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等径角挤压变形的原理及国内外研究现状
摘要
本文主要对大塑性变形(SPD)进行介绍,并详细对等径角挤压(ECAP)能制备具有优异的物理和力学性能的超细晶金属材料(晶粒尺寸0.1~1μm),进行分析和介绍,并指出该工艺非常具有工业化应用前景。
等径角挤压工艺一种新的大塑性变形方法,本方法可起到细化合金组织,改善性能,提高材料的成形性,本文论述了的ECAP的基本原理,剪切模式与变形规律,并分析了摩擦因素对变形的影响,并分析了国内外研究现状及进展。
关键词:
大塑性变形,等通道挤压,超细晶材料
引言
随着社会的不断发展和科学技术的更加进步,材料科学的发展和新材料的应用将面临着新的挑战和机遇。
特别是在其他基础科学,如环境、能源、信息和生物等推动下,人们对材料使用性能的要求越来越高。
一方面是加快对新材料的研发,另一方面是对现有材料的潜在功能将得到更全面、更充分的发挥和利用[1]。
从节能、环保和成本出发,根据材料固有的结构特征,改变工艺手段控制材料的微观组织结构来充分挖掘和利用现有材料的性能潜力,是现代材料科学的一个不断深入研究的重要课题。
超细晶材料(ultra-finegrain,简称UFG)包括亚微米晶材料和纳米晶材料,由于晶粒极细、缺陷密度高且晶界所占体积比例远高于一般材料的比例,具备其他传统材料所不具备的一系列优异的力学、物理和化学性能等,在航空、化工、电子、生物和医药等诸多方面得到广泛应用,引起世界各国科学界和产业界的广泛关注。
材料的制备工艺和过程对材料的微观结构和宏观性能具有重要影响,为了获得大尺寸、无微孔隙、无污染且晶粒尺寸细小均匀的块体UFG材料,因此,UFG材料的制备技术成为一个很重要的课题。
现有的制备方法包括:
(1)惰性气体冷凝法[2],
(2)电解沉积法[3],(3)机械球磨法[4],(4)非晶晶化法[5],(5)表面纳米化法[6],(6)大塑性变形法[7]等。
与其他制备方法相比,大塑性变形法制备可出具有结构均匀、无孔隙、无污染且包含大角度晶界的块体超细晶材料,并有良好的工业应用前景,受到越来越多地研究和关注。
大塑性变形技术(Severeplasticdeformation,简称SPD)使材料在外力作用下通过特制模具,产生剧烈的晶粒细化效果,可将材料的内部组织细化到亚微米乃至纳米级,达到细化晶粒、改善材料性能的目的。
被认为是制备块体UFG材料的最有前途的方法之一[8]。
SPD方法的研究发展大致经历了以下几个阶段[9]:
(1)20世纪80年代初期阶段,提出和开始初步对SPD进行研究;
(2)20世纪90年代为平稳发展阶段,SPD方法逐渐受到国际材料学界的重视并形成热点;(3)1999年以来进入快速发展阶段。
SPD方法已经成为结构材料科学前沿重要的研究热点之一,论文发表和专利申请数量剧增。
目前,SPD方法主要包括:
等径角挤压(Equalchannelanglepressing,ECAP)、高压扭转(HighPressureTorsion,HPT)、累积叠轧焊(accumulativerollbonding,ARB)、往复挤压技术(CyclicExtrusionCompression,CEC)、多重锻造(MultipleForging,MF)、反复折皱-压直法(RepetitiveCorrugationandStraightening,RCS)等。
1.ECAP工艺国内外研究现状
在众多的SPD方法中,ECAP具有工艺简单、成本低廉、变形均匀、材料组织致密度高,无污染等特点,在基础研究,实际应用中得到进一步发展和完善,被认为最有前途的一种SPD工艺。
在国际上,从事ECAP研究的主要有美国德克萨斯A&M大学SegalV[10小组、俄罗斯UFA航空学院Valiev[9]小组、南加利福尼亚大学LangdonTG[11]小组、美国Almos国家重点实验室ZhuYT[12]和SemiatinSL[13]小组、日本九州大学HoritaZ[14]小组和日本大阪府立大学东健司小组[15]等。
国内有山东大学、中南大学、东北大学、西安建筑科技大学、昆明理工大学和兰州理工大学等[16]三十几所高校和研究单位进行相关报道。
