石鳳健,王衛(wèi)玲,熊成愷,肖漢青,李文進

(1.江蘇科技大學 材料科學與工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)(2.江蘇科技大學 蘇州理工學院,江蘇 張家港 215600)

劇烈塑性變形通過累積大變形使材料內部產生足夠大的應變來細化材料組織,所制備的材料組織致密,無孔洞.目前已提出的劇烈塑性變形技術包括等徑角擠壓、高壓扭轉、累積疊軋、往復擠壓、多向鍛造、攪拌摩擦加工、異步軋制等[1],其中針對等徑角擠壓的研究最為廣泛[2-3].雖然等徑角擠壓能極大地細化材料的組織,提高材料的性能,但常規(guī)等徑角擠壓技術也存在一定的局限：一是工業(yè)化應用受到限制,要想獲得具有大角度晶界的超細晶組織,所施加的等效應變往往要超過4,因此,需要多道次重復擠壓才能滿足獲得超細晶所需的變形量；二是由于擠壓過程往往不連續(xù),重復裝料以及擠出試樣校正等導致加工效率低下;三是試樣的長徑比(或長寬比)不能過大,擠出坯料的長度受到限制,且擠壓凸模易失穩(wěn),這些缺陷都嚴重影響了常規(guī)等徑角擠壓技術的工業(yè)化應用[4-5].

文獻[6]提出了S型通道等徑角擠壓,該裝置具有2個拐角,一道次擠壓可累積更大的變形量.結合常規(guī)正擠壓變形的優(yōu)勢,文中將正擠壓與S型通道等徑角擠壓相結合,形成了新型的復合擠壓工藝,其原理如圖1.坯料先經過正擠壓后進入S型通道進行等徑角擠壓,S型通道可以為一組或兩組或者一組S型結合一組反S型通道的組合形式,實現不同的變形路線.該新工藝具有單道次變形量大、效率高等優(yōu)點,具有一定的開發(fā)應用前景,但鑒于其模具結構的復雜性,文中采用DEFORM-2D軟件[7-8]對該新工藝進行數值模擬,研究擠壓過程中等效應變及載荷的演變過程,并與其它工藝進行對比,為進一步了解該工藝提供基礎.

圖1 正擠結合側擠示意圖Fig.1 Schematic illustration of forward extrusion integrated with lateral extrusion

1 模擬模型及參數

模擬采用剛塑性有限元進行,初始試樣形狀為長方形,正擠壓和側向擠壓模具通道在垂直方向尺寸相同(圖1),由于材料在該方向的變形很小,所以擠壓過程可以簡化為平面應變條件[7].模擬選用材料固溶態(tài)銅鉻鋯合金,其應力應變關系經測試后導入模擬軟件.初始試樣縱截面尺寸為40 mm×24 mm,擠壓比λ為4,模具錐角α為150°,通道夾角Φ為105°,夾角外徑R為2 mm,內徑r為0.5 mm.摩擦模型選擇剪切摩擦條件[9],摩擦系數取0.1.擠壓在勻速條件下進行,速度為1 mm·s-1.擠壓假定在室溫下進行,且不考慮塑性變形熱及摩擦熱.

2 結果與分析

2.1 擠壓變形過程

圖2為試樣在不同擠壓階段時的等效應變情況.可以看出,試樣進行正擠壓時,在模具錐角處由于通道橫截面積收縮產生變形,但在這個區(qū)域的應變較小且試樣的頭部因為直接擠出幾乎沒有變形(圖2a))；試樣經過第1個夾角,發(fā)生剪切變形,其等效應變逐漸增大,但頭部變形還是較小(圖2b));試樣經過第2個夾角,等效應變相比之前明顯增大(圖2c))；擠壓結束時,除試樣頭部變形較小且不均勻外,在大部分區(qū)域等效應變沿試樣長度方向的分布均勻一致,但在橫向等效應變分布不是很均勻.中心區(qū)域等效應變較低,靠近試樣次表面區(qū)域等效應變略高,呈近似對稱分布(圖2d)).

