制备超细晶材料的转角往复挤压模具

基于有限元分析的深度塑性变形技术研究进展刘帅;彭必友;孙鹏飞;周超;羊凡【摘要】It is very important to research severe plastic deformation (SPD) techniques, which can make material produce ultra-fine-grain organizations and improve the properties of the material significantly. In recent years, SPD became a hot spot in research. In this paper, principles, characters, applications and development of SPD techniques were introduced and the simulation and parameter optimization process of SPD by using the finite element method were summarized. The existing problems and development prospects of SPD were also presented.%介绍了几种深度塑性变形工艺的工作原理、特点及发展状况,综述了有限元分析技术对深度塑性变形过程的模拟和对其工艺参数的优化,概述当前有限元法在模拟深度塑性变形过程中的应用和重大作用,并指出其存在问题和发展前景.【期刊名称】《西华大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(031)002【总页数】7页(P106-112)【关键词】深度塑性变形;有限元分析;等径角挤压;高压扭转【作者】刘帅;彭必友;孙鹏飞;周超;羊凡【作者单位】西华大学材料科学与工程学院四川成都610039;西华大学材料科学与工程学院四川成都610039;西华大学材料科学与工程学院四川成都610039;西华大学材料科学与工程学院四川成都610039;西华大学材料科学与工程学院四川成都610039【正文语种】中文【中图分类】TG146.1;TG376材料是人类赖以生存和发展的物质基础，随着各行业的飞速发展，对材料性能的要求越来越高。

等径角挤压(ECAP)工艺的研究进展摘要:文章论述了等径角挤压这种大塑性变形工艺的研究进展,主要包括等径角挤压的工艺原理、剪切变形特征、不同工艺参数对显微组织和材料性能的影响,并对ECAP方法涉及的材料作了简要介绍。

关键词:等径角挤压(ECAP);晶粒细化;剪切变形等径角挤压(ECAP)是一种利用大塑性变形得到超细晶粒组织的方法,自从上世纪80年代前苏联科学家Segal提出用ECAP法制备细晶材料以来,已引起了材料科学家的广泛重视。

文章就近年来金属材料的等径角挤压研究现状,主要评述等径角挤压的技术原理、工艺路线对晶粒细化的影响及ECAP材料的显微组织特性和力学性能等问题。

1等径角挤压的工艺原理图1是等径角挤压原理图。

由图可见,等径角挤压的模具是由两个相交的、截面相等的通道组成,两通道以一定角度相交,其内角为ф,外接弧角为?鬃。

在试样与模具中的通道紧密配合并且与模壁润滑良好的情况下,受一向下的压力作用。

当试样经过通道交叉处时,产生了近似于纯剪切的变形。

经过多次挤压可以累积迭加从而得到非常大的总应变量,相当于正应变作用下完成100:1甚至1000:1压下率的总应变量。

每次挤压过程中,在试样与模壁完全润滑的条件下,剪切应变的增加值是模具的特征参数,仅与角ф和?鬃角有关,它们的关系可表达为:?着■=■2cot(■+■) (1)式中:εN为每次挤压剪切变形量的增加值,ф为两通道相交的内角,?鬃为两通道相交的外角。

由于可以重复挤压,根据相邻挤压道次间试样相对于模具的轴向旋转方向和角度的区别,将等径角挤压的工艺路线主要分为以下四种:路径A(试样不旋转)、路径BA(相邻道次间方向交替改变,旋转90°)、路径BC(相邻道次间方向不变,旋转90°)、C路径(相邻道次间试样旋转180°),如图2所示。

在等径角挤压过程中材料晶粒的细化一般分为三个过程:首先,粗大的晶粒沿剪切方向被拉长成为带状组织,大的晶粒受剪切变形而碎化,变成一些具有小角度晶粒的亚晶;其次,由于剪切变形进一步进行,小角度晶界开始演变为大角度晶界,晶粒也进一步细化;最后,出现大量大角度晶界,随着变形的加剧,晶粒被细化到亚微米甚至纳米级,晶粒间位向差加大。

等通道弯角挤压等通道弯角挤压（ECAP）技术是目前正在研究开发的一种剧烈塑性变形工艺，它是将试样压入一个特别设计的模具中来实现大变形量的剪切变形。

等径角挤压模具内有两个截面尺寸相等、形状相同并以一定角度交接的通道。

在等径角挤压过程中，试样与模具中的通道尺寸紧密配合并与模壁润滑良好，在冲头压力的作用下向下挤压，当经过两通道的交截处时，试样产生近似理想的剪切变形。

由于不改变材料的横截面形状和面积，故反复挤压可使各次变形的应变量累积迭加而达到很大的总应变量，导致材料晶粒的充分细化。

等径角挤压技术不同于传统的大塑性变形技术，它以纯剪切方式实现块体材料的大塑性变形，在不改变材料横截面面积和形状的条件下，只经过数次变形所产生的剪切应变量就相当于正应力作用下所完成的100比1甚至1000比l 压下率的累积应变量，这是常规轧制、挤压等加工方法所不能达到的。