近20年来,ECAP工艺参数、ECAP材料的组织与性能和应用等方面做了大量的研究。
2.ECAP工作原理
图1ECAP变形示意图(a)ECAP纯剪切示意图(b)
Fig.1SchemeoftheECAPfacility(a);PrincipleofshearingonpassagethroughtheECAPdie
如图1所示,ECAP模具是由两个具有相同形状且横截面积相等的通道按照一定的角度相互交截组成的,两通道相交的内角为Φ,外角的外模角为Ψ。
挤压时,将与模具通道形状一致且润滑良好的试样放入垂直通道中,在压头的压力P的作用下试样从一个通道被挤压到另一个通道。
如图1(b)所示,当经过两通道的相交处(弯曲部位)时,试样在主要变形区产生近似理想的纯剪切变形。
ECAP具有如下主要优点:
(1)除去试样两端头部外,整个试样的结构和性能可视为均匀变形;
(2)在试样横截面形状和尺寸大小不改变的情况下,故可以反复挤压变形使各道次变形的应变量累积迭加而得到相当大的总应变量获得大变形,将较大的晶粒破碎细化成亚微米甚至纳米级的超细晶晶粒;(3)调整剪切方向和剪切面可以获得不同的微观组织结构,即获得不同变形织构,故可以根据材料性能来设计工艺参数,获得理想的材料。
3.ECAP工艺进展
(1)模具角度
ECAP每道次应变量的大小不但可以衡量变形过程中的强烈程度而且还可以了解材料细化程度。
ECAP应变量直接与模具角度有关,ECAP模具中控制角度变化的主要参数是内角Φ和外模角Ψ,内角Φ一般为90°度至150°,外模角Ψ一般在0度至π-Φ之间。
在不考虑摩擦条件下,Ψ=0时,SagelVM计算出了ECAP总等效应变量[17]:
(1-1)
后来,Iwahashi等人经过研究分析了外模角Ψ不为零时,ECAP总剪切应变量
和总等效应变量
:
(1-2)
(1-3)
式中:
N为变形次数。
从公式(1.3)可知,当內模角为90°时,外模角从0°增加到90°,材料的等效应变量从1.15降至0.907。
Goforth等提出了如下的计算公式:
(1-4)
当Ψ=0°时,方程(1-4)与(1-1)和(1-3)是等价的。
当外模角最大为π-Φ时,方程(1-4)与(1-3)是等价的。
根据方程(1-2)和(1-3)可知,等效应变
随外模角的变化如图1.9所示。
在外模角一定时,
随内角的增大而快速减小,当内角一定时,
随外模角的增大而缓慢减小,由此可见,内角对
的影响高于外模角的影响。
图2ECAP变形一道后的等效应变与外模角Ψ的关系
Fig.2Variationofstrain
withthearcangleΨatN=1passofECAP
NakashimaK等人采用实验的方法在室温利用内角从90°至157.5°的模具对纯铝进行ECAP实验研究,结果表明:
仅采用Φ=90°的模具时,才能获得含大角度晶界的等轴晶结构。
YoonSC等人采用有限元的方法对内角从0°至90°对试样不同变形区域的变形均匀程度和等效应变分布进行了研究,当Φ大于9°时,产生一个尖锐的内角[18]。
这些研究说明ECAP模具角度不仅影响ECAP的等效应变量,还影响组织分布情况。
(2)挤压路径
ECAP变形后的试样横截面积未发生变化,因此可以将试样重新放入模具中继续加工ECAP变形。
后续变形时试样不同的放置会影响到试样的剪切面和剪切方向,从而影响材料的微观组织结构。
根据试样在每道次旋转方向和角度的不同,可以把ECAP挤压路径分为四种[20],如图3所示:
路径A:
每道次挤压后,试样不旋转,直接进行下一道次;
路径BA:
每道次后试样以其纵向为轴按顺时针和逆时针交替旋转90°进行挤压;
路径BC:
每道次之后试样以其纵向为轴按同一个方向旋转90°,进行下一道次;
路径C:
每道次之后试样以其纵向为轴旋转180°,进行下一道次。
图3ECAP变形的四种不同挤压路径
Fig.3FourdifferentpressingroutesofECAPdeformation
立方形状试样分别经过8道次A,BA,BC和C路径ECAP变形后,分别在X,Y和Z面的变形特征如图4所示,其中X,Y和Z分别代表横截面,金属流动面和纵截面。
