, 而在其主变形区, 经四道次ECAP挤压后, 其等效应变获得了良好的应变累积, 几乎不存在应变梯度, 变形均匀性大为改善。
圆形通道的ECAP挤压变形左右对称, 且由图3可以看出挤压件主变形区的变形梯度分布在长度方向基本一致, 因此通过截取挤压件主要变形部分横截面进行详细分析, 即可获得挤压件挤压过程的横向变形分布规律。可在主变形区选取图4所示沿L1, L2, L3, L4, L5分析变形路径对工件横截面等效应变分布的影响。
2.2 工件横截面等效应变分布分析
图5是不同ECAP变形路径4道次挤压后挤压件主变形区横截面沿L1~L5进行分析所获得的等效应变分布曲线。
由图5 (a) 可见, 等效应变沿L5显著下降, 而沿L1呈明显增长的趋势, 表明当沿路径A经四道次挤压后, 工件的等效应变自上而下逐渐减小, 工件的上半部分为主要变形部分。而当沿路径Ba四道次挤压后, 等效应变沿L3, L4, L5的分布基本重合, 这表明工件的下半部分的等效应变分布趋势基本一致, 都是沿径向由中心向外缘逐渐减小。由图5 (c) , (d) 可见, 沿L1到L5的等效应变分布基本重合, 这表明当沿路径Bc, C经四道次挤压后, 四道次ECAP变形后, 等效应变累积在整个横截面上变化不大, 等效应变分布均匀。但图5 (d) 的曲线分布要比图5 (c) 发散, 这也说明当沿着不同变形路径挤压时, 经四道次挤压后路径Bc可以使挤压件获得最为理想的等效应变分布。
图5不同ECAP变形路径AZ31镁合金挤压件主变形区横截面等效应变分布 (a) A4; (b) Ba4; (c) Bc4; (d) C4Fig.5 Effective strain distribution in the main deformation zone cross-section of the AZ31magnesium alloy samples processed by ECAP by different routes (a) A4; (b) Ba4; (c) Bc4; (d) C4
2.3 等效应变分布均匀性分析
为了更加直观地分析挤压件横截面上的等效应变分布均匀程度, 可以计算代表等效应变不均匀程度的参数C[13]:
式中:分别表示沿A-A截面上等效应变的最大值、最小值和平均值, 等效应变平均值可由下式求得:
四道次挤压后等效应变不均匀程度的参数C计算结果列于表1中。
由表1可知, 当沿路径A挤压时, 主变形区截面上的平均等效应变为5.15, 而当沿路径Ba挤压时, 平均等效应变则降为4.86, 因此对于相同的模具结构, 由于变形路径的不同, 平均等效应变在相同变形道次的应变累积不同, 应变累积效果顺序为A>C>Bc>Ba。但就等效应变不均匀程度C而言, 当沿路径A挤压时C值高达0.384, 虽然获得了高的等效应变, 但变形均匀程度却是最差的。比较沿变形路径挤压时的主变形区横截面不均匀变形系数可以发现, 经过四道次的ECAP挤压变形周期, 四种变形路径都可取得较大的等效应变累积, 平均等效应变值相差不大, 集中在4.8~5.2之间。当沿路径Bc挤压时, 既可获得比较大的平均等效应变, 又可获得良好的等效应变分布。
3 AZ31镁合金ECAP挤压件微观组织及力学性能分析
通过对不同路线的等通道转角挤压过程的有限元分析可知, 变形路线直接影响材料变形的等效应变均匀性分布, 从而影响到挤压后材料的微观组织和力学性能, 为验证不同变形路径对AZ31镁合金组织性能的影响, 选用12mm×70mm的工业AZ31B型镁合金以不同变形路径进行ECAP挤压实验, 试样表面涂抹MoS2润滑剂, 实验前将试样和模具预热, 随后由YL-32型液压机加载将试样从出口通道挤出。通过ECAP挤压前后AZ31镁合金的微观组织观察和室温拉伸力学实验对比, 分析不同变形方式对AZ31镁合金组织性能的影响。
3.1 微观组织分析
从ECAP挤压件的稳定变形区切取试样, 采用Epiphot300型尼康卧式金相显微镜观察ECAP过程中不同变形方式的微观组织变化。图6为退火后AZ31B镁合金原始态和一道次ECAP挤压件稳定变形区横截面中心位置的光学微观金相组织, 为便于描述不同状态试样的晶粒尺寸变化, 计算视场内所有晶粒尺寸的平均值作为考察晶粒细化程度的标准。由图6 (a) 可见, 初始材料的晶粒比较粗大, 视场内所有晶粒尺寸均值为9.87μm, 晶粒晶界明显呈等轴分布。由图6 (b) 可知经过ECAP工艺一道次挤压后晶粒明显细化, 晶粒尺寸均值降为4.65μm, 但试样整体组织分布不均匀, 局部可见较粗大的晶粒, 由于ECAP强烈的剪切作用, 这些晶粒被明显拉长。
(a) 原试样; (b) 一道次加工试样 (a) as-annealed unprocessed sample; (b) single-pass pressed sample by ECAP
