變形方式對多向壓縮變形影響的研究

張金龍 ，楊 帥 ，郭 帥 ，楊 青 ，陳思博

（1.西安航空學院 材料工程學院，陜西 西安 710077；2.省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室（蘭州理工大學），甘肅 蘭州 730050）

大塑性變形（Severe Plastic Deformation，SPD）是使材料產生劇烈塑性變形以達到強烈細化晶粒效果的一種塑性加工手段，可直接將材料內部組織細化到亞微米乃至納米級，已被國際材料學界公認為是制備塊體納米和超細晶材料的最有前途的方法[1-4]。多向壓縮（Multi-Axial Compression，MAC）作為大塑性變形法中的一種典型性工藝，由Salishchev等人[5]于20世紀90年代提出，其變形實質是依次沿不同的軸向鍛壓材料，每道次壓縮固定變形量，材料隨外加載荷軸向變化而不斷被壓縮和拉長，晶粒內部形成取向各異、相互交錯的變形帶和微剪切帶，連續破碎晶粒，達到細化晶粒、改善性能的效果。多向壓縮工藝已經在鈦合金、鋁合金、鎂合金、復合材料及不銹鋼等材料的研究中得到了廣泛的使用[6-10]，對于改善合金的顯微組織和力學性能起到了非常有效的作用[11～13]。

多向壓縮由于工藝簡單、成本低、利用現有的工業裝備即可制備大塊致密材料，還能有效弱化變形織構影響，在產業化推廣、應用方面優勢明顯[14，15]。目前多向壓縮研究主要集中在變形溫度、變形速率、變形程度等因素對各種材料組織改變機理研究及其性能影響，而對變形方式方法沒有深入研究。在工業生產中，壓縮存在多種變形方式，不同的變形方式存在一定的差異。本文借助有限元法分析不同變形方式下壓縮變形試樣應變大小和分布情況，深入研究壓縮過程形變的不均勻性，定量分析，為更好地發揮該工藝的潛力提供理論支撐。

1 多向壓縮變形方式

1.1 多向壓縮模型

圖1 多向壓縮原理

多向壓縮工藝原理如圖1所示，試樣為長方體，邊長成一定比例，每一道次沿最長的邊長下壓，直至最長邊長度與原始試樣最短邊長度相等，此時原始試樣中等長度的邊其長度達到最長的邊長尺寸，最短邊長度成為中等長度邊的邊長，因此壓縮后得到的塊體與原試樣尺寸相同。不斷翻轉試樣反復壓縮，每道次壓縮保持固定變形量，直到達到要求的變形量。

壓縮變形研究中，通常采用的變形方式有如圖2所示的三種形式，分別是自由壓縮、半閉式壓縮、和閉式壓縮。自由壓縮壓縮時將試樣放在下壓頭上，上壓頭向下運行對試樣施加壓力使之變形。半閉式壓縮是將試樣放置在U形的模具里，壓縮時上壓頭向下運行推動上模對試樣施加壓力完成變形。閉式壓縮使用套模，模具包括上模、下模和模套，變形前將下模放入模套內，然后再將試樣放到下模上，變形時上模在上壓頭的作用下對試樣施加壓力，使之在封閉的空間內成形。三種成形方式主要區別是對壓縮變形的限制不同，自由壓縮不使用模具，變形時試樣僅與上下壓頭接觸，其余四個側面變形沒有限制；而后兩種工藝借助了模具，半閉式壓縮變形時限制了兩個側面，閉式壓縮變形時則限制了全部的四個側面。

圖2 三種壓縮變形方式

1.2 實驗參數

壓縮試樣邊長尺寸選為研究時常用的15mm×12.2mm×10mm，壓縮速度2mm/s，每道次壓縮5mm，即最長邊從15mm壓縮至10mm，共進行9道次壓縮。模擬采用剛塑性有限元法模型，網格劃分采取四面體單元類型，試樣單元總數設定為8000單元，在運行中利用自動重劃分技術進行網格自適應劃分。壓縮溫度設定為20℃。采用剪切摩擦模型，試樣兩端接觸摩擦系數分別設定為0.12。