试样经过1道次变形后,Y面发生了剪切变形,2道次后,BA路径在三个方面都发生了变形,C路径经过2n道次可以恢复原状,BC路径在挤压4n次后单元立方体可以恢复原状,同时,A和C路径在Z面未发生变形。
StolyarovVV等人在400℃-450℃采用Φ=90°模具对纯钛BA、BC和C路径ECAP变形,结果表明晶粒细化能为BC>C>BA,最大抗拉强度大小为C>BA﹥BC≥A。
CabibboM等人采用AA1200为原料以不同路径进行变形,研究表明在变形过程中的晶粒演变中大角度晶界的形成能力为BC>C>A[21]。
GholiniaA等人研究了挤压4道次时各工艺路线对铝合金的晶粒细化效果大小为A≥Bc≥BA≥C。
由此可见,挤压方式对晶粒细化效果和性能的影响,目前研究尚无统一结论,还缺少有力证据,因此,有必要对ECAP变形过程中挤压路径问题进行深入研究。
(3)挤压温度
从热力学的角度来说,如果金属塑性变形的温度越高,原子中的内能越高,原子热运动越剧烈,变形后不稳定的高自由能状态的金属向低能状态回复再结晶的趋势越大,温度越高,材料的塑性越好,变形越容易,所以挤压温度对变形过程中晶粒细化的程度必然产生影响。
图4立方形状试样4道次A,BA,BC和C路径分别在X,Y和Z面的变形特征
Fig.4.ThedistortionsintroducedintocubicelementswhenviewedontheX,YandZplanesforprocessingroutesA,BA,BCandCwhenpressingthrough1-8passes
图5晶粒尺寸与ECAP变形温度的关系图
Fig.5GrainsizeafterECApressingversuspressingtemperature
YamashitaA等人对三种不同材料(纯铝、Al-3%Mg合金和Al-3%Mg-0.2%Sc合金)从室温到573K范围内使用BC路线进行挤压,研究发现:
随挤压温度的升高,粒尺寸增大,如图5所示。
通过选区电子衍射发现随变形温度升高晶粒中的小角度晶界的比例增高。
材料的屈服强度随温度的增加而减小。
主要原因是在变形温度较高时材料易发生回复再结晶,使得位错湮灭速度加快,不利于大角度晶界的形成。
ShinDH等人在4种不同温度下对低碳钢进行挤压,ReginaCK等人在一定温度内对Al-10%Si合金进行挤压变形都得出类似的结果[15]。
温度升高有利于变形,但温度太高将不利于大角度晶界的形成,使SPD细晶化程度降低。
因此,研究挤压温度才能保证细晶化目的地实现。
(4)挤压速率
BerbonPB等人在挤压速率10-2~10mm·S-1范围内,研究挤压速率对纯Al和A1-1%Mg合金组织结构的影响,研究表明[16]:
变形速率对晶粒尺寸的大小没有显著影响。
在较低挤压速率时,试样变形过程中的回复时间较长,更多的位错可以被晶界吸收形成更多的等轴晶组织。
不同道次变形后Al-1%Mg在室温拉伸速率为1.0×10-1·S-1拉伸变形得到的屈服强度与挤压速率的关系图,如图6所示。
显然,屈服强度的增加与挤压道次有关,与挤压速率的关系不大。
KamachiM等人在挤压速率为0.2~18mm·S-1的范围内,用Cu作挤压材料得出相同的结果[17]。
故挤压速率对晶粒细化影响不大,但对微观组织的均匀性却有所影响。
图6不同道次变形后Al-1%Mg的屈服强度与ECAP挤压速率的关系图
Fig.6VariationoftheyieldstresswithpressingspeedfortheAl-1%Mgalloyafterdifferentnumbersofpassesthroughthedie
(5)挤压道次
根据总等效应变量公式(1-3)可知,随着挤压次数的增加,总等效应变量就会越大。
ChangJY等人对道次对纯Al试样在同一条件下挤压不同道次的结果如图6所示[18]。
经过四次挤压之后,晶粒平均尺寸小于0.8μm,纵横比大约为2.8。
随着挤压次数的增加晶粒尺寸和纵横比基本上保持不变,但随挤压次数增加大角度晶界逐渐增大,即晶粒间的位向差会增大。
故不是随挤压道次数目的增加,晶粒尺寸越小。
(6)摩擦系数
摩擦是金属加工变形不可避免的。
