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

大塑性變形（Severe Plastic Deformation，SPD）是使材料產(chǎn)生劇烈塑性變形以達(dá)到強(qiáng)烈細(xì)化晶粒效果的一種塑性加工手段，可直接將材料內(nèi)部組織細(xì)化到亞微米乃至納米級，已被國際材料學(xué)界公認(rèn)為是制備塊體納米和超細(xì)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(jì)90年代提出，其變形實質(zhì)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(nèi)部形成取向各異、相互交錯的變形帶和微剪切帶，連續(xù)破碎晶粒，達(dá)到細(xì)化晶粒、改善性能的效果。多向壓縮工藝已經(jīng)在鈦合金、鋁合金、鎂合金、復(fù)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(xué)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(xiàn)有的工業(yè)裝備即可制備大塊致密材料，還能有效弱化變形織構(gòu)影響，在產(chǎn)業(yè)化推廣、應(yīng)用方面優(yōu)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(jī)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(yè)生產(chǎn)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(yīng)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(fā)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(dá)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(zhuǎn)試樣反復(fù)壓縮，每道次壓縮保持固定變形量，直到達(dá)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(nèi)，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(nèi)成形。三種成形方式主要區(qū)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(cè)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(cè)面，閉式壓縮變形時則限制了全部的四個側(cè)面。

圖2 三種壓縮變形方式

1.2 實驗參數(shù)

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(jìn)行9道次壓縮。模擬采用剛塑性有限元法模型，網(wǎng)格劃分采取四面體單元類型，試樣單元總數(shù)設(shè)定為8000單元，在運行中利用自動重劃分技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格自適應(yīng)劃分。壓縮溫度設(shè)定為20℃。采用剪切摩擦模型，試樣兩端接觸摩擦系數(shù)分別設(shè)定為0.12。

2 結(jié)果及分析

2.1 試樣形態(tài)

圖3所示為三種壓縮方式經(jīng)9道次壓縮形變后試樣的最終形態(tài)。由圖可知，自由壓縮后試樣發(fā)生了明顯的畸變，半閉式壓縮試樣比較規(guī)整，閉式壓縮試樣最規(guī)整，這與物理實驗結(jié)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(chǎn)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(fā)生更不均勻的變形。根據(jù)實驗結(jié)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(fā)生較明顯的畸變。因此如果采用自由壓縮應(yīng)在第5道次壓縮后進(jìn)行一次校正。

圖3 壓縮模擬結(jié)果

圖4 自由壓縮

2.2 應(yīng)變場分布

圖5 應(yīng)變分布圖

圖5為9道次壓縮變形結(jié)束時的應(yīng)變分布圖，圖中為能夠反映試樣內(nèi)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(nèi)部等效應(yīng)變分布規(guī)律明顯不同于其他兩種方式，在一對對角方向出現(xiàn)了高等效應(yīng)變區(qū)，且在對角邊上達(dá)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(guī)矩，不存在自由壓縮變形對角大變形帶，等效應(yīng)變分布規(guī)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(cè)面形成鼓形接觸模具受約束后發(fā)生二次變形，閉式壓縮為四個側(cè)面接觸，而半閉式只有兩個側(cè)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(qū)別。半閉式壓縮、閉式壓縮時，在試樣內(nèi)部越靠近試樣中心應(yīng)變值越高，形成了呈環(huán)狀分布的等效應(yīng)變特征。

為了進(jìn)一步了解壓縮后坯料內(nèi)部等效應(yīng)變的分布，在9道次壓縮變形結(jié)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(yīng)變，測量結(jié)果如表1所示。

表1 多向壓縮點陣應(yīng)變數(shù)據(jù)

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

等效應(yīng)變不均勻程度系數(shù)由下式求得：

由變形不均勻程度系數(shù)公式（2）可以看出，系數(shù)α值越大，變形越不均勻。

由表1數(shù)據(jù)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(xiàn)在自由壓縮方式，達(dá)到了5.028，變形程度最小值也出現(xiàn)在自由壓縮方式為2.468，如此大的變形量對制造超細(xì)晶是非常有利的。三種變形方式中最大等效應(yīng)變排序為自由壓縮＞閉式壓縮＞半閉式壓縮，最小等效應(yīng)變排序為閉式壓縮＞半閉式壓縮＞自由壓縮，等效應(yīng)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(yīng)變不均勻程度系數(shù)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(jìn)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(jié)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(jié)論：

（1）多向壓縮可以有效獲得高的累積等效應(yīng)變，三種壓縮形式獲得累積應(yīng)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(guī)整情況取決于其變形約束條件，閉式壓縮時試樣側(cè)面四個面均被模具限制，所以形狀最規(guī)整，而自由壓縮形狀產(chǎn)生明顯畸變。

（3）壓縮變形存在變形不均勻現(xiàn)象，多向壓縮變形也不可避免，半閉式壓縮不均勻性系數(shù)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。