金屬數(shù)控漸進(jìn)碾壓晶粒細(xì)化工藝研究

宋旭，肖熙，劉翔宇，楊騫

（中國航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100120）

納米材料擁有許多優(yōu)越的物理和化學(xué)性能，過去幾十年來一直是科學(xué)研究的熱點(diǎn)。表面機(jī)械處理工藝通過在金屬表面反復(fù)施加外載荷，使原始粗晶積累嚴(yán)重塑性變形，隨距金屬表面距離的增加，應(yīng)變量、應(yīng)變速率和應(yīng)變梯度逐漸減小，構(gòu)成梯度分布的微觀結(jié)構(gòu)。金屬經(jīng)過表面機(jī)械處理過后，離表層距離越近，晶粒尺寸越小，呈梯度變化，最小晶粒尺寸可達(dá)納米級，納米梯度結(jié)構(gòu)層厚可達(dá)100μm。

數(shù)控漸進(jìn)碾壓工藝是金屬表面機(jī)械處理新工藝，由數(shù)控漸進(jìn)成形發(fā)展而來的金屬表面機(jī)械處理晶粒細(xì)化工藝，其過程為：將金屬板材固定在漸近成形機(jī)床上，工具壓入金屬表面一定深度，并在既有編制的軌跡控制下運(yùn)動碾壓金屬表面，使其發(fā)生塑性變形，從而實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。

圖1

數(shù)控漸進(jìn)碾壓工藝由數(shù)控漸進(jìn)成形發(fā)展而來的金屬表面機(jī)械處理晶粒細(xì)化工藝，其過程為：將金屬板材固定在漸近成形機(jī)床上，工具壓入金屬表面一定深度，并在既有編制的軌跡控制下運(yùn)動碾壓金屬表面，使其發(fā)生塑性變形，從而實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。數(shù)控漸進(jìn)碾壓設(shè)備為數(shù)控漸進(jìn)成形機(jī)床機(jī)床為臥式結(jié)構(gòu)，成形范圍2m×1m，最大成形力20kN。在成形工具上安裝三向力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測和記錄實(shí)驗(yàn)過程中的力。數(shù)控漸進(jìn)碾壓實(shí)驗(yàn)?zāi)＞邽槠桨灏疾勰＞?，材料?5鋼，經(jīng)工作臺與機(jī)床成形平臺相連。數(shù)控漸進(jìn)碾壓工藝參數(shù)為工具移動速率、每道次下壓量、工具直徑、行間距、碾壓道次。

實(shí)驗(yàn)通過不同數(shù)控漸進(jìn)碾壓工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)，研究了工藝參數(shù)對純銅微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，主要結(jié)論如下：

純銅數(shù)控漸進(jìn)碾壓后晶粒細(xì)化，形成了梯度結(jié)構(gòu)，芯部為粗晶而且晶粒尺寸隨距表面距離的減小而減小，最小晶粒尺寸＜8μm。數(shù)控漸進(jìn)碾壓行間距越小，道次越多，每道次壓下量越小，工具直徑越小，純銅晶粒細(xì)化程度越高。數(shù)控漸進(jìn)碾壓工藝參數(shù)對晶粒細(xì)化促進(jìn)作用從高到低排序依次為：行間距、道次、工具直徑、每道次壓下量、工具移動速率。

純銅數(shù)控漸進(jìn)碾壓后硬度提高，芯部硬度為80Hv，與原始純銅相當(dāng)。同時(shí)硬度隨距表面距離的減小而增大，最大硬度197.8Hv，是原始純銅的近2.4倍。數(shù)控漸進(jìn)碾壓行間距越小，道次越多，每道次壓下量越小，純銅硬度提升越大。數(shù)控漸進(jìn)碾壓工藝參數(shù)對純銅硬度提高的作用從高到低依次為道次、行間距、工具直徑、每道次壓下量、工具移動速率。

純銅數(shù)控漸進(jìn)碾壓后明顯硬化層(硬度大于120Hv的層)平均厚度為180μm，最大厚度為320μm，為試樣厚度16%。數(shù)控漸進(jìn)碾壓工藝參數(shù)對純銅明顯硬化層的影響從高到低依次為每道次壓下量、工具直徑、行間距、道次、工具移動速率。

