擠壓道次對(duì)2024鋁合金ECAP變形的影響

洪浩洋　杜向陽　何濤　東星倩　高建燁

摘要：以2024鋁合金為研究對(duì)象，采用Deform＼|3D有限元軟件對(duì)試件進(jìn)行數(shù)值模擬和A路徑8道次ECAP實(shí)驗(yàn)，研究在不同擠壓道次下試件變形過程中金屬流動(dòng)性、擠壓載荷和等效應(yīng)變的變化情況.結(jié)果表明：試件的頭部和尾部區(qū)域金屬流動(dòng)網(wǎng)格呈現(xiàn)彎曲變形，中部區(qū)域呈現(xiàn)純剪切變形，且隨道次的增加變形程度顯著增強(qiáng);擠壓載荷隨擠壓道次的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，其變化受試件強(qiáng)度影響;試件等效應(yīng)變值的大小與擠壓道次成正比關(guān)系，且等效應(yīng)變值從試件靠近內(nèi)轉(zhuǎn)角區(qū)域出現(xiàn)由大到小的層狀分布，3道次后出現(xiàn)應(yīng)變分布均勻性下降的趨勢(shì).

Abstract：Taking2024aluminumalloyastheresearchobject，Deform＼|3Dfiniteelementsoftwarewasusedtoconductnumericalsimulationofthespecimenand8＼|passECAPexperimentofpathA，andthechangesofmetalfluidity，extrusionloadandequivalentstraininthedeformationprocessofthespecimenunderdifferentextrusionpasseswerestudied.Theresultsshowedthatthemetalflowmeshintheheadandtailregionofthespecimenpresentedbendingdeformation，whilethecentralregionpresentedpuresheardeformationandthedeformationdegreeincreasedsignificantlywiththepasses.Theextrusionloadincreasedfirstandthendecreasedwiththeincreaseoftheextrusionpass，whichwasaffectedbythestrengthofthespecimen.Thesizeoftheequivalentstrainvalueofthespecimenwasproportionaltothenumberofextrusionpasses，andtheequivalentstrainvaluewasdistributedinlayersfromlargetosmallfromtheareaneartheinnercornerofthespecimen，andtheuniformityofstraindistributiondecreasedafter3＼|pass.

關(guān)鍵詞：等通道轉(zhuǎn)角擠壓;擠壓道次;金屬流動(dòng)性;高強(qiáng)度鋁合金;有限元

Keywords：equalchannelangularpressing（ECAP）;extrusionpass;metalfluidity;highstrengthaluminumalloys;finiteelement

0引言

高強(qiáng)度鋁合金因質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、不易腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用在汽車、船舶、航空航天、能源裝備等領(lǐng)域[1-2].其中，2XXX系鋁合金由于其優(yōu)異的加工和力學(xué)性能，一直是航空航天裝備制造的重要材料.隨著我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)高強(qiáng)度鋁合金的需求日益增大.在高強(qiáng)度鋁合金加工工藝中，等通道轉(zhuǎn)角擠壓ECAP（equalchannelangularpressing）可在不改變材料外形的情況下，極大地細(xì)化材料晶粒尺寸，顯著提高材料的強(qiáng)度和硬度，故該加工工藝具有重要的研究意義[3-8].

相較于其他大塑性變形技術(shù)，ECAP的主要特點(diǎn)是其等效應(yīng)變值可以隨著擠壓道次的增加而不斷累積.此前，國(guó)內(nèi)外業(yè)內(nèi)學(xué)者對(duì)ECAP擠壓道次、材料微觀組織、宏觀力學(xué)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行了大量研究.劉騰等[9]通過對(duì)雙相鎂合金進(jìn)行多道次擠壓后發(fā)現(xiàn)，α相在1道次時(shí)，變形方式為孿生，后續(xù)道次為位錯(cuò)滑移，而β相在各道次均為位錯(cuò)滑移.M.Kawasaki等[10]通過對(duì)99.99%高純度鋁合金進(jìn)行12道次擠壓后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)1—4道次擠壓后，鋁合金的微觀組織從細(xì)長(zhǎng)亞晶粒向等軸晶演變，經(jīng)4—12道次擠壓后，鋁合金的平均晶粒尺寸無明顯變化.劉英等[11]對(duì)AZ31鎂合金進(jìn)行12道次擠壓后發(fā)現(xiàn)，隨著擠壓道次的增加，其晶粒不斷細(xì)化，伸長(zhǎng)率也不斷增加，但抗拉強(qiáng)度先增大后減小.汪建敏等[12]對(duì)純銅進(jìn)行10道次ECAP后發(fā)現(xiàn)，晶粒會(huì)隨著擠壓道次的增加不斷細(xì)化，而硬度值在前幾道次擠壓后就已經(jīng)達(dá)到飽和，后續(xù)道次擠壓的增加對(duì)于硬度的提升沒有意義.而后汪建敏等[13]又發(fā)現(xiàn)，對(duì)于高層錯(cuò)能金屬，只需要4道次擠壓就可以得到均勻的微觀組織，而對(duì)于低層錯(cuò)能金屬，需要8道次擠壓才可以得到理想的微觀組織.郭廷彪等[14]通過對(duì)單晶銅和多晶銅多道次ECAP發(fā)現(xiàn)，其微觀組織會(huì)出現(xiàn)均勻分布的等軸晶、高密度的大角度晶界和晶界上的非平衡組織.然而，現(xiàn)有擠壓道次對(duì)材料ECAP變形行為影響的研究主要集中在微觀組織方面，對(duì)宏觀上金屬流動(dòng)性、應(yīng)變分布等的研究相對(duì)較少.鑒于此，本文擬采用有限元數(shù)值模擬方法，分析擠壓道次對(duì)金屬流動(dòng)性、擠壓載荷、等效應(yīng)變的影響，進(jìn)而通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，以期為ECAP制備工藝的優(yōu)化提供參考.

