楊保健 夏琴香? 程秀全 肖剛鋒

(1．華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510640;2．廣州民航職業(yè)技術學院機務工程系，廣東廣州510403)

納米/超細晶材料由于結構獨特、性能優(yōu)異而倍受關注．但是受制備技術的制約，目前難以獲得高純、致密、界面清潔的理想的三維塊體納米晶金屬材料［1－3］．隨著對納米材料研究的不斷深入與納米技術的不斷發(fā)展，將強力旋壓大變形技術與納米技術有機結合起來制備納米/超細晶塊體金屬材料得到了廣泛的重視［4－6］．通過強力旋壓使坯料局部連續(xù)累積產生強烈的剪切變形，在剪切應力和剪切變形作用下，原先的等軸粗晶沿軸向逐漸被拉長成細帶狀，形成纖維狀組織，材料內部位錯密度急劇增大，部分晶粒被打碎;經再結晶退火后，在晶格畸變較嚴重處伴隨著形核和長大，逐漸生成了無畸變的等軸細晶．

文獻［7－8］曾分別對旋壓的變形機理做了一些模型試驗和解析，試圖揭示旋壓過程中材料的變形機理(如變形的幾何關系、物理現(xiàn)象及性能等)，旨在擺脫以往旋壓工藝中所采用的嘗試法的盲目性，但對強力旋壓劇烈剪切變形過程中材料的變形機理分析較少．文中以具有高層錯能的體心立方金屬20鋼為研究對象，通過分析旋壓樣件變形區(qū)剖面和表面的扇形塑性流動場和應變分布來定性和定量解析強力錯距旋壓過程中金屬流動的機理，并采用金相分析技術及TEM技術對F+P鋼強力旋壓劇烈剪切變形時晶粒形態(tài)進行了初步研究與分析，可為系統(tǒng)研究強力旋壓劇烈剪切變形誘導納米/超細晶的形成機制奠定理論基礎．

1 試驗過程

試驗材料為20鋼，試驗用毛坯的尺寸規(guī)格為φ76mm×4．0mm×80 mm，毛坯的零件圖及退火態(tài)毛坯實物圖如圖1所示，其材料力學性能如表1所示．毛坯主體組成相為鐵素體和珠光體，鐵素體初始晶粒大小約為40μm，分布較均勻．

圖1 毛坯零件圖及退火態(tài)毛坯實物圖(單位:mm)Fig．1 The detail drawing and the annealed tube blanks(Unit:mm)

表1 20鋼力學性能1)Table 1 Mechanics properties of steel 20

筒形件強力旋壓采用三旋輪分層錯距多道次成形方式(如圖 2 所示)［9－13］，其中，a12和 a23分別是旋輪Ⅰ與旋輪Ⅱ以及旋輪Ⅱ與旋輪Ⅲ之間的軸向錯距量，Δt1、Δt2、Δt3依次為各旋輪徑向壓下量，t0為毛坯壁厚，t1、t2、t3表示各旋輪旋壓后毛坯的厚度．工藝參數(shù)如表2所示．首先毛坯經3道次強力旋壓成形(總減薄率ψt≈70%);然后將其加熱到580℃左右并保溫1h，使冷變形晶粒重新生成均勻的等軸晶粒，并最大限度消除形變強化和殘余應力;進而再進行較小變形量的終旋和再結晶退火，將晶粒細化到納米/亞微米級．

圖2 錯距旋壓示意圖Fig．2 Diagram of stagger spinning

表2 強力旋壓工藝參數(shù)1)Table 2 Process parameters of power spinning

2 試驗結果與分析

2．1 變形區(qū)材料流動原理

在筒形件強力旋壓劇烈變形過程中，通過旋輪與坯料的相對運動，變形區(qū)出現(xiàn)流動塑性變形．變形瞬間，變形區(qū)以徑向壓縮導致軸向和周向產生金屬流動．筒形件強力旋壓變形遵循金屬流動最小阻力定律，從而產生體積位移，軸向流動是主要的流動方向，周向的流動較少［5］．

強力旋壓時變形區(qū)金屬的軸向流動示意圖如圖3(b)所示，其中t'0、tf分別表示旋輪前方隆起的壁厚和旋壓變形后工件壁厚．從圖3(b)的剖面分流圖可看出，在不考慮3個旋輪所在變形區(qū)之間交互影響的情況下，筒形件變形區(qū)被旋輪碾壓一圈的體積中，區(qū)域B的金屬向后流向旋壓件的壁部(箭頭b所示)，區(qū)域A的金屬向前流動形成隆起和堆積(箭頭a所示)．箭頭c表示有少量金屬沿周向流動．金屬隆起與堆積導致t0增至t'0，從而增大了旋壓成形的變形量與成形力．當隆起量不變時，強力旋壓成形時材料流動基本趨于穩(wěn)定．