2 結果及分析

2.1 試樣形態

圖3所示為三種壓縮方式經9道次壓縮形變后試樣的最終形態。由圖可知，自由壓縮后試樣發生了明顯的畸變，半閉式壓縮試樣比較規整，閉式壓縮試樣最規整，這與物理實驗結果基本一致。自由壓縮由于缺少限制，材料各部分性能不均勻，在同樣的變形力作用下產生不同變形量，而這樣的變形累積到一定程度時，在壓縮試樣就會發生更不均勻的變形。根據實驗結果（圖4），自由壓縮至第5道次時，試樣形狀尚可接受，第6道次后就會發生較明顯的畸變。因此如果采用自由壓縮應在第5道次壓縮后進行一次校正。

圖3 壓縮模擬結果

圖4 自由壓縮

2.2 應變場分布

圖5 應變分布圖

圖5為9道次壓縮變形結束時的應變分布圖，圖中為能夠反映試樣內部變形程度，在壓縮后試樣的長度方向上1/2處切開，保留一半。從圖中不難看出，自由壓縮變形方式壓縮后其內部等效應變分布規律明顯不同于其他兩種方式，在一對對角方向出現了高等效應變區，且在對角邊上達到最大值。這主要是試樣畸變后，壓縮時該對角部位先于另外一對對角分別與上下壓頭接觸、變形，變形量較大造成。而半閉式壓縮、閉式壓縮由于變形受到模具的控制，形狀比較規矩，不存在自由壓縮變形對角大變形帶，等效應變分布規律基本相同。半閉式壓縮、閉式壓縮時，試樣上下端面分別與模具接觸，存在的摩擦作用，限制了兩個端面的變形，越靠近接觸面中部變形量越小，而八個角部受摩擦影響最小變形量最大。閉式壓縮六個端面中間部位變形量大于半閉式壓縮，是因為壓縮時試樣側面形成鼓形接觸模具受約束后發生二次變形，閉式壓縮為四個側面接觸，而半閉式只有兩個側面接觸，雖然每道次二次變形量較小，但多道次壓縮累積下來就形成了較大的區別。半閉式壓縮、閉式壓縮時，在試樣內部越靠近試樣中心應變值越高，形成了呈環狀分布的等效應變特征。

為了進一步了解壓縮后坯料內部等效應變的分布，在9道次壓縮變形結束后的每個試樣上按照三個方向5×5×5的點陣均勻取75個點，用ε表示每一點的應變，測量結果如表1所示。

表1 多向壓縮點陣應變數據

表中：εmax、εmin、εAvg和 α 分別代表試樣變形區域等效應變的最大值、最小值、平均值和等效應變不均勻程度系數，其中等效應變平均值由下式求得：

等效應變不均勻程度系數由下式求得：

由變形不均勻程度系數公式（2）可以看出，系數α值越大，變形越不均勻。

由表1數據可知，多向壓縮顯著提高了材料的變形程度，變形程度最大值出現在自由壓縮方式，達到了5.028，變形程度最小值也出現在自由壓縮方式為2.468，如此大的變形量對制造超細晶是非常有利的。三種變形方式中最大等效應變排序為自由壓縮＞閉式壓縮＞半閉式壓縮，最小等效應變排序為閉式壓縮＞半閉式壓縮＞自由壓縮，等效應變平均值排序為閉式壓縮＞半閉式壓縮＞自由壓縮，由此可見變形程度最高的變形方式是閉式壓縮。等效應變不均勻程度系數排序為自由壓縮＞閉式壓縮＞半閉式壓縮，而自由壓縮不均勻程度為半閉式壓縮、閉式壓縮的2倍和1.73倍，由此進一步證明自由壓縮中的材料畸變對材料均勻性極為不利。

3 結語

通過對三種不同變形方式下的多向壓縮變形過程的仿真模擬，分析了不同壓縮變形方式的變形特點及其對變形程度的影響，研究了三種不同壓縮變形方式的變形不均勻性，得到如下結論：

（1）多向壓縮可以有效獲得高的累積等效應變，三種壓縮形式獲得累積應變的效果排序為閉式壓縮、半閉式壓縮和自由壓縮。

（2）多向壓縮試樣形狀規整情況取決于其變形約束條件，閉式壓縮時試樣側面四個面均被模具限制，所以形狀最規整，而自由壓縮形狀產生明顯畸變。

（3）壓縮變形存在變形不均勻現象，多向壓縮變形也不可避免，半閉式壓縮不均勻性系數為0.382，其變形均勻性略高于閉式壓縮，而明顯高于自由壓縮。