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等通道弯角挤压(ECAP)变形机理数值模拟与实验研究

徐淑波  
【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(Equal Channel Angular Pressing,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


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