1有限元數(shù)值模擬方案

有限元數(shù)值模擬可以通過數(shù)值解析的方法來模擬某一過程基本數(shù)值的變化情況，從而獲得對(duì)該過程的定量認(rèn)識(shí).本文采用Deform＼|3D有限元軟件模擬ECAP過程，分析工件在ECAP過程中不同道次的變形情況，以縮短開發(fā)周期、降低成本.在有限元數(shù)值模擬中，設(shè)定工件為塑性體，忽略模具變形，將其設(shè)定為剛性體.采用剪切摩擦模型，將工件與下模、工件與沖頭之間的摩擦系數(shù)設(shè)為0.1.選用內(nèi)角為120°，外角為25°的擠壓通道.沖頭下行擠壓速率為1.3mm/s，擠壓溫度為20℃，每道次設(shè)置350步，每步行程為0.3mm.為提高模擬精度，將初始網(wǎng)格劃分為32000個(gè)四面體單元網(wǎng)格，在數(shù)值模擬過程中，當(dāng)網(wǎng)格畸變干涉為單元邊長(zhǎng)的0.7時(shí)，網(wǎng)格將自動(dòng)重新劃分.2024鋁合金材料模擬參數(shù)為：彈性模量68900MPa，泊松比0.33，熱擴(kuò)散系數(shù)2.2×10-5m2/s，熱傳導(dǎo)率180.195W/（m·K），熱輻射系數(shù)0.7，伯格斯矢量模量2.78×10-9b/m.建立的有限元3D模擬模型如圖1所示.

對(duì)于材料流變應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，采用Deform材料庫(kù)中的關(guān)系曲線進(jìn)行模擬計(jì)算.ECAP過程中的各道次累積等效應(yīng)變值忽略摩其中，εN為累積等效應(yīng)變，Φ為通道內(nèi)模角，Ψ為通道外模角，N為擠壓道次.

2數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1擠壓道次對(duì)金屬流動(dòng)性的影響

以邊長(zhǎng)為2mm的正方形為體單元，對(duì)試件進(jìn)行均勻網(wǎng)格劃分，在ECAP過程中追蹤試件正方形網(wǎng)格變化情況，從而得到試件8道次的金屬流動(dòng)網(wǎng)格，其中，A路徑1—3道次金屬流動(dòng)網(wǎng)格見圖2，用以觀察試件前3道次開始擠壓、擠壓到中間和擠壓結(jié)束時(shí)的金屬流動(dòng)性.圖中，1P代表第1道次，以此類推;試件主要分為3個(gè)變形區(qū)，I區(qū)為試件與沖頭接觸的頭部區(qū)域，Ⅱ區(qū)為試件的中部變形區(qū)域，Ⅲ區(qū)為試件尾區(qū).

由圖2a）可以看出，在第1道次擠壓至中間時(shí)，試件頭部未發(fā)生明顯變形;拐過扇形區(qū)的中部區(qū)域，網(wǎng)格拉長(zhǎng)方向與試件前進(jìn)方向呈現(xiàn)30°拉伸;尾區(qū)的金屬網(wǎng)格出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象.這說明，當(dāng)試件拐過內(nèi)角后，在純剪切力的作用下，發(fā)生了充分的剪切變形，試件尾部呈現(xiàn)彎曲變形現(xiàn)象.通過對(duì)試件網(wǎng)格進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，試件金屬流動(dòng)網(wǎng)格接近通道內(nèi)轉(zhuǎn)角區(qū)域的網(wǎng)格間隙要小于外轉(zhuǎn)角區(qū)域，這說明金屬接近通道內(nèi)轉(zhuǎn)角區(qū)域與外轉(zhuǎn)角區(qū)域的金屬流動(dòng)速度不一致，這也是導(dǎo)致試件頭部上翹的原因之一.

