董飛，華睿，錢陳豪，李萍

(合肥工業(yè)大學材料科學與工程學院，合肥 230009)

近年來，通過大塑性變形工藝獲得超細晶材料，從而改善材料物理性能和綜合力學性能的研究受到廣泛關注。其中 ECAP[1－2]和 TE[3－4]工藝具有在擠壓變形后不改變試樣的橫截面積，并能夠重復擠壓獲得大的累積應變的優(yōu)勢，而將ECAP和TE結合起來的ECAPT[5]工藝不僅繼承了兩者的優(yōu)勢，在1次擠壓中完成2次變形，同時彌補了ECAP細晶能力不強，TE變形不均勻的不足。

ECAPT工藝是在ECAP的基礎上，在ECAP模具的擠出端型腔內(nèi)加工出螺旋狀的型槽，從而實現(xiàn)完整連續(xù)的ECAP和TE工序。大塑性變形工藝獲得超細晶的過程主要通過應變累積實現(xiàn)，ECAPT工藝累積的應變不是ECAP和TE兩者簡單的線性疊加，試樣在通過TE通道時受到的巨大應力相當于對經(jīng)過 ECAP通道部分的材料施加了背壓[6－7]，從而使通過ECAP通道部分的材料應變增大。文中通過數(shù)值模擬研究了 ECAPT過程中，試樣在經(jīng)過ECAP后應變累積與材料損傷的情況，并與單純的ECAP變形工藝比較，探討了TE工藝對ECAP變形后的影響。

1 有限元模型的建立

ECAPT工藝的通道示意如圖1所示，試樣在經(jīng)過直角通道和螺旋通道時發(fā)生近似純剪切變形，從而實現(xiàn)劇烈的應變累積。

圖1 ECAPT通道模型Fig.1 The model of ECAPT

利用Deform-3D有限元模擬軟件對2種工藝變形過程進行模擬仿真。模具溫度為150℃，坯料溫度為200℃。坯料采用純鋁(Al1100)，試樣尺寸為10 mm×10 mm×60 mm，純鋁在低溫條件下具有一定的黏性，對應變速率具有敏感性，因此毛坯材料采用剛黏塑性模型。模具設置為剛體，選用外角ψ=37°，內(nèi)角 φ =90°，內(nèi)角弧度 R=0.5 mm 的 ECAP模型。由于坯料在通過TE通道過程中受到應力的大小主要與螺旋角β有關，因此，根據(jù)常用的TE過程中 β 角度值范圍，選取了20°，25°，30°，35°等 4 個角度。模具和試樣摩擦接觸采用常剪切模型，摩擦因子取0.12，凸模下壓速度為5 mm/s，采用四節(jié)點四面體等參單元劃分50000個網(wǎng)格單元。ECAPT模型通道如圖1所示，圖2為圖1中水平通道相應位置的剖面圖。

圖2 剖面Fig.2 The image of cross-section

2 模擬結果分析與討論

2.1 坯料全局等效應變分布

ECAP和ECAPT工藝中試樣剖面上的等效應變分布分別如圖3和圖4所示。在ECAP變形過程中，受通道摩擦的影響，上下表面材料相對滯后于中心部分的材料流動[8]，同時中心流變區(qū)的等效應變呈層狀分布。這是由于越靠近內(nèi)角部分的材料剪切變形越劇烈，經(jīng)過轉角區(qū)之后材料剛性平移出水平通道，表現(xiàn)為沿擠壓豎直方向的等效應變從上而下逐次減少。

圖3 ECAP剖面的等效應變分布Fig.3 The distribution of equivalent strain of ECAP

圖4 ECAPT(β=35°)剖面的等效應變分布Fig.4 The distribution of equivalent strain of ECAPT(β =35°)

在ECAPT變形過程中，由于受到TE變形區(qū)背壓的作用，材料在經(jīng)過ECAP直角通道后平移受阻，尤其是試樣的周向部分受到TE通道外圍劇烈的螺旋變形產(chǎn)生的背壓，其劇烈變形區(qū)如圖2所示，使得周向材料內(nèi)部的應力應變都相應增大。中心部分材料基本沒有受到來自TE部分的背壓作用，仍然為剛性平移，表現(xiàn)為材料的應變由心部向周向逐漸增大，從而使材料在周向的應變更加均勻。

