塑性彎曲變形對(duì)金屬組織性能影響的研究

肖　壯，魏立群，付　斌

（1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海201418；2.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海201418）

塑性彎曲變形對(duì)金屬組織性能影響的研究

肖壯1，魏立群2，付斌2

（1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海201418；2.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海201418）

本文在分析強(qiáng)烈塑性變形（severe Plastic deformation）對(duì)金屬材料組織性能影響的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究金屬材料經(jīng)過(guò)反復(fù)塑性彎曲變形后，其內(nèi)部組織性能的變化規(guī)律.以H85黃銅板材為對(duì)象，采用MARC有限元等方法計(jì)算不同彎曲半徑與板厚之比（r/h，簡(jiǎn)稱：徑厚比）對(duì)金屬材料內(nèi)部累積應(yīng)變的影響，同時(shí)通過(guò)金相組織分析和顯微硬度測(cè)定，進(jìn)一步確定其內(nèi)部晶粒尺寸的變化規(guī)律.研究表明，金屬板材經(jīng)過(guò)反復(fù)塑性彎曲變形后，其內(nèi)部累積應(yīng)變量大小沿厚度分布隨離中性層距離增加而增大、晶粒尺寸則隨之變小、金屬的顯微硬度隨之增加.而且隨著徑厚比（r/h）減小，其累積應(yīng)變量效應(yīng)越顯著.關(guān)鍵詞：塑性彎曲變形；累積應(yīng)變；晶粒尺寸；有限元計(jì)算；H85黃銅

近年來(lái)，隨著國(guó)際經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)金屬的需求量越來(lái)越大.人們對(duì)金屬總量需求增加的同時(shí)，對(duì)一些高性能金屬的需求量也隨之增加.尤其是一些合金資源消耗少、綜合性能高的金屬材料更是受到了業(yè)界的強(qiáng)烈追求.因此，對(duì)金屬材料組織演變與晶粒細(xì)化對(duì)其性能的研究一直是材料科學(xué)工作者關(guān)注熱點(diǎn)，其中強(qiáng)烈塑性變形（severe Plastic deformation，即SPD）對(duì)金屬組織性能的研究就是一例.例如，鄭麗靜等人通過(guò)等徑角擠壓（ECAP）工藝，將純鋁的平均晶粒尺寸細(xì)化到600 nm以下，強(qiáng)度達(dá)到163.1 MPa，增加到原來(lái)的2.5倍［1-2］.上官豐收等人利用高壓扭轉(zhuǎn)（HPT）法，對(duì)純銅進(jìn)行研究，將純銅從原始晶粒尺寸13.24 μm細(xì)化到0.27 μm［3］.其他工藝?yán)缋鄯e軋制（ARB）［4-5］，多向鍛造（MF）［6-7］對(duì)強(qiáng)烈塑性變形與金屬組織演變關(guān)系進(jìn)行了深入的研究，結(jié)果顯示多彎曲后，熱軋帶材的表面晶粒取得了很大的進(jìn)展.最近也有人用熱軋后多彎曲的方法然對(duì)鐵素體進(jìn)行研究，變形后鐵素體最小晶

粒尺寸達(dá)到1.4 μm［8］，國(guó)內(nèi)外對(duì)利用塑性彎曲變形工藝改善金屬材料組織性能的研究卻比較少.本文提出的塑性彎曲變形對(duì)金屬組織性能影響的研究，不僅拓寬了傳統(tǒng)塑性加工技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，使傳統(tǒng)金屬材料的性能得以較大幅度的提高，而且還為提升金屬材料的使用效率提供了更廣闊的空間.同時(shí)利用塑性彎曲變形改善金屬材料的組織與性能也在一定程度上減緩上述SPD工藝的復(fù)雜性和難以大批量生產(chǎn)的不足，以進(jìn)一步降低生產(chǎn)加工成本和實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn).本文以H85黃銅板材為對(duì)象，采用MARC有限元分析軟件等計(jì)算不同彎曲半徑與板厚之比（r/h）對(duì)金屬材料內(nèi)部累積應(yīng)變的影響，同時(shí)結(jié)合金相組織分析和顯微硬度測(cè)定，進(jìn)一步確定其內(nèi)部晶粒尺寸的變化規(guī)律和對(duì)性能的影響等.

1　試　驗(yàn)

1．1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了分析金屬板材反復(fù)塑性彎曲變形、不同徑厚比r/h等對(duì)板材內(nèi)部累積應(yīng)變的影響，以進(jìn)一步確定金屬板材的組織與性能的變化規(guī)律.特設(shè)計(jì)了如圖1所示的金屬板材反復(fù)塑性彎曲變形試驗(yàn)方案.試樣在特定的模具中，進(jìn)行“彎曲—壓平—反向彎曲—再壓平”為一個(gè)工作周期（簡(jiǎn)稱：1T），由此重復(fù)這一反復(fù)塑性彎曲過(guò)程，即：2T、3T、4T……，由此評(píng)價(jià)金屬板材在其反復(fù)塑性彎曲過(guò)程中的應(yīng)變累積效應(yīng).