圖3 變形區(qū)的金屬流動Fig．3 Metal flow in deformation area

在筒形件強力旋壓變形區(qū)中，用扇形塑性流動場［14］對材料的流動和變形進行表示，如圖4所示．在扇形變形區(qū)(Ⅱ區(qū))內，金屬質點沿扇形半徑向扇形圓心O點方向流動，其流速逐漸增大，但同一圓弧上各質點的流速相等．在未成形區(qū)(Ⅰ區(qū))和已成形區(qū)(Ⅲ區(qū))中，質點分別以均勻的流速v0和vi沿軸向流動．在變形區(qū)中，以O點為圓心、半徑為r的圓弧上，各質點的流速是相等的．

圖4 變形區(qū)的扇形塑性流動場Fig．4 Fan－shaped plastic flow field of deformation area

2．2 變形區(qū)細觀塑性變形特征

微觀應變指的是晶粒與晶粒間或某些微觀區(qū)域之間受到壓應力或拉應力的作用而產生的變形，其大小和方向呈統(tǒng)計性分布，在較大的宏觀尺寸范圍內，平均值為零［15］．微觀應變不像宏觀殘余應力那樣涉及較大區(qū)域，也不同于單個或幾個原子脫離平衡位置導致的亞微觀應變．

強力錯距旋壓成形納米/超細晶筒形件時，金屬變形發(fā)生在旋輪與毛坯接觸的區(qū)域，該區(qū)域晶體受到旋輪施加的多方向載荷而發(fā)生劇烈剪切變形，并隨著旋輪的螺旋運動迅速傳播到周圍的晶體．在發(fā)生塑性變形前后，晶體形狀變化明顯，而且從變形區(qū)的入口至出口，滑移線形成的滑移面隨著外力的方向而定向變化．隨著變形程度的增加，定向性也提高，組織不均勻性加?。鹣嘟M織分析結果表明，經ψt=87%強力旋壓后金屬晶粒破碎，晶粒被拉長．經580℃再結晶退火后，旋壓件冷變形組織的方向性消失并生成平均晶粒尺寸小于1μm的細小等軸晶(如圖5所示)．

圖5 強力旋壓變形區(qū)的細觀塑性變形Fig．5 Micro plastic deformation in deformation area during power spinning

隨強力旋壓減薄率的增加，旋壓件內部的初始晶粒被擠壓，晶粒形狀因子DT/DL與變形量之間的對應關系可通過下面的數(shù)學模型加以說明．假設20鋼初始晶粒為正方體，邊長為L0，變形后被擠壓成為一個不規(guī)則的長方體，其橫截面正方形邊長為DL，截面高度為DT(如圖5所示)．則有:

其中，ε是塑性變形應變．

由式(1)和(2)可以得到:

故晶粒形狀因子 DT/DL=e1．5ε，但實際晶粒形狀因子與變形量的關系還與強力旋壓工藝條件有關．

2．3 TEM 分析

采用JEM－2100透射電子顯微鏡對強力旋壓成形的20鋼筒形件樣件進行微觀分析．TEM分析結果發(fā)現(xiàn)，成形的樣件中有細化的晶粒、亞晶、位錯胞和變形引入的位錯．強力旋壓成形和580℃再結晶退火后的20鋼筒形件樣件的明場像及縱截面晶粒尺寸分布如圖6、7所示．

圖6 20鋼旋壓件及其退火件明場TEM照片F(xiàn)ig．6 TEM images of steel 20 spun workpieces and annealed workpieces

圖7 旋壓件及其退火件縱截面晶粒尺寸分布Fig．7 Grain size distribution of spun workpieces and annealed workpieces in the longitudinal section

由圖6(a)可以看出，在樣件壁厚減薄率ψt=87%時，冷變形組織為呈明顯方向性的超細晶鐵素體，晶粒平均尺寸約為500nm，且晶粒大小在縱截面上呈梯度分布(如圖7所示);晶粒內出現(xiàn)位錯墻和位錯纏結圍成的細小胞塊結構(如圖6(a)中黑色和白色箭頭所指)，部分顆粒狀碳化物均勻地分布在鐵素體基質中和晶界上．晶界附近的位錯密度比晶內高，晶界不清晰，表明組織處于高內應力非平衡態(tài)．由圖6(a)中的選區(qū)電子衍射譜(SAD)可看出，斑點不太集中，表明存在小角度晶界．

