擠壓-切削制備可控厚度的雙層梯度結(jié)構(gòu)帶材的新工藝及機(jī)理

關(guān)鍵詞：擠壓-切削；可控厚度；雙層梯度結(jié)構(gòu)；梯度超細(xì)晶帶材；機(jī)械性能中圖分類號(hào)：TG376DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2025.04.010 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

New Process and Mechanism of Squeeze-machining for Preparing Bilateral Gradient Structure Sheets with Controllable Thickness

PANG Xueqin1，2 ZHAO Junyu1 DENG Wenjun2 ZENG Yuning2 ZHONG Peixuan2* 1.Faculty of Electrical and Mechanical Engineering，Kunming University of Science and Technology， Kunming，650500 2.School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology， Guangzhou，510641

Abstract ： To address the issues of high strength but low ductility in ultrafine-grained materials，a unique squeeze tool and extrusion channel design was developed. This design enabled the one-step fabrication of ultrafine-grained sheets with a controllable thickness and a bilateral gradient structure through the combined effects of squeeze，friction and cutting. The numerical simulation and experimental methods were combined to analyze the forming processes of bilateral gradient structured pure copper sheets. The mechanism of squeeze-machining machining and the influences of processing parameters on the formations of the bilateral gradient microstructure were explored. The results show that，compared to the original pure copper samples，the maximum hardness of the pure copper sheets prepared using the squeeze-cutting method is increased by approximately threefold. Additionall，the sheets exhibit an excellent strength-ductility synergy： while some ductility is sacrificed， the yield strength nearly is of doubles，and the ultimate tensile strength increases by a factor of four.

Key words： squeeze-machining； controllble thickness； bilateral gradient structure; gradientultra-fine-grained sheet；mechanical property

0 引言

強(qiáng)度-延展性的協(xié)同是金屬材料發(fā)展和應(yīng)用中的一大障礙[1]。近年來，研究人員提出了有希望解決強(qiáng)度和延展性協(xié)同性問題的策略，即異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中梯度結(jié)構(gòu)作為異質(zhì)結(jié)構(gòu)的典型代表，既可有效改善超細(xì)晶/納米晶材料的強(qiáng)度-塑性“倒置\"矛盾，又可使不同特征尺寸的結(jié)構(gòu)相互協(xié)調(diào)，避免結(jié)構(gòu)尺寸突變引起的性能突變，使材料使役行為和整體性能得到優(yōu)化提高[2]。目前，制備梯度結(jié)構(gòu)材料的工藝主要有電化學(xué)沉積以及大塑性變形方法。

電化學(xué)沉積可通過改變?cè)噭舛?、流壓密度、催化?qiáng)度等，誘導(dǎo)基材產(chǎn)生梯度結(jié)構(gòu)[3]，但沉積的控制過程可控性差且往往存在不確定性，易使梯度結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力及偏析雜質(zhì)，影響材料性能的穩(wěn)定[4]。另外，電化學(xué)沉積的過程中還會(huì)產(chǎn)生大量有毒廢液，這與當(dāng)下強(qiáng)調(diào)的綠色發(fā)展理念相悖，因此電化學(xué)沉積法在實(shí)際應(yīng)用中并不廣泛。

大塑性變形法制備梯度結(jié)構(gòu)的主要工藝有表面機(jī)械碾壓[5]、表面機(jī)械研磨[6、表面機(jī)械滾壓[7]、滑動(dòng)摩擦[8]、噴丸[9]等。WU等[10]通過表面機(jī)械滾壓工藝在商業(yè)純鈦上制備了梯度納米結(jié)構(gòu)層，相比于粗晶試樣，其強(qiáng)度提高1.8倍后延展性只下降了 22% 。CHENG等[11]通過調(diào)整表面機(jī)械研磨時(shí)間來制備梯度結(jié)構(gòu)的純銅，其屈服強(qiáng)度可達(dá)粗晶純銅的2.3倍。ZHANG等[12]通過超聲噴丸的方法制備了新型軸承鋼材料的梯度結(jié)構(gòu)超細(xì)晶，相比于粗晶，雖然其抗磨損性大幅提高卻也犧牲了部分韌性。