根據(jù)圖1所示的試驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)制作了不同彎曲曲率半徑的組合模具，如圖2所示.在此模具上實(shí)現(xiàn)不同徑厚比（r/h）的反復(fù)塑性彎曲變形試驗(yàn).加載彎曲試驗(yàn)在30噸壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.

圖2　金屬板材反復(fù)彎曲變形試驗(yàn)的模具和彎曲試驗(yàn)

1．2試驗(yàn)材料

試驗(yàn)的材料是：H85黃銅，其化學(xué)成分為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）：Cu84-86，F(xiàn)e≤0.5，Pb≤0.03，Ni≤0.3，雜質(zhì)總和≤0.1，余量為Zn.試樣尺寸為：100 mm× 25 mm×4 mm的板材，試樣為完全退化狀態(tài).

1．3金屬板材反復(fù)塑性彎曲變形累積應(yīng)變量計(jì)算

根據(jù)金屬板材塑性彎曲變形過(guò)程中的幾何尺寸變化，計(jì)算其累積應(yīng)變量.如圖3所示，假定金屬板材塑性彎曲變形過(guò)程中，沿厚度方向的中性面幾何長(zhǎng)度不變，而其內(nèi)外側(cè)發(fā)生塑性壓縮或延伸變形.依據(jù)塑性變形疊加效應(yīng)，確定其內(nèi)部的塑性累積變形量.根據(jù)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案，試樣工件的一個(gè)周期彎曲變形，即經(jīng)過(guò)“平直—彎曲—壓平—反向彎曲—再壓平”，其累積真應(yīng)變量為：

圖3　金屬板材彎曲變形示意圖

設(shè)試樣工件原長(zhǎng)（即中性面長(zhǎng)度）：l0= α（r+h/2）

試樣工件上表面受延伸變形后長(zhǎng)度為：l1= α（r+h）

試樣工件下表面受壓縮變形后長(zhǎng)度為：l2=αr其中：r為金屬板材試樣的彎曲曲率半徑、h為金屬板材試樣的厚度.

以上表面為例，工件由平直到彎曲的真應(yīng)變?yōu)?/p>

又由彎曲到平直的真應(yīng)變?yōu)?/p>

反向彎曲變形的真應(yīng)變?yōu)?/p>

再次由彎曲展平的真應(yīng)變?yōu)?/p>

由（1）～（4）可得到一個(gè)彎曲變形周期的工件上表面累積真應(yīng)變?yōu)?/p>

因此，n個(gè)周期彎曲變形后，工件上表面的累積真應(yīng)變?yōu)?/p>

同樣推導(dǎo)，距離中性面x距離的累積真應(yīng)變?yōu)?/p>

式中：x=0～h/2，即x=0試樣中性面處，x=h/2為試樣上下表面.

根據(jù)上述推導(dǎo)的金屬板材在塑性彎曲變形過(guò)程中，其內(nèi)部的累積真應(yīng)變計(jì)算，如圖4所示.

圖4　不同徑厚比r/h試樣反復(fù)彎曲1～10個(gè)周期的累積真應(yīng)變分布

由圖4所示的累積真應(yīng)變量計(jì)算可以看出，金屬板材反復(fù)彎曲過(guò)程中，其內(nèi)部累積真應(yīng)變量隨著彎曲周期（n）的增加而線性增大、隨著徑厚比（r/h）的減小而增大、隨著距中性面距離（x/h）的增加而增大.

2　金屬板材彎曲變形有限元模擬計(jì)算

金屬板材彎曲變形是一個(gè)非線性的塑性變形過(guò)程.本文采用MARC有限元分析軟件對(duì)金屬板材彎曲變形過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算.MARC軟件具有的強(qiáng)大接觸計(jì)算能力，豐富的用戶子程序接口以及非線性問(wèn)題求解技術(shù)，使在處理金屬板材塑性彎曲變形這類問(wèn)題時(shí)具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)［8］.

根據(jù)本文設(shè)計(jì)的金屬板材彎曲試驗(yàn)進(jìn)行有限元計(jì)算建模時(shí)，假定其為理想彎曲變形，由于其變形的對(duì)稱性，為了節(jié)省模擬計(jì)算時(shí)間，金屬板材采用二分之一建模，所建的金屬板材彎曲有限元模型如圖5（a）所示.

