納米/超細晶筒形件強力旋壓變形機理*

楊保健 夏琴香? 程秀全 肖剛鋒

(1．華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640;2．廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院機務(wù)工程系，廣東廣州510403)

納米/超細晶材料由于結(jié)構(gòu)獨特、性能優(yōu)異而倍受關(guān)注．但是受制備技術(shù)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(shù)的不斷發(fā)展，將強力旋壓大變形技術(shù)與納米技術(shù)有機結(jié)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(chǎn)生強烈的剪切變形，在剪切應(yīng)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(nèi)部位錯密度急劇增大，部分晶粒被打碎;經(jīng)再結(jié)晶退火后，在晶格畸變較嚴(yán)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(guān)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(yīng)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(shù)及TEM技術(shù)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(dǎo)納米/超細晶的形成機制奠定理論基礎(chǔ)．

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(xué)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(xué)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(jīng)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(yīng)力;進而再進行較小變形量的終旋和再結(jié)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(jié)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(dǎo)致軸向和周向產(chǎn)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(chǎn)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(dǎo)致t0增至t'0，從而增大了旋壓成形的變形量與成形力．當(dāng)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(nèi)，金屬質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(shè)點為圓心、半徑為r的圓弧上，各質(zhì)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(yīng)變指的是晶粒與晶粒間或某些微觀區(qū)域之間受到壓應(yīng)力或拉應(yīng)力的作用而產(chǎn)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(nèi)，平均值為零［15］．微觀應(yīng)變不像宏觀殘余應(yīng)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(dǎo)致的亞微觀應(yīng)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(jié)果表明，經(jīng)ψt=87%強力旋壓后金屬晶粒破碎，晶粒被拉長．經(jīng)580℃再結(jié)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(nèi)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(yīng)關(guān)系可通過下面的數(shù)學(xué)模型加以說明．假設(shè)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(yīng)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(guān)系還與強力旋壓工藝條件有關(guān)．

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(jié)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(jié)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(nèi)出現(xiàn)位錯墻和位錯纏結(jié)圍成的細小胞塊結(jié)構(gòu)(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(zhì)中和晶界上．晶界附近的位錯密度比晶內(nèi)高，晶界不清晰，表明組織處于高內(nèi)應(yīng)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(jīng)再結(jié)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(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)．

3 結(jié)論

文中采用強力旋壓技術(shù)結(jié)合再結(jié)晶退火，制備了具有納米/超細晶結(jié)構(gòu)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(jié)論:

(1)強力旋壓過程中隨著工件壁厚減薄率的增加，材料內(nèi)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(jīng)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．

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