由圖2b）可以看出，在第2道次擠壓過程中，隨著沖頭行程的增加，在摩擦力和試件抵抗塑性變形力的作用下，試件頭部區(qū)域的尖端首先被壓平，呈現(xiàn)出彎曲變形特性.中部變形區(qū)域在經(jīng)過內(nèi)角后的網(wǎng)格與試件前進(jìn)方向依然保持30°傾斜拉伸現(xiàn)象，只是網(wǎng)格更為密集.試件尾區(qū)翹曲角度出現(xiàn)小幅度增長(zhǎng).

由圖2c）可以看出，該道次試件繼承上一個(gè)道次的網(wǎng)格變化特性.試件頭部的彎曲變形網(wǎng)格越來越明顯;中間變形區(qū)的網(wǎng)格分布更加密集;尾部試件上翹角度出現(xiàn)小幅度變化.

4—8道次的網(wǎng)格總體變化趨勢(shì)與第3道次一樣，都是頭部不斷重復(fù)被壓平的過程，應(yīng)變不斷積累;中間變形區(qū)網(wǎng)格間隙越來越小，表明剪切塑性變形影響逐漸加強(qiáng);尾部隨著道次的增加不斷出現(xiàn)小幅度上翹.A路徑ECAP工藝每道次試件取出后，不經(jīng)過旋轉(zhuǎn)直接放入通道進(jìn)行下一道次擠壓，是出現(xiàn)這種規(guī)律的主要原因.

2.2擠壓道次對(duì)擠壓載荷的影響

為考察擠壓載荷大小變化的根本原因，對(duì)擠壓載荷和翹曲角度進(jìn)行聯(lián)合分析.通過分析金屬流動(dòng)性發(fā)現(xiàn)，試件發(fā)生翹曲現(xiàn)象的主要原因是試件內(nèi)外轉(zhuǎn)角處金屬流動(dòng)速度不一致.而影響試件金屬流動(dòng)性的主要因素是試件的強(qiáng)度、表面材料狀態(tài)和試件尾部拐過內(nèi)角發(fā)生翹曲現(xiàn)象后受到的下通道尺寸限制.實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用二硫化鉬潤(rùn)滑試件，模擬中設(shè)置摩擦系數(shù)為0.1，且模具尺寸不隨擠壓道次的變化而改變，所以試件翹曲角度的變化主要受試件強(qiáng)度的制約.當(dāng)試件強(qiáng)度偏高時(shí)，尾部塑性變形抵抗力較大，翹曲角度變化就會(huì)偏小;當(dāng)試件強(qiáng)度偏低時(shí)，尾部塑性變形抵抗力較小，翹曲角度變化就會(huì)偏大.圖3反映的是8道次擠壓的平均載荷與翹曲角度之關(guān)系.由圖3可以看出，翹曲角度在1—2道次大幅度上升，在3道次保持不變，3道次后呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，這說明，在經(jīng)過2，3道次ECAP后試件強(qiáng)度顯著提高，3道次后試件強(qiáng)度會(huì)下降.

在前3道次，平均載荷總體呈上升趨勢(shì)，并在3道次達(dá)到平均載荷峰值37.5kN，4道次后開始出現(xiàn)下降趨勢(shì).平均載荷在2道次上升最為劇烈，8道次下降最為迅速.3道次之前平均載荷與翹曲角度正相關(guān)，3道次后轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)相關(guān).綜合上述分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試件強(qiáng)度增大時(shí)，平均載荷與翹曲角度正相關(guān)，強(qiáng)度減小時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)相關(guān).這種強(qiáng)度隨著道次增加呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，在業(yè)內(nèi)其他學(xué)者的實(shí)驗(yàn)研究中也有類似發(fā)現(xiàn).田佳等[16]在研究ECAP對(duì)7075鋁合金組織與力學(xué)性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)：1道次ECAP后鋁合金的抗拉強(qiáng)度增加較大，第2和3道次趨于平緩，4道次后抗拉強(qiáng)度開始減小.這說明試件在ECAP過程中，隨著擠壓道次的增加，其強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).李嬌等[17]通過研究發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象主要是因?yàn)樵谠嚇訑D壓道次增加后，晶粒進(jìn)一步細(xì)化并產(chǎn)生更多的晶界，具有較高層錯(cuò)能的鋁合金又易導(dǎo)致位錯(cuò)出現(xiàn)交錯(cuò)、滑移、攀移，造成位錯(cuò)堵塞和位錯(cuò)割階進(jìn)而增大試件強(qiáng)度.金屬存在動(dòng)態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶的過程，使得位錯(cuò)逐漸消失.所以當(dāng)位錯(cuò)湮滅量超過位錯(cuò)增殖時(shí)，試件強(qiáng)度開始減小.