a)通過模具錐角

b)通過第1個夾角

c)通過第2個夾角

d)擠壓結束

圖3為擠壓載荷-行程曲線,曲線可分為3個階段:第1階段(A階段)是正擠壓階段,擠壓開始時擠壓載荷為零,隨著試樣與模具錐角接觸,試樣開始發(fā)生塑性變形,擠壓載荷急劇上升,之后進入穩(wěn)態(tài)擠壓階段,載荷變得穩(wěn)定;第2階段(B階段)是試樣經過S型通道的第1個拐角,載荷在原正擠壓的基礎上進一步快速上升,當材料流過第1個拐角后逐漸地進入到一種穩(wěn)定擠壓階段,載荷逐漸平穩(wěn);第3階

段(C階段)是試樣經過S型通道的第2個拐角,載荷的變化過程與經過第1個拐角相似.

圖3 擠壓載荷-行程曲線Fig.3 Curve of extrusion load-stroke

2.2 擠壓后的等效應變

為了能夠定量地描述試樣在擠壓變形過程中等效應變的演變過程,取圖4中的(1)P1-P2段、(2)P3-P4段和(3)P5-P6段,提取擠壓后的等效應變,由圖2d)可以看出,進入穩(wěn)態(tài)擠壓階段后,在每個擠壓階段,等效應變沿試樣擠出方向的等效應變較為一致,所以,圖4取點線段位置具有代表性.圖5為圖4中P1-P2，P3-P4，P5-P6段的等效應變沿試樣橫向的分布,可以看出,試樣經不同階段擠壓后等效應變總體不斷增大,在3個位置處等效應變的分布相似,中間等效應變較低,靠試樣次表面區(qū)域等效應變較大.值得注意的是經該新工藝一次擠壓后平均等效應變可達約3.6,是常規(guī)等徑角擠壓后的3～4倍.根據文獻研究結果,在該等效應變情況下,材料組織將發(fā)生明顯細化,性能明顯提高.此外,相對于正擠壓部分和經過第1個拐角,經過第2個拐角后試樣橫向的等效應變分布更加均勻,這對于獲得性能均勻的材料來說同樣是非常重要的.說明經過正擠結合S型側向擠壓后,可以在材料內部產生足夠高、且分布較為均勻的變形.

2.3 幾種工藝方法的比較

圖6為幾種不同工藝擠壓后的等效應變分布.圖6a)為正擠結合S型側擠模型:擠壓比為4,通道夾角為120°,模具錐角為120°;圖6b)為正擠模型:擠壓比為4,模具錐角為120°;圖6c)為S型側擠模型,通道夾角為120°.圖7為3種工藝擠壓后橫向的等效應變分布,可以看出,將正擠與側向擠壓相結合有利于獲得更大且分布均勻的變形,對于高效制備大尺寸超細晶材料非常有利.

b) 正擠壓

c) S型側擠

圖7 不同工藝擠壓后橫向的等效應變分布Fig.7 Transverse effective strain distribution after extrusion by different processes

圖8 不同工藝擠壓時的載荷-行程曲線Fig.8 Load-stroke curve during different extrusion technologies

圖8為3種工藝擠壓時的載荷-行程曲線,可以看出,雖然正擠結合S型側擠一道次變形量較大,但同時所需的載荷遠遠高于其它兩種工藝,所以實際應用時,應針對擠壓時的工藝參數進行優(yōu)化,為模具設計及選材提供依據.

3 結論

文中針對正擠結合S型側擠時材料變形過程、變形時的等效應變演變及與正擠壓、S型側擠壓的對比進行了研究,得出了以下結論:

1)與常規(guī)等徑角擠壓工藝相比,材料經正擠結合S型側擠一道次即可獲得足夠大的變形量,擠壓效率明顯提高,為解決常規(guī)等徑角擠壓工藝的工業(yè)化問題提供了途徑;

2)正擠結合S型側擠后等效應變更高且分布更為均勻,為制備性能均勻的超細晶材料提供了可能;

3)由于變形程度高,試樣經正擠結合S型側擠時所需載荷更大,所以應對擠壓工藝參數進行優(yōu)化,為該工藝的工業(yè)化應用提供保障.

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