另外，试样在重复挤压时，可以通过不同的挤压路径实现剪切平面和剪切方向的改变，从而得到不同的微观结构。

由于该工艺能够制备具有微纳米结构的块状超细晶材料，因此被认为是具有工业化前景的剧烈塑性变形方法之一，成功的ECAP工艺必须满足以下要求：在材料内部获得大角度晶界超细晶粒结构，并且在整个试样中形成均匀的亚微晶、纳米结构；经过很大的塑性变形后试样不产生机械损坏或裂纹。

虽然ECAP工艺能使挤压件反复挤出从而累积足够应变达到晶粒细化的优点，但ECAP工艺需要多次挤出，而经过多道次挤压后挤压件与模具的表面粗糙度增大，将会产生高摩擦，且挤出件端面不平整，横截面也因弹性而有所变化；同时，对于需要热挤压的材料，道次挤压之间还需要重新加热。

上述工艺的复杂性制约了ECAP的工业化。

因此目前正在积极开展基于传统ECAP原理的新工艺的研发工作。

为了实现ECAP工艺的产业化，目前ECAP工艺的研究热点包括：（1）多弯角ECAP工艺。

比如，采用双拐角模具可以一次挤出获得变形量较高的挤压件，同时在完成一个挤压循环后获得相对均匀的应变分布。

精 密 成 形 工 程第13卷 第6期 98 JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING2021年11月收稿日期：2021-03-17基金项目：国家自然科学基金面上项目（52071042，51771038）；重庆英才计划（CQYC202003047）；重庆市自然科学基金（cstc2018jcyjAX0249，cstc2018jcyjAX0653） 作者简介：章欧（1997—），男，硕士生，主要研究方向为镁合金组织与性能的优化调控。

通讯作者：胡红军（1976—），男，博士，教授，主要研究方向为轻合金材料科学与工程。

镁合金复合细晶强化研究进展章欧1，胡红军1，胡刚1，张丁非2，戴庆伟3，欧忠文4（1. 重庆理工大学材料科学与工程学院，重庆 400050；2. 重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400044；3. 重庆科技学院 冶金与材料学院，重庆 401331；4. 陆军勤务学院 化学与材料学院，重庆 401311） 摘要：细化镁合金的晶粒可极大改善其综合力学性能，单一的细化方法包括在熔体中施加外力场作用、高压和激冷作用以及大塑性变形，单一细化方法下的材料性能难以满足实际需求，且生产效率低、成本高、质量难以保证。

2种及以上细化晶粒方法的结合可以实现镁合金性能的极大提升，通过评述镁合金复合加工方法，包括挤压铸造-固态挤压成形、挤压铸造-正挤压成形、FE-CCAE 复合变形工艺、电磁脉冲结合轧制工艺、超声振动-挤压加工等，详细阐述镁合金复合细晶强化工艺的研究进展，为进一步研究和开发更加高效绿色的镁合金晶粒细化复合成形技术提供参考。

关键词：镁合金；复合加工；外加场DOI ：10.3969/j.issn.1674-6457.2021.06.013中图分类号：TG146.2+2 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2021)06-0098-08Research Progress on Composite Refinement Strengthening of Magnesium AlloyZHANG Ou 1, HU Hong-jun 1, HU Gang 1, ZHANG Ding-fei 2, DAI Qing-wei 3, OU Zhong-wen 4(1. School of Materials Science and Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400050, China;2. School of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China;3. School of Metallurgy and Materials, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China;4. School of Chemistry and Materials, Army Service College, Chongqing 401311, China) ABSTRACT: The grain refinement of magnesium alloy can greatly improve the comprehensive mechanical properties. Single refinement method includes applying external force field, high pressure and chilling action, and large plastic deformation in melt. The properties of materials processed by single refinement method are difficult to meet the actual production needs, and the production efficiency is low, the cost is high, and the quality is difficult to guarantee. The combination of two or more grain re-finement methods can achieve greater improvement in the properties of magnesium alloys. Through the review on composite processing methods of magnesium alloy, including squeeze casting-solid extrusion forming, squeeze casting-positive extrusion, FE-CCAE composite deformation process, electromagnetic pulse combined rolling process, ultrasonic vibration-extrusion proc-essing, et al, the research progress on composite refinement strengthening process of magnesium alloy is expounded in detail, which provides a reference for further research and development of more efficient and green composite forming technology of refining magnesium alloy grains.KEY WORDS: magnesium alloy; composite processing; external field. All Rights Reserved.第13卷第6期章欧等：镁合金复合细晶强化研究进展99镁合金作为最轻的结构材料，具有比强度和比刚度高等特点，被誉为“21世纪绿色工程金属”。