摩擦影响塑性变形区的分布,还影响变形过程中组织均匀性有较大影响,ParkJY等人采用有限元的方法在不同摩擦系数条件下模拟了试样变形过程[19],如图8所示。
摩擦使挤压力变大,挤压过程变得不易,当μ=0时,试样内部变形区域不均匀,因此,不可能通过减小摩擦系数来彻底消除变形的不均匀性。
当摩擦系数较小时,变形区主要集中在转角中心部位,当摩擦系数较大时,变形区从转角中心延伸到转角中心之后,同时,变形区域变大。
摩擦系数减缓了材料与模具接触部分的流动速率,使试样中心部位的变形比两侧与模具接触部位的变形要大,导致试样流动速率和塑性变形部位不均匀,摩擦系数的大小还会对模具的寿命产生影响。
图7纯铝经过循环ECAP变形后的晶粒尺寸和纵横比示意图
Fig.7ThevariationingrainsizeandaspectratioofpureAlsubjectedtocyclicECAP
图8不同摩擦系数μ对试样变形网格的影响
Fig.8.VariationofdeformedmeshofspecimenduringECAP(˚=120◦)atdifferentfrictioncoefficientsμ
(7)背压
ECAP变形后期,在ECAP模具出口通道施加背压的技术,其原理如图9(a),利用背压的作用阻碍裂纹的形成与长大,使变形更加均匀,因此难加工材料即使在低的温度下,也可以进行大的塑性变形而且试样表面不出现裂纹,从而有效地细化晶粒。
因此,在ECAP变形过程中采用背压技术主要有两个优点,其一,可以提高加工试样的可加工性,StolyarovV等人在对Al-5wt%Fe合金进行背压ECAP研究表明[20]:
无背压时2道次ECAP后试样就完全断裂,而施加大275MPa的背压后进行16道次ECAP变形试样也没有裂纹出现。
MoguchevaA等人以5024铝合金为原料,分别采用背压ECAP和ECAP12道次变形,如图9(b)所示。
其二,显著改善金属在ECAP变形过程流动的均匀性。
因此,在课题研究中将采用适当的设计引入背压作用,改善试样变形均匀性。
图9(a);(b)试样分别经过不同道次的有无背压变形示意图
Fig.7BilletsprocessedbyECAPwithandwithoutBPuptodifferentstrains
4.ECAP研究的新工艺进展
传统的等径角挤压过程是不连续的,试样尺寸受到限制,需多道次重复挤压,考虑到重复装料造成的时间消耗以及试样外形局部的打磨,效率低下,严重影响其工业应用[21]。
为了充分发挥ECAP在晶粒细化方面的优势,各国学者不断提出各种改进方法,其一,为了实现ECAP连续化生成,从而为工业化制备板带材、管材等提供了条件;其二,开展对较厚板材或大尺寸块体材料的ECAP挤压研究,为制造具有实用价值的大型构件提供毛坯;其三,结合其他变相方式的工艺组合成复合变相工艺,增加每道次的应变量,即增加晶粒每道次的细化能力。
因此,出现了许多新技术:
(1)旋转模具ECAP技术
NishidaY等人提出了用旋转模具来进行连续等径角挤压-旋转模具ECAP技术(Rotary-dieECAP,RD-ECAP),如图10(a)所示。
RD-ECAP的优点是工件在上道次挤压结束后,不用从模具中取出工件再装入模具中,省去了频繁拆装模具的麻烦,节省了卸模和装工件的时间。
采用Rotary-dieECAP可以快速实现多道次连续变形。
RD-ECAP模具包含两个相互垂直横截面积相同并相交在模具中心的通道,且每个通道都有独立挤压头。
工艺流程:
固定通道C和D中挤压头,将试样放入通道A内开始挤压,发生剪切变形后,试样挤入通道B中,然后将模具旋转90°,固定通道A和D中的挤压头,将试样由通道B被挤入通道C,依次类推。
AzushimaA在此基础上提出了操作更简的连续侧挤ECAP法[20],如图10(b)所示。
其原理与旋转模具类似,不同之处则在于边侧挤压模具在4边有多个冲头,依次改变施加载荷的方向,而不是通过旋转模具实现多道次挤压。
该方法操作更简单,不仅可以有效地挤压多道次,还可以提供一定的背压作用。
(2)多级连续ECAP法
多级连续等径角挤压法(Multi-PassECAP,MP-ECAP)是一道次挤压试样多道次剪切变形[21],如图10(c)所示。
