一種橢圓截面螺旋等通道擠壓制備超細晶材料的新工藝

陸紅亞，李付國，汪程鵬，陳 波，袁戰偉

（西北工業大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710072）

一種橢圓截面螺旋等通道擠壓制備超細晶材料的新工藝

陸紅亞，李付國，汪程鵬，陳 波，袁戰偉

（西北工業大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710072）

近年來，對劇烈塑性變形法制備塊體超細晶（UGF）材料的研究已成為材料科學領域的一大熱點。基于劇烈塑性變形制備超細晶材料的機理研究，提出了一種新型成形技術——橢圓螺旋等通道擠壓法（ECEA）。本文系統地闡述了ECEA的基本原理、工藝特點和變形過程，給出了ECEA累積等效應變的解析解計算式。通過有限元模擬，分析了ECEA工藝的應變場、應力場和流變速度場。指出了ECEA良好的工業應用前景。

機械制造；橢圓螺旋等通道擠壓；超細晶材料；數值模擬

1 引言

細晶材料（1nm～1000nm）由于其表現出的一系列有別于傳統材料的優異物理、力學和成形性能而被業界關注[1]。如今，細晶材料的大規模工業化生產已成為全球金屬行業追求的核心技術之一。劇烈塑性變形（SPD）被認為是塊體金屬實現超細晶的最為有效的途徑之一[2]。SPD法與其他成形技術相比，最大的優點是在試件表面不發生機械破壞的情況下能夠獲得大的應變量，從而有利于制備結構致密、無孔隙和無污染的塊體超細晶乃至納米材料[3，4]。

國內外已針對SPD進行了廣泛而深入的研究，涉及到的SPD法主要有高壓扭曲變形法（HPT）、多次鍛壓法（MDF）、循環擠壓—鐓粗法（CEC）、等徑彎曲通道變形法（ECAP）、擠扭（TE）、累積軋制—復合法（ARB）、反復折皺—壓直法（RCS）等，并被用于純金屬、合金以及金屬間化合物等在內的各種合金系塊體細晶結構材料的制備[4，5]。以上方法都是通過對塊體材料直接施加劇烈塑性變形，并形成高強度應變，從而使材料內部晶粒逐步破碎、細化乃至微納米尺寸。然而SPD法還不成熟，工業開發價值有限，所用設備昂貴，加工成本較高，工藝復雜，生產操作繁重，效率較低，很難滿足細晶材料的批量化和自動化生產。例如，常見的ECAP法不能直接生產板材、工件規格較小、需要大功率的設備及昂貴的模具，因此，限制了其在工業上的應用[3，6]。HPT法只能用于制備圓盤狀、直徑10mm～20mm、厚度0.2mm～0.5mm的試樣，樣品的尺寸受到極大地限制，不利于工業推廣[3，7]。

1999年，烏克蘭Y.Beygelzimer教授提出了一種用于晶粒細化的擠扭（TE）新方法[8]，方形坯料經過螺旋扭轉通道后在橫截面和縱截面上發生劇烈的切變，累積大的塑性變形，從而實現細化晶粒的目的[9]。但是TE法僅僅適用于非圓形截面形狀的坯料，而原材料形狀基本都是圓形截面，所以TE方法很難進行工藝設計，其工業應用也受到了一定的限制。

如何改進工藝、降低設備要求，制備出性能穩定均勻的超細晶材料，以滿足實際科研和生產的需要是SPD法研究所面臨的挑戰和發展趨勢。西北工業大學李付國教授[10]提出的一種變通道擠壓模具，綜合擠壓、鐓拔和扭轉三種變形方式，可在簡單的設備上實現變形，并累積大的塑性應變，應用于棒材及線材生產，以及大型軸類零件、高速鋼和粉末冶金等難變形材料的鍛造制坯。

2 ECEA工藝原理

圖1 ECEA模具型腔示意圖

ECEA模具型腔如圖1所示。坯料在擠壓力的作用下，由圓棒料歷經鐓拔（圓—橢圓變換）、扭轉（橢圓截面扭轉）和反向鐓拔（橢圓—圓變換）過程變回圓棒料。如果沿軸向將模具分段切開內表面，模具的一系列橫截面僅由圓和橢圓組成，且保持截面面積不變，因此，金屬主要在橫截面上產生塑性流動，并累積應變。模具形狀利用了圓和橢圓形狀的特殊性，其型腔不存在尖角區，使金屬易于流動。模具變形段從左到右由三部分組成：圓—橢圓段、橢圓等面積扭轉帶和橢圓—圓段，每段型腔內部光滑過渡，三段間光滑連接。圓—橢圓和橢圓—圓段為鐓拔變形，橢圓扭轉段為扭轉剪切變形，坯料端部承受設備擠壓力為變形提供了載荷和能量，從而實現了一次工藝過程多種變形模式的組合。