图7为不同变形路径挤压四道次后ECAP挤压件稳定变形区轴截面中心位置的金相组织及所对应的平均晶粒尺寸分布直方图。由图7可知, 与原始试样及一道次挤压件相比, 经过ECAP工艺不同路径四道次挤压后晶粒都发生了明显的细化, 变形区内的狭长金属完全消失, 整个视场内的晶粒呈现等轴晶状态。对比不同路径四道次ECAP挤压后的微观组织可以发现, 对于不同的变形路径, 其晶粒细化效果并不相同。当制件分别沿A, Ba, Bc, C路径进行四道次挤压后, 其稳定区横截面上的晶粒平均尺寸分别细化至3.44, 2.64, 2.66, 2.86μm, 这说明当制件沿Ba和Bc路径挤压时取得了较为良好的细化效果, 而A路径和C路径的晶粒细化能力相对较弱, 这是由于当工件沿A路径和C路径挤压时, 相邻道次间的剪切面相互平行, 这在一定程度上弱化了晶粒细化的效果。而Ba和Bc路径相邻道次间的剪切面相互垂直, 这更有利于变形过程中狭长大晶粒的破碎, 因此其晶粒细化效果明显。
图7 AZ31镁合金ECAP不同路径四道次加工后试样横截面光学显微组织 (1) 及晶粒尺寸分布 (2) (a) A4; (b) Ba4; (c) Bc4; (d) C4Fig.7 The optical microstructure and average grain size distribution in the cross-section of the AZ31magnesium alloy samples processed by four passes ECAP pressed with different routes (a) A4; (b) Ba4; (c) Bc4; (d) C4
由不同路径金相组织所对应的晶粒尺寸直方图可以看出, 通过Ba和Bc路径加工的工件绝大部分晶粒都细化的10μm以下, 而对于A和C路径, 四道次加工后仍存在相当数量尺寸在10μm以上的大晶粒。晶粒尺寸的标准方差可以反映试样内部晶粒分布的均匀程度, 通过计算可得沿A, Ba, Bc, C路径处理试样的晶粒尺寸标准方差分别为2.38, 1.85, 1.87, 2.51, 这也表明通过Ba和Bc路径加工的微观组织均匀化程度要优于A路径和C路径。
3.2 室温拉伸力学性能分析
对原始试样, 一道次ECAP挤压件以及不同路径4道次ECAP挤压件车削加工制成直径为8mm、标距长度为20mm的拉伸试样, 然后利用CMT5205型电子万能试验机测试其拉伸力学性能, 拉伸速率为1mm/min, 所得不同状态下AZ31镁合金的室温拉伸应力应变曲线及各试样的抗拉强度和伸长率如图8所示。
(a) 室温拉伸曲线; (b) 抗拉强度及伸长率 (a) tensile curves at room temperature; (b) tensile strength and elongation
由图8可见, ECAP对AZ31镁合金的力学性能有明显的改善:经过1道次ECAP之后, 抗拉强度由196MPa提高到244MPa, 伸长率则由15.4%上升到16.5%。经过四道次ECAP挤压后, 材料的抗拉强度进一步上升, 但是不同变形路径对力学性能的影响不尽相同。Bc路径和C路径挤压后试样的伸长率较高, 分别为20.5%和24.3%, 而Ba和A路径后的试样伸长率较差, 分别为14.4%和13.6%。而对于抗拉强度, 则是A路径较高, 为280MPa, Ba路径最低, 约为250MPa, 四种路径区别不大。由此可见, ECAP路径对试样抗拉强度的影响较小, 但对伸长率和屈服强度的影响比较大。根据ECAP挤压过程的剪切变形特征可知, 经过不同挤压路径的多道次变形累计后, 材料在变形过程中形成的等效应变分布存在较大差异, 这种应变分布差异使变形体内部的微观组织分布不均匀, 并最终导致挤压后材料的力学性能存在差异。W.J.Kim等[14]研究了AZ61镁合金在175℃温度下沿Bc路径和A路径经过不同道次挤压后力学性能的演变, 研究表明经过8个道次的ECAP工艺挤压后, 沿Bc路径挤压的AZ61镁合金的抗拉强度较沿A路径的低, 但伸长率却比沿A路径挤压的高。Yan等[15]在研究转模等通道转角挤压路径对AZ31镁合金组织和力学性能的影响时也得出了类似的结论。
4 结论
(1) 通过对AZ31镁合金等通道转角多道次挤压过程的数值模拟研究, 揭示了挤压路径对AZ31镁合金ECAP挤压过程累积应变的影响规律。在采用不同变形路径ECAP挤压过程中, 工件的平均等效应变累积差别不大。但变形路径的不同直接影响工件的不均匀变形程度。在经过四道次ECAP工艺处理后, 当采用A路径和Ba路径挤压时, 工件主变形区内存在较为明显的梯度分布, 而采用Bc路径和C路径挤压时, 可以获得良好的等效应变分布, 从工件主变形区横截面上不均匀变形系数来看, 采用Bc路径挤压所获得的应变累积最为均匀。
(2) 微观组织观察表明AZ31镁合金经过ECAP加工后晶粒明显细化, 经过四道次挤压后, 其晶粒由原始的9.87μm细化至3μm左右。对比不同路径的ECAP挤压件微观组织可以发现, 当采用Ba或Bc路径挤压时, 其晶粒的细化效果要优于A和C路径。标准方差分析显示采用Ba或Bc路径挤压时可以获得较好的晶粒均匀化分布。