圖5　金屬板材的有限元模型和網(wǎng)格劃分及變形云圖

彎曲變形所采用的模具為硬質(zhì)合金材料，其強(qiáng)度遠(yuǎn)大于H85黃銅，故在有限元計(jì)算中可以不考慮其變形，視為剛形體.金屬板材塑性彎曲變形過(guò)程中的內(nèi)部應(yīng)變分布模擬計(jì)算如圖5（b）所示.

3　有限元模擬計(jì)算結(jié)果與分析

3．1有限元模擬應(yīng)變分析

在金屬板材的反復(fù)彎曲變形過(guò)程中，板材厚度上的塑性應(yīng)變分布和變化規(guī)律對(duì)金屬材料的組織與性能有著非常重要的影響.本文給出了在兩個(gè)不同彎曲曲率半徑與板厚之比（徑厚比：r/h= 1.5和4），在經(jīng)過(guò)不同周期（1T～5T）的彎曲變形后，金屬板材沿厚度對(duì)稱面上下的等效塑性應(yīng)變分布，如圖6所示.

圖6　金屬板材在不同模具中彎曲變形后總的等效塑性應(yīng)變

由圖6可知，金屬板材在反復(fù)彎曲時(shí)，靠近上下兩表面部位應(yīng)變累積量最大，而工件中心面處，應(yīng)變量最小，但卻不為零.這是由于板材彎曲變形時(shí)，以應(yīng)變中性層為界，外層纖維受延伸變形而導(dǎo)致厚度減薄，內(nèi)層纖維受壓縮變形而導(dǎo)致厚度增加.對(duì)于板料大曲率塑性彎曲過(guò)程中，其中性層向內(nèi)移動(dòng)，其結(jié)果使板料中心面與應(yīng)力中性層不重合，中心面處發(fā)生了少量的塑性變形［10-12］.由圖6也可知在相同的彎曲周期下，隨著徑厚比的減小，等效塑性應(yīng)變累積量增加，這是因?yàn)楫?dāng)經(jīng)厚比減小時(shí)，工件相對(duì)彎曲變形的程度增大，板材塑性變形量增大，因而應(yīng)變量增大.

從有限元分析的結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，金屬板材經(jīng)過(guò)多周期彎曲變形后，其內(nèi)部的累積應(yīng)變量是成倍增加，其分布規(guī)律這與式（6）和式（7）的計(jì)算結(jié)果基本一致，其數(shù)值上的誤差是由于式（6）和式（7）的計(jì)算式推導(dǎo)中，假定金屬板材的中性面幾何長(zhǎng)度不變引起.

3．2金屬板材彎曲變形后金相組織實(shí)驗(yàn)分析

為了進(jìn)一步分析H85黃銅板材經(jīng)過(guò)反復(fù)塑性彎曲變形后，其內(nèi)部累積應(yīng)變對(duì)金屬組織影響的效應(yīng).沿試樣厚度方向不同位置取樣（如圖7所示，為取樣位置），進(jìn)行金相組織觀察分析.

圖7　沿試樣厚度方向取樣的位置

所取的金相試樣為：彎曲變形前的完全退火處理試樣、徑厚比r/h=1.5的彎曲變形3個(gè)周期試樣、徑厚比r/h=4的彎曲變形5個(gè)周期試樣，試樣的金相顯微組織如圖8所示.從圖8（a）可以看出，退火料的晶粒多為等軸狀，平均晶粒尺寸約為60 μm.圖8（b）和圖8（d）分別為r/h=1.5，3個(gè)周期彎曲變形和r/h=4，5個(gè)周期彎曲變形后中性面處金相組織，晶粒發(fā)生一定的細(xì)化破碎和細(xì)化，平均晶粒尺寸約為50 μm.這也反映了前所分析的彎曲過(guò)程中試樣中性面部位有少量塑性變形的結(jié)論.圖8（c）為r/h=1.5，3個(gè)周期彎曲變形的邊部取樣金相圖，晶粒細(xì)化破碎較大，部分晶粒尺寸小于10 μm.圖8（f）為r/h=4，3個(gè)周期彎曲變形的邊部取樣金相圖，晶粒細(xì)化破碎比較大，部分晶粒尺寸小于15 μm.即金屬的晶粒破碎程度隨著徑厚比（r/h）的減小而增加.圖8（e）、（f）和（g）分別為r/h=4，經(jīng)過(guò)1個(gè)周期，3個(gè)周期和5個(gè)周期彎曲變形的邊部組織金相圖，平均晶粒尺寸分別約為50，30和20 μm.即金屬的晶粒破碎程度隨著變形周期的增加而增加.