純銅數(shù)控漸進(jìn)碾壓后在強(qiáng)度提升的同時(shí)，能夠保持一定的塑性。屈服強(qiáng)度提升明顯，最大值為164.25MPa，是原始純銅近3.7倍；抗拉強(qiáng)度提升較小，最大值為235.24MPa，提高6.3%；均勻延伸率和斷裂延伸率下降在6.1%～25.1%。數(shù)控漸進(jìn)碾壓行間距越小，道次越多，每道次壓下量越小，純銅屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度越高，均勻延伸率和斷裂延伸率越小。對數(shù)控漸進(jìn)碾壓純銅強(qiáng)度提升作用由高到低的工藝參數(shù),依次為每道次壓下量、道次、行間距、工具直徑、工具移動速率，每道次壓下量對數(shù)控漸進(jìn)碾壓純銅屈服強(qiáng)度提升貢獻(xiàn)突出。

純銅再結(jié)晶退火后仍存在各向異性，r=0.830。數(shù)控漸進(jìn)碾壓r值增大，各向異性更加明顯。隨著工具軌跡和軋制方向角度由0增大到90°，數(shù)控漸進(jìn)碾壓后純銅屈服強(qiáng)度逐漸減小，抗拉強(qiáng)度先增大后減小，在45°時(shí)最大，均勻延伸率變化規(guī)律與抗拉強(qiáng)度相反。

同步軌跡相比異步軌跡，數(shù)控漸進(jìn)碾壓后純銅晶粒細(xì)化程度和強(qiáng)度更高。溫度的下降有效抑制了數(shù)控漸進(jìn)碾壓過程純銅的回復(fù)和再結(jié)晶，低溫下純銅數(shù)控漸進(jìn)碾壓后表層晶粒尺寸約0.95μm，室溫為1.46μm。低溫下純銅數(shù)控漸進(jìn)碾壓后超細(xì)晶層較厚，為44μm，而室溫為7μm。

低溫下純銅數(shù)控漸進(jìn)碾壓后表層硬度較室溫下高2.9Hv，明顯硬化層厚16μm。純銅低溫?cái)?shù)控漸進(jìn)碾壓后屈服強(qiáng)度較室溫高7.2MPa，但均勻延伸率比室溫下低0.96%。這與微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相一致，純銅低溫?cái)?shù)控漸進(jìn)碾壓后表層晶粒較小，因此強(qiáng)度較高，但室溫下純銅數(shù)控漸進(jìn)碾壓后晶粒尺寸梯度變化較小，但變形層跨度較大，因而具有較好的塑性。

為輔助和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)研究，對數(shù)控漸進(jìn)碾壓過程進(jìn)行有限元仿真。數(shù)控漸進(jìn)碾壓過程中，純銅發(fā)生了劇烈塑性變形，引發(fā)位錯(cuò)等機(jī)制從而使晶粒細(xì)化。因此，對數(shù)控漸進(jìn)碾壓純銅過程應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)等的研究有助于直觀了解數(shù)控漸進(jìn)碾壓過程純銅板料的變化，深入掌握不同工藝參數(shù)對數(shù)控漸進(jìn)碾壓純銅過程的影響。通過對數(shù)控漸進(jìn)碾壓純銅過程的有限元仿真，研究了數(shù)控漸進(jìn)碾壓純銅過程應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的變化，比較了工藝參數(shù)對數(shù)控漸進(jìn)碾壓純銅過程的影響，并基于位錯(cuò)密度理論分析了數(shù)控漸進(jìn)碾壓純銅過程晶粒細(xì)化程度。對數(shù)控漸進(jìn)碾壓過程的仿真研究，可以指導(dǎo)數(shù)控漸進(jìn)碾壓工藝的開展。

