等徑角擠壓時(shí)鋁材料塑性變形的研究

牟世娟　馬學(xué)軍　蘆明霞

摘要：文章通過兩套不同模具對鋁材料進(jìn)行等徑角擠壓，研究了材料擠壓后的變化，討論了摩擦和不同模具結(jié)構(gòu)對鋁材料塑性流變的影響。

關(guān)鍵詞：等徑角擠壓；鋁材料塑性變形；模具設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TG146文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2009）05-0108-02

等徑角擠壓（Equal Channel Angular Pressing，簡稱ECAP）技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來的一種制備塊體納米材料的新工藝。20世紀(jì)80年代前蘇聯(lián)專家Segal就提出了大塑性變形理論的ECAP方法制備大塊超細(xì)晶材料，將試樣壓入一個(gè)特別設(shè)計(jì)的模具中以實(shí)現(xiàn)大的剪切變形來細(xì)化晶粒。進(jìn)入90年代后俄羅斯科學(xué)家Valiev發(fā)現(xiàn)利用該技術(shù)可以使材料產(chǎn)生大應(yīng)變從而細(xì)化多晶材料的晶粒，獲得亞微米級(jí)或納米級(jí)的超細(xì)晶結(jié)構(gòu)。ECAP技術(shù)已成為當(dāng)代材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)，特別是俄羅斯科學(xué)家采用等徑角擠壓技術(shù)加工1420鋁合金，隨后在高應(yīng)變速率和350℃溫度下采用超塑性成形加工出內(nèi)燃機(jī)的活塞，大大地提高了零件的生產(chǎn)率，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

材料在等徑角擠壓過程中的力學(xué)性能與其塑性變形量有著直接的聯(lián)系。在等徑角擠壓過程中，試樣的塑性變形行為還與很多參數(shù)有關(guān)，其中摩擦和模具結(jié)構(gòu)就是這些參數(shù)中的一些重要參數(shù)，為加深這些參數(shù)對等徑角擠壓過程中塑性流變的影響的理解，采用不同的模具對同一材料進(jìn)行等徑角擠壓具有重要的意義。

一、實(shí)驗(yàn)所用的兩套模具設(shè)計(jì)簡圖

二、實(shí)驗(yàn)過程

把制備好的試樣樣品放入模具中進(jìn)行擠壓，在擠壓過程中試樣不斷重復(fù)一個(gè)過程：擠壓、取出、旋轉(zhuǎn)、重新插入模具中以待再次擠壓。

三、實(shí)驗(yàn)分析

材料在等徑角擠壓過程中，剪切變形主要發(fā)生在變形區(qū)拐角附近。從圖2中曲線1可以看出，純鋁在等徑角擠壓過程中的擠壓所需的載荷隨著時(shí)間的增加而增加，但大致可分為三個(gè)階段：（1）載荷值快速增加；（2）載荷值趨于穩(wěn)定；（3）載荷值下降。

從曲線1中可以分析出三點(diǎn)：（1）試樣剛進(jìn)入模具時(shí)金屬受到了很大的向著模具入口方向的推動(dòng)力，而且這種推力隨著試樣的不斷進(jìn)入而增加，當(dāng)試樣的前面部分經(jīng)過主要變形區(qū)時(shí)，由于受到內(nèi)角與外角給予的附加拉應(yīng)力與壓應(yīng)力，內(nèi)外角阻礙著金屬向模具出口方向流動(dòng)，同時(shí)在內(nèi)外角處金屬又受到很大的剪應(yīng)力，在這些力的共同作用下，金屬發(fā)生很大的塑性變形，因而試樣中發(fā)生剪切變形的部分隨著變形的進(jìn)行而逐漸增加，同時(shí)試樣的內(nèi)應(yīng)力和擠壓所需要的載荷也隨之增加。（2）當(dāng)金屬通過轉(zhuǎn)角進(jìn)入模孔中時(shí)，由于試樣與模具相接觸，模具對試樣的變形有一定的阻礙作用，因此載荷增加的較快，隨著擠壓的進(jìn)行，載荷在一定時(shí)間內(nèi)基本保持不變，因此載荷值恒定。（3）當(dāng)試樣被推出變形區(qū)域時(shí)，由于各種力的相互作用減弱，從而使載荷的值下降。

從圖2中曲線2可以看出，載荷始終是隨著時(shí)間的增加而緩慢增加。這說明試樣在發(fā)生剪切變形時(shí)，由于模具結(jié)構(gòu)的不同，而導(dǎo)致載荷值的大小也不同。因?yàn)閮煞N模具對材料進(jìn)行等徑角擠壓時(shí)，復(fù)雜模具比簡單模具要多一個(gè)應(yīng)用的力。應(yīng)用復(fù)雜模具對試樣進(jìn)行等徑角擠壓時(shí)，試樣除受到簡單模具作用的所有力之外，試樣還將受到復(fù)雜模具對它的一個(gè)反向推力，此反向推力將減緩金屬的劇烈變形，由于試樣發(fā)生剪切變形時(shí)，反向推力始終作用在試樣上，從而導(dǎo)致了曲線2的載荷值始終隨著時(shí)間的變化而逐漸增加。

從圖2實(shí)驗(yàn)測定的載荷-時(shí)間曲線中，我們還可以分析到，當(dāng)用同樣的力對試樣進(jìn)行擠壓時(shí)，復(fù)雜模具所需要的時(shí)間比簡單模具所需要的時(shí)間長，原因在于模具結(jié)構(gòu)的不同，從而導(dǎo)致試樣在進(jìn)行等徑角擠壓實(shí)驗(yàn)過程中所受到的力也就不同，因而需要的時(shí)間也就不同。

四、結(jié)論

1．在等徑角擠壓過程中，根據(jù)載荷變化特征在簡單模具內(nèi)可將載荷－時(shí)間曲線分為三個(gè)階段：（1）載荷值快速增加；（2）載荷值趨于穩(wěn)定；（3）載荷值下降。而在復(fù)雜模具中，載荷值始終隨著時(shí)間的增加而增加。通過不同模具對材料進(jìn)行等徑角擠壓的分析，解釋載荷變化隨時(shí)間變化不同的原因。

2．在等徑角擠壓過程中，試樣不同部位的應(yīng)力狀態(tài)不一致。在主要變形區(qū)樣內(nèi)部存在壓應(yīng)力——拉應(yīng)力的應(yīng)力轉(zhuǎn)變，試樣外部存在壓應(yīng)力——拉應(yīng)力——壓應(yīng)力的應(yīng)力轉(zhuǎn)變。

參考文獻(xiàn)

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[2]Valiev R Z，Krasilnikov N A，Tsenev N K．Materials Science and Engineering，1991．

[3]Valiev R Z，Islamgaliev R K，Alexandrov I V．Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation[J]．Progress in Materials Science， 2000．

作者簡介：牟世娟（1979－），女，吉林長春人，沈陽理工大學(xué)理學(xué)院助教，碩士，研究方向：納米材料的制備與應(yīng)用。