由圖6(b)可以看出，樣件經再結晶退火后，冷變形組織的方向性消失并生成細小的等軸晶，晶粒平均尺寸約為600nm，略有長大．晶內及晶界上的位錯明顯減少，部分顆粒狀碳化物顆粒均勻分布在晶內或晶界上．由圖6(b)中的選區(qū)電子衍射譜(SAD)可看出，斑點均勻且呈環(huán)狀趨勢，表明存在大角度晶界，且此時大角度晶界為主要顯微結構．

3 結論

文中采用強力旋壓技術結合再結晶退火，制備了具有納米/超細晶結構的筒形件，通過對變形前后樣件顯微組織和變形規(guī)律的分析，得出如下結論:

(1)強力旋壓過程中隨著工件壁厚減薄率的增加，材料內部等軸初晶逐漸沿軸向被拉長，并形成具有一定晶粒取向的纖維組織;

(2)強力旋壓劇烈剪切變形能夠細化20鋼管坯的微觀組織．初始晶粒尺寸約為40μm的20鋼管坯在室溫下經5道次強力錯距旋壓及中間退火后，獲得了平均晶粒尺寸約為600nm的超細等軸晶組織．

［1］ Lu K，Lu J．Nanostructured surface layer on metallic materials induced by surface mechanical attrition treatment［J］．Materials Science and Engineering:A，2004(375/376/377):38－45．

［2］ Carl C K，ILya A O，Sudipta S，et al．Structural nanocrystalline materials－fundamentals and applications ［M］．Cambridge:Cambridge University Press，2007:4－9．

［3］ Shin D H，Kin I．Grain refinement mechanism during equal－channel angular pressing of a low－carbon steel［J］．Acta Materialia，2001，49(7):1285－1292．

［4］ 柏艷輝，周南強，白彬，等．采用旋壓法實現(xiàn)材料表面納米化［J］．中國工程物理研究院科技年報，2003(1):471．Bai Yan－h(huán)ui，Zhou Nan－qiang，Bai Bin，et al．The surface nanocrystallization through spinning［J］．China Academy of Engineering Physics Technology Reports，2003(1):471．

［5］ Xu W C，Shan D B，Wang Z L，et al．Effect of spinning deformation on microstructure evolution and mechanical property of TA15 titanium alloy［J］．Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2007，17(6):1205－1211．

［6］ 楊保健，夏琴香，程秀全，等．SPD制備超細晶金屬材料的成形方法［J］．鍛壓技術，2011，36(2):48－52．Yang Bao－jian，Xia Qin－xiang，Cheng Xiu－quan，et al．Forming method of ultra－fine grain/nanocrystalline metallic material based on SPD［J］．Forging＆ Stamping Technology，2011，36(2):48－52．

［7］ Avitzur B，Choi J，Kim J M．The unity of upper－bound approaches to plane－strain deformation problems［J］．Journal of Mechanical Working Technology，1987，15(3):297－307．

［8］ Wong C C，Dean T A，Lin J．A review of spinning，shear forming and flow forming processes［J］．International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，2003，43(14):1419－1435．

［9］ Xia Q X，Cheng X Q，Ruan F，et al．Finite element simulation and experimental investigation on the forming forces of 3D non－axisymmetrical tubes spinning ［J］．International Journal of Mechanical Sciences，2006，48(7):726－735．

［10］ 孫凌燕．杯形薄壁內齒輪旋壓成形機理及工藝優(yōu)化研究［D］．廣州:華南理工大學機械與汽車工程學院，2010．

［11］ 夏琴香，張鵬，程秀全，等．筒形件錯距旋壓成形工藝參數(shù)的正交試驗研究［J］．鍛壓技術，2012，37(6):45－49．Xia Qin－xiang，Zhang Peng，Cheng Xiu－quan，et al．Influence of process parameters on tube stagger spinning base on orthogonal experimental design［J］．Forging＆ Stamping Technology，2012，37(6):45－49．

［12］ Tian H，Huang H Q，Chen G Q，et al．Effects of power spinning processing parameters on cylindrical parts of TC4 alloy ［J］．Aerospace Manufacturing Technology，2009，10(5):14－17．

［13］ Zhang H L，Deng R，Li X H．Study on the influence of clearance ratio on the spinning stability of cylindrical workpiece with height diameter/thickness ratio［J］．Manufacturing Technology ＆ Machine Tool，2011，1:97－100．

［14］ 楊雄．用滑移線法解正擠壓實心件的準確方法［J］．長江大學學報:自然科學版，2006，3(2):89－90．Yang Xiong．Solution of extrusion pressure for solid workpiece forward extrusion by the slip line method［J］．Journal of Yangtze University:Natural Science Edition，2006，3(2):89－90．

［15］ 李茂林．鋁合金表面納米化微觀結構及晶粒細化機制研究［D］．太原:太原理工大學材料科學與工程學院，2006．