數(shù)控漸進(jìn)碾壓純銅有限元仿真在ABAQUS/Explicit中進(jìn)行，為提高計(jì)算效率，采用簡化模型。板料尺寸為20mm×5mm×2mm，模具與工具為解析剛體，模具尺寸略大于板料，板料x方向兩側(cè)面和模具固定不動。工具軌跡方向與板料軋制方向角度為90°，不同道次工具軌跡疊加方式為同步軌跡，每道次壓下量0.05mm，道次為4，行間距0.3mm，工具直徑8mm，工具移動速率3000mm/min，每道次工具在板料中部沿y方向碾壓10個(gè)來回。工具軌跡采用Tabular幅值曲線速度控制，板料與模具和工具間接觸采用罰函數(shù)算法，摩擦系數(shù)0.19。

應(yīng)變速率＞0.1s-1時(shí)，需要使用對應(yīng)應(yīng)變速率下的本構(gòu)模型。金屬表面機(jī)械碾壓引起了劇烈塑性變形，誘導(dǎo)產(chǎn)生了高應(yīng)變速率的力學(xué)響應(yīng)，因此，數(shù)控漸進(jìn)碾壓也會產(chǎn)生較高的應(yīng)變速率，使材料的屈服強(qiáng)化等性能發(fā)生變化，選用Johnson-Cook(J-C)模型，廣泛在工程應(yīng)用領(lǐng)域用于高應(yīng)變速率下的材料本構(gòu)模擬仿真。

數(shù)控漸進(jìn)碾壓純銅網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方法，單元類型為C3D8完全積分單元，該單元可以分析大塑性變形，同時(shí)避免板料表面單元的扭曲。不同網(wǎng)格尺寸會對計(jì)算精度產(chǎn)生影響，同時(shí)也影響著計(jì)算效率，需要綜合考慮精度和效率的關(guān)系做出選擇。所采用的有限元網(wǎng)格離散化參數(shù)為：x=y=0.3mm，z=0.4mm。

采用質(zhì)量放大方式可以有效加快純銅數(shù)控漸進(jìn)碾壓有限元仿真的計(jì)算效率，但需控制其動態(tài)效應(yīng)以保證計(jì)算精度。選擇質(zhì)量放大系數(shù)為1000。數(shù)控漸進(jìn)碾壓純銅有限元仿真模型采用雙精度與4核計(jì)算，計(jì)算時(shí)間為9.5h。對其結(jié)果分析如下。

應(yīng)力分析：工具壓下0.05mm后，應(yīng)力隨距工具頂點(diǎn)距離的增加而逐漸遞減，等應(yīng)力線呈球狀分布。最大應(yīng)力值約211MPa，1mm遠(yuǎn)處衰減至70MPa，之后衰減趨緩。工具壓下后，產(chǎn)生塑性變形的區(qū)域半徑約0.7mm，最大等效塑性應(yīng)變約6.2x10-2。純銅經(jīng)不同道次數(shù)控漸進(jìn)碾壓和回彈后，隨著碾壓道次的增多，應(yīng)力逐漸增大，四道次碾壓后表面應(yīng)力達(dá)510MPa。同時(shí)，隨距表面距離的增加而急劇減小，距表面0.8mm后穩(wěn)定在約60MPa?；貜椇?，表面殘余應(yīng)力約162MPa。

應(yīng)變分析：純銅經(jīng)不同道次數(shù)控漸進(jìn)碾壓后，隨著數(shù)控漸進(jìn)碾壓道次的增加，最大等效塑性應(yīng)變由0.4增加至1.5。變形區(qū)厚度約0.6mm，為板料厚度30%。數(shù)控漸進(jìn)碾壓后，工具壓下行進(jìn)過程中，碾壓區(qū)域x方向兩側(cè)材料被推向兩邊，左側(cè)最大位移0.04mm，右側(cè)最大位移0.07mm。碾壓區(qū)域左側(cè)材料位移主要是由于工具第一次與板料接觸后，行進(jìn)過程中將材料推向兩邊造成的，后續(xù)數(shù)控漸進(jìn)碾壓時(shí)位移量較?。欢覀?cè)經(jīng)每道次不斷數(shù)控漸進(jìn)碾壓，材料逐漸被推開，因此，碾壓區(qū)域兩側(cè)材料向右側(cè)移動量較大。同時(shí)，材料也被工具帶動沿y方向移動，最大移動距離0.13mm，出現(xiàn)在+y方向板料一側(cè)，這是因?yàn)楣ぞ咴诘谝坏来涡羞M(jìn)第一行時(shí)，板料還未發(fā)生變形，因此，所帶動材料體積較大，最終y向位移增大。以碾壓區(qū)域中部來看，材料沿+y和-y位移量基本一致。數(shù)控漸進(jìn)碾壓在板料表面形成了凹坑，最大深度約0.08mm，x方向?qū)挾燃s3mm，回彈后凹坑仍保持其形狀和尺寸。