圖8　H85黃銅退火后板材和經(jīng)過(guò)不同周期彎曲變形后試樣的金相組織．

3．3金屬板材塑性彎曲變形后的顯微硬度試驗(yàn)分析

在試樣徑厚比r/h=1.5和4，并經(jīng)過(guò)不同周期彎曲變形后，金屬板材試樣的內(nèi)部晶粒尺寸發(fā)生變化，同時(shí)用MH-5顯微硬度計(jì)測(cè)定其顯微硬度沿金屬板材厚度，從中心部位到邊部也相應(yīng)發(fā)生了變化.如圖9所示，為金屬板材內(nèi)部顯微硬度沿厚度的變化情況.

H85黃銅板材退火后的平均硬度為86.3 HV，經(jīng)過(guò)徑厚比r/h=1.5，進(jìn)行1T，2T，3T彎曲變形后，金屬板材邊部硬度最大值分別為153.9 HV，168.6 HV，187.3 HV，分別增加了117.0%，95.4%，78.3%.經(jīng)過(guò)徑厚比r/h=4，彎曲變形之后，金屬板材邊部處硬度也都有很大的提高，經(jīng)過(guò)五個(gè)周期彎曲變形后，最大硬度增加81.5%，如表1所示.

H85黃銅板料顯微硬度的變化，反映了工件在變形之后其內(nèi)部應(yīng)變的累積效應(yīng).在距離中性面較遠(yuǎn)的邊部處（x/h比較大的部位），由于其累積應(yīng)變比較大，導(dǎo)致其位錯(cuò)密度增加，位錯(cuò)的交互作用也隨之增加，使其顯微硬度提高.對(duì)比圖9（a）和圖9（b）可以發(fā)現(xiàn)，金屬板材在相同的彎曲周期下，隨著徑厚比的增小，顯微硬度均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，這主要是因?yàn)樵谙嗤膹澢芷谙?，隨著徑厚比的減小，板材的累積應(yīng)變量增加，位錯(cuò)密度也隨之增加，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)的相互交割加劇，產(chǎn)生固定割階等障礙，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大，引起變形抗力的增加，由此提高了金屬板材的強(qiáng)度和硬度［13］.

由上圖我們還可以發(fā)現(xiàn)，在反復(fù)塑性彎曲變形過(guò)程中，板料中性面部位顯微硬度也得到提高，并隨著徑厚比（r/h）的減小而增大.這是由于由于中性層的位移14-15］使中間部位也存在一定量的塑性變形所致.

圖9　金屬板材變形前后不同位置的顯微硬度值

表1　金屬板材變形前后邊部顯微硬度值（HV）

4　結(jié)　論

1）金屬板材經(jīng)過(guò)反復(fù)塑性彎曲變形后，可有效提高其內(nèi)部的累計(jì)應(yīng)變量.累積應(yīng)變量隨著彎曲周期（n）的增加而線性增大、隨著徑厚比（r/h）的減小而增大、隨著距中性面距離（x/h）的增加而增大.

2）金屬板材的反復(fù)塑性彎曲變形有限元計(jì)算表明，其內(nèi)部的等效累積應(yīng)變不僅在板料表層存在，而且可以滲透到金屬板料的中心部位.

3）金屬板材的反復(fù)塑性彎曲變形可以有效地破碎和細(xì)化晶粒，其破碎細(xì)化效果隨徑厚比r/h的減小而增加，并由板材的中性面到其邊緣而增強(qiáng).

4）金屬板材的反復(fù)塑性彎曲變形可以有效強(qiáng)化其強(qiáng)度性能指標(biāo)，板材表面的顯微硬度提高了一倍以上，而且其中心層的顯微硬度也提高了20%以上.

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（編輯張積賓）

Research in the influence of plastic bending deformation on microstructure and properties of metal

XIAO Zhuang1，WEI Liqun2，F(xiàn)U Bin2
（1.School of Mechanical Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China；2.School of Materials Science and Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China）

Based on the analysis of influence of severe Plastic deformation on metal microstructure and ProPerties，the changes of internal microstructure and ProPerties of metals after the rePeated bending deformation were further studies in this article.We take H85 brass Plate as the research object，use the Marc finite element analysis software to calculate the effect of different ratio of curvature radius to Plate thickness（r/h）on metal accumulation strain.After that，we further study the changing law of grain size by analyzing microstructure and calculating its microhardness.Results shows that，after rePeating Plastic bending deformation，the cumulative strain increases，the grain size becomes smaller and the metal microhardness increases with the increasing the distance from the neutral layer.And as the diameter to thickness ratio（r/h）decreases，the cumulative effect of the variable is more significant.

Plastic bending deformation；cumulative strain；grain size；finite element analysis；H85 brass

TG1/TG3

A

1005-0299（2016）03-0085-07

10.11951/j.issn.1005-0299.20160315

2015-08-12.

上海市冶金工藝和設(shè)備檢測(cè)專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)資助（上海市科委11DZ2291200）.

肖壯（1989—），男，碩士研究生.

魏立群，E-mail：weiliqun@sit.edu.cn.