綜上所述，擠壓平均載荷與翹曲角度變化的關(guān)系由試件強(qiáng)度決定，3道次前變化關(guān)系為正相關(guān)，3道次后變化關(guān)系為負(fù)相關(guān).試件強(qiáng)度變化造成擠壓平均載荷會(huì)隨著道次的增加出現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì).實(shí)驗(yàn)時(shí)選用A路徑ECAP制備2024鋁合金、擠壓3道次，所得試件強(qiáng)度較好.

2.3擠壓道次對(duì)等效應(yīng)變的影響

ECAP是通過重復(fù)多次擠壓獲得累積等效應(yīng)變而使晶粒細(xì)化的加工工藝.等效應(yīng)變是直接影響晶粒細(xì)化和試件性能的重要參數(shù)，其均勻性影響試件力學(xué)性能和晶粒尺寸分布.等效應(yīng)變均勻性由某一應(yīng)變?cè)谡w應(yīng)變區(qū)域的占比和不同應(yīng)變沿試樣的徑向分布決定.圖4為A路徑8道次擠壓后試件縱向截面的等效應(yīng)變?cè)茍D.

由圖4可以看出，試件內(nèi)轉(zhuǎn)角附近的等效應(yīng)變值偏高，各道次等效應(yīng)變值由內(nèi)轉(zhuǎn)角附近到外轉(zhuǎn)角附近依次遞增，并在2道次后呈現(xiàn)明顯的層狀分布;各道次試件尾部并沒有產(chǎn)生完整剪切變形，造成其等效應(yīng)變一直呈現(xiàn)偏小狀態(tài);各道次試件的頭部同樣未產(chǎn)生剪切變形，但在2道次后呈現(xiàn)出比尾部應(yīng)變大的趨勢(shì)，其主要原因是第1道次后，試件頭部出現(xiàn)的尖端面會(huì)經(jīng)過一次彎曲塑性變形，在此過程中會(huì)積累大量的應(yīng)變.在擠壓過程中，因摩擦力的作用，試件內(nèi)轉(zhuǎn)角區(qū)域會(huì)出現(xiàn)不連通高應(yīng)變區(qū).從整體來看，試件等效應(yīng)變值與擠壓道次成正比.由圖4還可以看出，前3道次試件應(yīng)變徑向分布相對(duì)較少，3道次后試件沿徑向分布的等效應(yīng)變?cè)黾?根據(jù)影響試件應(yīng)變均勻性的原因可得，試件在3道次后等效應(yīng)變均勻性開始下降.

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)選用尺寸10mm×10mm×70mm的2024鋁合金為試件材料.選用內(nèi)角為120°，外角為25°的ECAP模具在室溫下進(jìn)行試件材料A路徑的ECAP實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)前試件表面涂抹二硫化鉬潤(rùn)滑劑，以降低擠壓通道與試件表面的摩擦力，確保試件能順利從通道內(nèi)擠出.ECAP實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖5所示.實(shí)驗(yàn)得到的1，4，8道次試件與模擬所得金屬外形如圖6所示.

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)所得金屬外形圖與模擬所得有限元網(wǎng)格圖的形狀基本一致.這證明了有限元數(shù)值模擬設(shè)計(jì)正確，分析結(jié)果可信.

4結(jié)論

采用Deform＼|3D有限元軟件對(duì)2024鋁合金進(jìn)行數(shù)值模擬與A路徑8道次ECAP實(shí)驗(yàn)研究，分析試件在不同擠壓道次下變形過程中的金屬流動(dòng)性、擠壓載荷和等效應(yīng)變的變化情況，得到以下結(jié)論.

1）試件與沖頭接觸區(qū)域在1道次后呈現(xiàn)彎曲變形的金屬流動(dòng)特性，中部區(qū)域呈現(xiàn)剪切變形金屬流動(dòng)特性，尾部區(qū)域因試件內(nèi)外轉(zhuǎn)角區(qū)域金屬流動(dòng)速度不一致而出現(xiàn)翹曲特性.試件的金屬流動(dòng)性會(huì)隨著擠壓道次的增加出現(xiàn)規(guī)律性變化，其中頭部彎曲變形隨道次增強(qiáng)，中部剪切變形沿剪切帶更加密集，尾部翹曲角度總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì).