與ECAP和TE相同的是，一道次變形之后，坯料橫截面的形狀和尺寸均未發生變化，因此，可利用多道次重復變形，以累積更大的塑性應變來改善材料的微觀組織結構，進而提高其力學性能。

ECEA工藝的晶粒細化原因主要是變形過程中粗晶粒的剪切破碎和再結晶，而累積的等效應變為晶粒破碎提供了條件。對橫截面上某一質點進行追蹤，當處于圓—橢圓段和橢圓—圓段時，質點將從一個橢圓運動到另一不同長短軸比的橢圓，而橫截面上不同區域的質點在同一時刻經歷的變形不同，有些區域是伸長變形，有些區域是壓縮變形。由于質點在截面上所處的位置隨擠壓過程在變化，質點從通道一端向另一端運動時，在某些時刻是伸長類變形，而另一時刻可能是壓縮類變形。反復的變形累積和鐓粗、拔長的效果類似，從而有助于晶粒的破碎。在橢圓扭轉帶，晶粒在剪切力的作用下發生轉動和剪切應變，引起晶粒尺寸的變化和新織構的形成，特別是在變形前后變形累積的基礎上，剪切變形更容易破碎粗大晶粒，并且隨著應變量的累積和坯料溫度的變化，變形材料進一步發生動態再結晶形核，晶粒得到了細化。動態再結晶是隨著熱變形發生的再結晶，是一個新晶粒形核與長大的過程，并且與變形速率有著直接的關系。本文主要研究模具幾何參數對ECEA工藝的影響，并只考慮常溫下的變形過程。

ECEA工藝涉及的主要模具參數有：橢圓扭轉帶長度L2、橢圓扭轉帶橫截面旋轉角φ、扭轉帶橢圓長短軸之比m、坯料直徑D1。旋轉角是指橢圓扭轉帶末端相對于始端旋轉的角度。在變形過程中，可以改變以上參數，從而在不同的變形區設計與分配變形程度。m的選取要合理，如果m過大，在橢圓變回到圓的過程中，坯料表面會由于變形過大而開裂，或者無法獲得所需要的邊界條件而不能恢復成圓的形狀。

3 ECEA解析解分析

圖2 質點運動變化過程圖

質點運動變化過程如圖2所示。圖中，圓棒料的半徑為 R1，任一質點 Mk用（Dk，θ）表示。其中，Dk為質點到橢圓中心的距離，θ為質點和橢圓中心的連線與橢圓長軸之間的夾角，以逆時針方向為正值。則一道次擠壓后，質點在圓—橢圓段累積的應變εseq1和在橢圓—圓變形段累積的應變εseq3可用下式表示：

式中：mk——第k段的橢圓長短軸之比，k為某分析斷面。

在橢圓扭轉帶，質點經歷的是純剪切變形，累積的等效應變為：

因此，從通道一端到另一端，質點累積的總等效應變為：

從材料所處的應力應變狀態和變形特點來看，與擠扭等其他劇烈塑性變形方法變形比較，ECEA工藝有如下特點：

（1）變形前后，坯料的橫截面大小和形狀不變，仍保持為圓形，可以廣泛用于棒材、絲材和擠壓坯的一次性制備，而現有的TE工藝僅僅適用于方形截面坯料。此外，可將等通道改為變通道，實現粗坯料到細坯料的制備。這和擠壓或拉拔成形過程類似，但中間塑性累積的應變卻大大增加了，斷面應變分布更趨合理。

（2）應變分布可控。一旦擠扭工藝的螺旋通道長度和旋轉角確定，擠扭所需要的工藝變形力，即剪切力，是一定的，因而坯料上各區域的應變分布是確定的。而ECEA則不同，當L2和φ一定時，可以通過改變扭轉帶橢圓的長短軸之比m優化工藝過程。當m取值越大時，鐓拔效果越顯著，可使橢圓橫截面上的金屬變形更加均勻，從而改善橫截面上的應變分布狀態，獲得徑向性能更加均勻的組織結構。

