2A12铝块体超细晶材料的制备、模拟及细化机制的研究

【摘要】：等径角挤压法(equal channel angular pressing简称ECAP法)制备块体纳米材料是在20世纪80年代Segal教授和他的同事们工作基础上发展起来的。经过多次等径角挤压变形后,材料的组织可以满足:(1)具有均匀的超细晶结构;(2)获得的超细晶粒具有大角度晶界;(3)试样没有机械破坏及裂纹。而且等径角挤压法与其它块体纳米材料的制备方法(例如气相法、球磨法等)相比,具有许多独特优点,譬如:它可以克服其它方法制备的试样中有孔洞、致密性差等问题以及球磨所导致的不纯、大尺寸坯体难以生产以及给定材料的实际应用较困难等,并且等径角挤压材料的许多性能也是独特的,这对于实际应用和基础研究都是十分重要的。因此,等径角挤压技术作为通过剧烈塑性变形获得大尺寸亚微米、纳米级块体材料的有效方法之一,日益受到材料科学界的重视,是一种非常有发展前途的超细晶材料制备工艺。但是到目前为止,人们对等径角挤压法制备块体超细晶材料,尚有许多问题不清楚。首先,等径角挤压过程中超细晶结构形成的机理及晶界的变化仍然不很清楚,各研究队伍得出的结论往往互相矛盾,而且对等径角挤压超细晶粒形成机制的争论颇多,许多试验现象得不到合理的解释。其次,挤压次数、加工路径、挤压速度、挤压温度以及变形热对材料性能、加工过程和晶粒细化的影响极大,工件与模具接触面间的摩擦状态,材料物性等诸多因素又使得等径角挤压变形过程的控制十分困难,采用传统方法全面系统地研究这些问题,需要耗费大量的人力、物力,目前虽然已经进行了一些试验,但仍存在许多问题,需要进行深入的研究。 本文针对以上问题,选用Al-3%Mg、2A12铝合金进行有限元分析和等径角挤压试验,主要研究内容和结果如下: 首先,采用Deform-3D有限元分析程序,模拟等径角挤压过程,分析材料的变形行为,讨论应力、应变、应变速率的变化和分布情况,研究不同工艺参数的影响。结果表明:在等径角挤压过程中,材料的变形主要集中在模具两个通道的拐角处,变形梯度较大,而且根据载荷随着试样位移的变化,等径角挤压的过程大致可分为五个阶段:快速增加、缓慢增加、快速增加、载荷值趋于稳定和载荷下降阶段;挤压模具的内角为90°或接