2）擠壓載荷隨著擠壓道次出現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì).3道次前強(qiáng)度上升，載荷與翹曲角度正相關(guān);3道次后強(qiáng)度下降，載荷與翹曲角度負(fù)相關(guān).說明擠壓載荷的變化受試件強(qiáng)度的影響.

3）試件等效應(yīng)變值的大小與擠壓道次成正比關(guān)系，且等效應(yīng)變值從試件靠近內(nèi)轉(zhuǎn)角區(qū)域出現(xiàn)由大到小的層狀分布，3道次后出現(xiàn)應(yīng)變分布均勻性下降的趨勢(shì).

本研究的結(jié)論可為ECAP工藝參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)，但由于力學(xué)性能變化是由材料微觀組織演變所導(dǎo)致的，因此建立微觀組織與宏觀力學(xué)性能的模型，用微觀組織演變結(jié)合宏觀力學(xué)性能優(yōu)化ECAP工藝，以獲得組織控制參數(shù)，將是今后的重點(diǎn)研究方向.

參考文獻(xiàn)：

[1]馮美斌.汽車輕量化技術(shù)中新材料的發(fā)展及應(yīng)用[J].汽車工程，2006（3）：213.

[2]楊守杰，戴圣龍.航空鋁合金的發(fā)展回顧與展望[J].材料導(dǎo)報(bào)，2005（2）：76.

[3]劉英，李元元，張大童.金屬材料的等通道轉(zhuǎn)角擠壓研究進(jìn)展[J].材料科學(xué)與工程，2002（4）：613.

[4]SEGALVM.Materialsprocessingbysimpleshear[J].MaterialsScienceandEngineeringA，1995，197（2）：157.

[5]VALIEVRZ，LANGDONTG.Principlesofequal＼|channelangularpressingasaprocessingtoolforgrainrefinement[J].ProgressinMaterialsScience，2006，51（7）：881.

[6]XUC，F(xiàn)URUKAWAM，HORITAZ，etal.Theevolutionofhomogeneityandgrainrefinementduringequal＼|channelangularpressing：AmodelforgrainrefinementinECAP[J].MaterialsScienceandEngineeringA，2005，398（1/2）：66.

[7]楊棟，陳文琳，吳躍.等通道轉(zhuǎn)角擠壓7075鋁合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織晶粒度預(yù)報(bào)與性能分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50（6）：87.

[8]胡麗娟，彭穎紅，張少睿，等.基于位錯(cuò)演化模型納米晶塊體材料晶粒的演變[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2008，15（6）：129.

[9]劉騰，張偉，吳世丁，等.雙相合金Mg＼|8Li＼|1Al的等通道轉(zhuǎn)角擠壓Ⅰ：擠壓過程中的變形方式[J].金屬學(xué)報(bào)，2003（8）：790.

[10]KAWASAKIM，HORITAZ，LANGDONTG.MicrostructuralevolutioninhighpurityaluminumprocessedbyECAP[J].MaterialsScienceandEngineeringA，2009，524（1/2）：143.

[11]劉英，陳維平，張衛(wèi)文，等.等通道轉(zhuǎn)角擠壓后AZ31鎂合金的微觀結(jié)構(gòu)與性能[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004（9）：50.

[12]汪建敏，許曉靜，石鳳健，等.等徑角擠壓獲得超細(xì)晶銅的研究[J].熱加工工藝，2004（7）：6.

[13]汪建敏，周孔亢，陸晉，等.層錯(cuò)能在劇烈剪切變形時(shí)對(duì)晶粒細(xì)化的影響[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44（11）：126.

[14]郭廷彪，丁雨田，胡勇，等.大塑性變形過程中單晶和多晶銅的組織演變及變形機(jī)理研究[J].鑄造技術(shù)，2009，30（9）：1164.

[15]IWAHASHIY，WANGJ，HORITAZ.Principleofequal＼|channelangularpeessingfortheprocessingofultra＼|finegrainedmaterials[J].ScriptaMaterialia，1996，35（2）：143.

[16]田佳，李建平，白亞平，等.等通道擠壓對(duì)7075鋁合金組織與力學(xué)性能的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2016，37（7）：61.

[17]李姣，楊剛.擠壓道次對(duì)航空用工業(yè)純鋁ECAP組織和性能的影響[J].熱加工工藝，2019，48（3）：176.