（3）合理利用純剪切變形。純剪切是最低能耗、最優的變形方式，其平均應力σm=0。通常情況下，當靜水應力為負值時，應力莫爾圓偏向負應力軸區域，完成工藝需要設備提供較大的能量；而靜水應力為正值時，材料在某個方向上承受較大的拉應力，不利于材料的變形，使材料容易開裂；當靜水應力為0時，表示體積變形為0，設備施加給材料的所有能量都用來產生形變，即塑性變形，這對于晶粒的細化是極為有利的，且變形能低，對設備和模具的要求降低。

（4）鐓拔與剪切相結合，完成兩種細化機理的過渡，實現晶粒細化效果的最優化。Y.Beygelzimer的研究[11]表明：擠扭變形存在臨界剪切應變γc，當應變γ＜γc時，晶粒顯微組織變化和拉伸類似；當應變γ≥γc時，材料中產生湍流運動，初始晶界模糊，出現應變硬化，晶界位向差逐漸加大。在該工藝中，圓—橢圓段的鐓拔作用能累積較大應變，為晶粒碎片后續產生紊流旋轉運動做好鋪墊，即應變值可按γc設計。當坯料進入橢圓扭轉段時，可以直接進入剪切變形的第二階段，有助于晶粒的高效細化。

（5）克服了鍛壓設備無法滿足扭轉變形需要的不足，不考慮摩擦時，所需要的變形力較小。扭轉帶橢圓繞模具型腔的中心旋轉，坯料和模具之間的摩擦使坯料在扭壓變形中產生扭矩，使變形金屬受到一剪切力的作用。根據屈服準則，此時變形體進入塑性狀態所需要的軸向壓應力就小于屈服應力，從而使變形過程中的變形力降低，并且扭矩越大，效果越明顯。但是，考慮摩擦時，扭轉通道的加長，會使摩擦消耗的能量增大，變形力反而增加。不過總體而言，可以將有害的摩擦作用加以利用轉化為剪切力，使坯料在相同的鍛造比下，變形量更大，并且工件內部變形均勻，金屬纖維流線合理，有效克服了坯料鍛透性和設備噸位之間的矛盾。

4 ECEA工藝模擬

利用有限元模擬軟件Deform-3D對坯料常溫下的ECEA工藝過程進行數值模擬。棒料的直徑為D1=4mm，圓—橢圓段長度L1=6mm，橢圓扭轉帶長度L2=12mm，橢圓—圓段長度L3=6mm，扭轉帶旋轉角為φ=180°，橢圓臨界長短軸之比為m=1.333。模具和制件的摩擦接觸采用常摩擦條件，摩擦因子為0.4，采用四節點四面體等參單元對制件進行離散。ECEA有限元模型圖如圖3所示。

圖3 ECEA有限元模型圖

4.1 等效應變分析

圖4 坯料等效應變分布圖及柱狀圖

等效應變分布如圖4所示。從圖中可以看出，坯料端部的等效應變較小，處于1～2之間，中間部分等效應變累積較大，大部分超過了2，最大值達到3.44。應變沿軸向分布較為均勻。不同等效應變值區域的分界線近似沿橢圓螺旋通道扭轉的軌跡，說明扭轉剪切作用能使材料發生劇烈的變形，而且扭轉的應變大大超過兩端的應變，表明扭轉累積應變的效果遠遠大于圓—橢圓鐓拔的效果。從等效應變柱狀圖中可以看出，組成比例占最多的等效應變約為1，達到23.614%。絕大多數的等效應變分布在0.8～2.32之間，且大于1的應變分布相對較為均勻。

圖5是坯料橫截面上對應標記點處等效應變沿擠壓軸方向的變化情況。從圖5的曲線走勢可以看出，曲線明顯分為三段，經歷慢增—快增—慢增三段變化。在圓—橢圓段，等效應變增長較為緩慢，橫截面心部附近的點P1、P2、P3累積等效應變近似為0，而外部質點P4、P5呈較慢的速度增長，表明在此工藝方案下，鐓拔對橫截面心部的材料幾乎沒有起到細化的效果，較小的橢圓長短軸之比沒有達到預期的鍛透性要求，但為扭轉剪切變形準備好了截面形狀。當進入橢圓扭轉帶時，曲線斜率明顯變大，等效應變累積速度顯著增加，心部的應變甚至超過了周邊點的應變，這和理論解析中中心應變為0的結果是相悖的。但是真實應變值并不是單一由內部應力值決定，超細晶結構的形成是在外部和內部條件共同的作用下完成的，因此，這樣的結果帶有一定的必然性，是合理的。正如Valiev等人關于HPT的研究表明[12]，在旋轉作用下樣品直徑上形成了均一的組織，便可以證明這一點。另外，P2、P3和P4的等效應變累積曲線規律較為接近，表明橫截面中間部位的應變分布較為均勻。而且P1部位的應變累積較大，可以看出鐓拔和剪切的疊合作用在細化晶粒的同時可以保證組織的均一性。總體來說，最終坯料外部點的應變大于內部點的應變，因為外部距中心點的距離較遠，受到的剪切力大，因此，晶粒被破碎的更徹底。為了使組織更加均勻化，可以增加拉拔道次，以加強鐓拔和扭轉剪切的效果，提高材料的綜合性能。