2.2 跟蹤點位置等效應變

如圖5 所示，在 ECAP 以及 β 為 20°，25°，30°，35°的ECAPT模擬結果中分別選取相同截面上的點。由于此截面在ECAPT工藝中已經(jīng)完成了ECAP的變形過程，還沒開始TE的變形過程，因此此截面的變形情況可以很好地表現(xiàn)ECAPT整體變形過程中TE部分對ECAP后試樣的影響。

圖5 不同工藝下跟蹤點位置Fig.5 The position of trace points at different states

不同工藝下各跟蹤點的應變曲線如圖6所示?？梢钥闯?，ECAPT中試樣周向的材料相對于單純的ECAP試樣的周向部分在經(jīng)過轉角后的等效應變量顯著增大，并且隨著β的增大，TE通道對周向材料的背壓增大，應變量也逐漸變大。當β=35°時，周向各點的應變值平均增加50%以上，但中心部分的材料仍然處于剛性平移的狀態(tài)，應變量沒有太大變化，反而隨著β的增加，有減小的趨勢。

圖6 不同工藝下跟蹤點應變曲線Fig.6 The strain curves of trace points at different states

2.3 試樣損傷分布

試樣在通過ECAP轉角后，經(jīng)過劇烈剪切變形，在試樣表面容易產(chǎn)生破壞。Cockcooft-Lathan準則描述了不同變形條件對材料內(nèi)部產(chǎn)生破壞的影響:

式中:σmax為最大主應力為等效應力;為等效塑性應變速率;C為與材料有關的常數(shù)，可通過實驗測得。

當不等式左邊的數(shù)值大于常數(shù)C時，材料將產(chǎn)生破壞。2種工藝下材料內(nèi)部的損傷程度如圖7和圖8所示。在ECAP工藝中試樣內(nèi)部和表面都存在不同程度的損傷，尤其是試樣的上表面受到尖銳內(nèi)角處劇烈的剪切作用，材料在轉角處有被撕裂的趨勢[9－10]。在ECAPT 工藝中，由于試樣通過轉角后受到TE部分的靜水壓力，使材料上表面剪切破裂受阻，保持了材料的完整性，并且在一定程度上使轉角處材料在三向壓應力狀態(tài)下完成純剪切變形，有利于材料內(nèi)部組織晶粒的細化。

圖7 ECAP剖面的損傷分布Fig.7 The distribution of damage of ECAP

圖8 ECAPT(β=35°)剖面的損傷分布Fig.8 The distribution of damage of ECAPT(β =35°)

純鋁經(jīng)過ECAP和ECAPT后外表面的損傷情況分別如圖9和圖10所示?？梢钥闯?，經(jīng)過ECAP后純鋁試樣上表面出現(xiàn)分段的條狀裂紋，裂紋擴展方向與上表面成一定角度，與ECAP通道轉角處的純剪切面方向基本一致。這表明材料在轉角處受到內(nèi)角的劇烈剪切被破壞，裂紋的出現(xiàn)不僅破壞了材料的完整性，同時減弱了材料內(nèi)部的應變累積，影響了大塑性變形工藝對材料組織的細化。試樣在經(jīng)過ECAPT通道的拐角處后，表面完好，無破裂現(xiàn)象，這表明TE通道對材料流動產(chǎn)生的背壓有效地預防了試樣受到剪切破壞，保證了材料的完整性。

圖9 純鋁ECAP試樣Fig.9 The sample of pure Al after ECAP

圖10 純鋁ECAPT試樣Fig.10 The sample of pure Al after ECAPT

3 結語

1)在ECAPT工藝中試樣通過ECAP通道后試樣的軸向部分能獲得比單獨通過ECAP通道更高的應變累積，應變累積量隨TE通道螺旋角β的增大而增大。試樣中心部分應變量基本保持不變。

2)受到TE通道背壓的作用，材料內(nèi)部的等效應變分布轉變?yōu)橛芍行牟糠窒蛑芟蛑饾u增大，使得應變分布更加均勻。

3)TE通道背壓的作用能夠有效地防止材料表面受到ECAP拐角處的剪切破壞，保證了材料的完整性。

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