工具直徑對數(shù)控漸進(jìn)碾壓純銅影響的有限元仿真研究與前述模型一致，只增大工具直徑至10mm和12mm。隨著工具直徑的增大，工具壓下后最大應(yīng)力和最大等效應(yīng)變逐漸減小。工具直徑10mm和12mm時(shí)，較工具直徑8 mm時(shí)純銅最大應(yīng)力分別減小9%和12%，最大塑性應(yīng)變分別減小15%和21%。工具直徑10mm和12mm時(shí)，較工具直徑8mm時(shí)純銅表面中心點(diǎn)殘余應(yīng)力分別減小6%和5%。隨著數(shù)控漸進(jìn)碾壓道次的增加，最大等效塑性應(yīng)變逐漸增大。最終純銅最大等效塑性應(yīng)變隨工具直徑的增大而減小，工具直徑10mm和12mm時(shí)，較工具直徑8mm時(shí)分別減小21%和34%。隨著工具直徑的增加，純銅材料在x,y方向的位移均逐漸減小。數(shù)控漸進(jìn)碾壓在板料表面形成了凹坑，工具直徑8mm、10mm和12mm時(shí)凹坑深度分別約0.08mm、0.04mm和0.05mm，凹坑x方向?qū)挾认嘟?，約4mm。隨著工具直徑的增大，被碾壓表面中點(diǎn)平均等效應(yīng)變速率逐漸減小，工具直徑10mm和12mm時(shí)，較工具直徑8mm時(shí)平均等效應(yīng)變分別減小6%和27%。晶粒尺寸與等效應(yīng)變速率呈正相關(guān)，因此，隨著工具直徑的增大，晶粒細(xì)化程度逐漸降低。

本文通過對數(shù)控漸進(jìn)碾壓純銅的有限元仿真建模和分析，研究了數(shù)控漸進(jìn)碾壓純銅變形過程及不同工具直徑對數(shù)控漸進(jìn)碾壓純銅的影響，得出以下結(jié)論：

通過對本構(gòu)模型、網(wǎng)格尺寸和質(zhì)量放大系數(shù)的選取等過程，建立了數(shù)控漸進(jìn)碾壓純銅有限元仿真模型，并驗(yàn)證了其有效性。

有限元仿真證明，數(shù)控漸進(jìn)碾壓工具壓下后，純銅應(yīng)力應(yīng)變隨距工具頂點(diǎn)距離的增加而逐漸衰減；被碾壓表面殘余應(yīng)力隨碾壓道次的增加而逐漸增大，工具直徑8mm時(shí)回彈后表面中點(diǎn)殘余應(yīng)力162MPa；等效塑性應(yīng)變隨碾壓到此的增加而逐漸增大，工具直徑8mm時(shí)最終等效應(yīng)變約1.5；數(shù)控漸進(jìn)碾壓過程中，材料會被工具推向碾壓范圍以外，最終在板料表面留下凹坑，其尺寸約5mm×4mm×0.8mm。

隨著數(shù)控漸進(jìn)碾壓工具直徑的增大，工具壓下后最大應(yīng)力和最大等效應(yīng)變逐漸減小，碾壓結(jié)束并回彈后殘余應(yīng)力減小，最大等效塑性應(yīng)變逐漸減小，材料流動逐漸減小，最終凹坑深度減小，晶粒細(xì)化程度逐漸減小。