圖5 坯料橫截面追蹤點等效應變變化曲線圖

4.2 等效應力分析

坯料等效應力分布圖和柱狀圖如圖6所示。35.2%的應力分布在35MPa，大于60MPa的等效應力分布較為均勻，占40%左右，平均等效應力為61.9MPa，最大的等效應力為134MPa，而高應力區主要分布在剛進入扭轉帶的部位。

圖6 坯料等效應力分布圖及柱狀圖

圖7是坯料從模具一端運動到另一端時端面上的應力分布情況變化圖，可以看出當坯料端面由圓形變成橢圓形的過程中，起初端面上與模具接觸的部位承受較大的壓應力，內部應力較小，隨著變形的進行，端面上的應力分布趨向均勻，約為40MPa，相當于鍛造工藝中的鐓拔變形。當坯料進入扭轉剪切帶時，端面上的應力劇烈增加。旋轉角越大，應力越大，這有助于材料變形，晶粒被剪切破碎和發生動態再結晶。整體來講，仍呈現出外部區域應力大于內部應力的現象，外圍局部應力在某時刻達到最大值134MPa。這是因為剪切時，端面外圍先發生塑性變形，中心部位起初以彈性變形為主，隨著旋轉角的增大彈性變形區逐漸減小，直至消失。雖然外圍發生形變時應力增加較小，但是仍大于心部應力。

圖7 坯料端面等效應力變化

4.3 流變速度場

坯料流變速度變化圖如圖8所示。從圖中看出，橢圓截面螺旋等通道擠壓不同于普通的擠壓方法，在扭轉過渡段，即劇烈變形區，可以看到速度的驟增，還有流變方向的改變，越是遠離劇烈變形區，周向的流變就越少。

圖8 坯料流變速度場變化圖

5 結論

ECEA 法是一種新型制備超細晶材料的SPD新方法，盡管對其研究剛剛開始，但是從機理上講，它是一種理想的、有前途的SPD技術。它的優點有：

（1）成形效果好，速度快，效率高，有利于生產自動化，能較大地改善材料內部的應力、應變分布和變形織構，有利于破碎鑄造粗晶組織和夾雜、偏析缺陷，理論上講細化晶粒效果顯著。

（2）剛塑性有限元法分析表明ECEA的變形特點是穩態變形，變形后除首、末兩端外坯料沿軸向應變分布均勻。橫截面上心部和外部變形差別不大，應變整體分布均勻。

（3）ECEA除適用于擠壓工藝外，也可用于拉拔工藝，能夠應用于火車主軸、汽車曲軸等大型軸類零件以及高速鋼、粉末冶金等難變形材料的鍛造制坯，提高鍛件的力學性能；也能夠應用于鋼鐵和有色金屬的棒材及線材的生產，提高棒材及線材的力學性能。

ECEA法是一種利用扭轉剪切變形、擠壓和鐓粗變形相結合的新型工藝。相信隨著研究工作的進一步深入，ECEA工藝的應用范圍和工業化應用前景會更加廣闊。

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A new severe plastic deformation technique for preparing ultrafine-grained materials:elliptical cross-section spiral channel extrusion with equal-area

LU Hongya，LI Fuguo，WANG Chengpeng，CHEN Bo，YUAN Zhanwei
（School of Materials Science and Engineering,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,Shanxi China）

The basic principles,characteristics,and deformation behaviors of ECEA have been introduced in the text.The design formula for accumulating equivalent strain of ECEA has been put forward.Through FEM simulation,the strain field,stress field and flow velocity field of ECEA technique have been analyzed.The good application prospect of ECEA in industry has been pointed out.

Severe plastic deformation;Ultrafine-grained material;ECEA;Refinement;Numerical simulation

TG376

B

1672－0121(2011）04－0061－05

西北工業大學研究生創業種子基金（Z2011006）

2011-05-10

陸紅亞（1988－），女，本科在讀，主攻塑性成形及模擬技術