MP-ECAP模具包含5个分别成90°的弯曲通道,图中所示的1、2、3、4、5对应经过1、2、3、4、5道次ECAP变形。
每次压后,坯料旋转180°后再压第二次相当于传统ECAP中的路径C。
由此可见,多级连续ECAP法挤压后的微结构演变规律与同样多道次单级挤压的效果相同,提高了生产效率。
因变形抗力增大,挤压载荷成倍增加,所以该方法对模具强度和设备要求较高。
(3)等径角轧制
等径角轧制(EqualChannelAngularRolling,ECAR)工艺是近几年发展起来的一种新颖的轧制成形工艺。
SaitoY等提出了一种连续剪切变形工艺Conshearing工艺,如图10(d)所示。
在轧制过程中,用几个小轧辊(卫星辊)和一个大轧辊(中心辊)作为工作轧辊。
板带在轧辊产生的挤压力的作用下连续通过模具,通过多次轧制可产生很大的剪切变形。
随后,LeeJC等又提出连续限制板带剪切(continuousconfinedstripshearing,C2S2)工艺[22],如图10(e)所示。
在轧辊出口处放置等径角挤压变形的特殊模具,板材在经过轧制变形后,在摩擦力的作用下,进入特定的模具,发生剪切变形。
在C2S2装置中,为使板带能够以较大的速度通过ECAP模具,将进料辊设计成齿轮状,从而能够产生足够大的挤压力。
等径角轧制工艺不但具备等径角挤压的优点,还具有连续生产的能力,适用于大体积板材,且板材通过等径角模具所需的挤压力由摩擦力提供,有效地降低了能源消耗。
目前的研究仅在小批量的铝板材,ECAR的细化效果不如传统ECAP,相关影响因素的研究还不够完善,有待进一步发展。
(4)卷取式连续等通道ECAP
结合线材连续挤压技术与传统ECAP工艺特点,RaabGJ等提出了卷取式连续等通道ECAP(ECAP–Conform)工艺[23],如图10(f)所示。
该装置中心旋转的轮子上带有凹槽,将坯料送入凹槽中。
与凹槽三面相接触的坯料被摩擦力驱动,随轮子进行旋转运动,同时坯料还被一个静止的约束模限制在凹槽内,当坯料随轮槽转过四分之三圆周后,静止的约束模在堵头处阻挡住坯料并迫使其在剪切作用下转过一定的角度。
不仅有效的得到了超细晶铝材和铜材,而且实现了ECAP过程的连续化。
(5)扭转-等径角挤压
ManiB利用剪切变形和扭转变形相结合的复合变形方式提出一种新的大塑性变形方法等径角挤压扭转变形(torsionalequalchannelangularpressing,TECAP),如图10(g)所示。
试样在挤压力地作用下首先通过ECAP模具发生剪切变形,在出口出模具通过旋转发生扭转剪切变形,在相同的道次下,ECAPT比ECAP变形更加剧烈,应变量更大,从而达到细化晶粒的作用。
(6)等通道侧向挤压
传统ECAP模具是“L”形状,RaoV.S提出了“T”形的ECAP变形[24],如图如图10(h)所示。
传统ECAP变形后,材料的流动方向只有一个,“T”形的ECAP变形后,其流动方向是两个水平相反方向,故又可称为等通道侧向挤压(DualEqualChannelLateralExtrusion,DECLE)。
试样放入挤压腔内,在挤压力作用下,发生剪切变形,试样在垂直于挤压腔的腔内向两边挤出。
由于两个腔的形状不发生变化,试样可以反复挤压变形,应变量累积到达很大,从而实现晶粒细化。
在上面所述的工艺中,前四种工艺是为了实现ECAP的工业化连续生产,减少试验过程中模具的拆卸,提高效率;扭转-等径角挤压是剪切变形方式和其他变形方式结合的复合变形,以增加每道次的变形量,减少挤压道次,提高效率;等通道侧向挤压是在ECAP模具基础进行改造,与上述其他工艺相比,DECLE的优点[25]有:
(1)挤压形状相同的同一试样DECLE的挤压力比ECAP的小;
(2)单道次DECLE的应变量大比ECAP的大。
这些新技术为ECAP工艺工业化应用打下了基础,但工艺参数、组织演变、细化机制和性能方面研究仍不透彻,因此必须加强ECAP基础理论研究,以推动ECAP工艺早日实现工业化。
图1.17ECAP的新工艺
Fig.8.ThenewtechnologyofECAP
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