目前主流的大塑性變形方法制備的超細(xì)晶材料具有強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，但是同時(shí)其塑性差的缺點(diǎn)也較為凸顯。梯度結(jié)構(gòu)的存在可以提高超細(xì)晶材料的塑性，但表面機(jī)械變形的深度往往會(huì)受到限制，使得梯度結(jié)構(gòu)的分布層較淺，通常僅有數(shù)十至百微米的范圍，極少實(shí)現(xiàn)大厚度下（大于 1mm ）的全尺寸（尺寸范圍內(nèi)的全部區(qū)域）梯度結(jié)構(gòu)。此外，如果要制備雙層梯度結(jié)構(gòu)，對(duì)于上述不同種類的大塑性變形工藝則需要在調(diào)轉(zhuǎn)工件位置后繼續(xù)重復(fù)多道次或多工步的工藝，這無疑將嚴(yán)重降低加工效率。

本研究通過設(shè)計(jì)獨(dú)特的擠壓-切削模具，使表層材料在擠壓、切削和摩擦的耦合作用下從工件剝離，形成具有全尺寸條件下的雙層梯度結(jié)構(gòu)超細(xì)晶的帶材/薄板，并有效彌補(bǔ)上述大塑性變形工藝制備梯度結(jié)構(gòu)材料方面的不足。除此之外，擠壓-切削工藝還有如下的突出優(yōu)勢(shì)： ① 工藝簡(jiǎn)單，擠壓刀具、模具等制造快捷方便，且具有成熟的沖床裝備，制備成本低廉； ② 梯度結(jié)構(gòu)可控性極高，可通過調(diào)整工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)大厚度、大尺寸的雙層梯度結(jié)構(gòu)帶材制備； ③ 梯度結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化率極高，即成形的帶材可全部轉(zhuǎn)化為梯度結(jié)構(gòu)，且僅通過一步變形法即可制備雙層梯度結(jié)構(gòu)超細(xì)晶金屬帶材，生產(chǎn)力高。此外，相比于其他多道工序制備的表面機(jī)械加工法，擠壓-切削法具有高效節(jié)能的特點(diǎn)，不需要輔助的加壓設(shè)備以及額外的冷卻潤滑措施，是一種新型的綠色制造方法。

本研究將試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合，對(duì)擠壓-切削的過程進(jìn)行分析，研究工藝參數(shù)對(duì)制備雙層梯度超細(xì)晶結(jié)構(gòu)純銅帶材的影響規(guī)律，對(duì)擠壓-切削制備的梯度材料的顯微組織、機(jī)械性能進(jìn)行分析，完善擠壓-切削工藝?yán)碚摗?/p>

1擠壓-切削原理與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1擠壓-切削原理及雙層梯度結(jié)構(gòu)超細(xì)晶帶材的形成

擠壓-切削是通過一步變形過程以低成本方式制備雙層梯度結(jié)構(gòu)超細(xì)晶帶材的新型大塑性變形方法。圖1是擠壓-切削工藝的原理示意圖。該加工過程在本質(zhì)上與HU等[13]提出的負(fù)倒棱刀具切削類似。但與之不同的是，沖頭在以恒定速度下壓推動(dòng)工件向下移動(dòng)時(shí)，工件將首先受到擠壓刀具的擠壓作用促使表層晶粒發(fā)生破損，然后在主刀具倒棱刃 ?_cb 的擠壓和切削作用下，使工件表層材料從基體剝離，最后被剝離的表層工件材料從主刀具和擠壓刀具形成的壓縮通道內(nèi)被擠出，形成形狀規(guī)整的帶材。其中所形成帶材的頂表面區(qū)域（靠近擠壓刀具，即區(qū)域1）和底表面區(qū)域（靠近主刀具，即區(qū)域Ⅱ）分別呈現(xiàn)出具有晶粒尺寸梯度變化的微結(jié)構(gòu)，即雙層梯度結(jié)構(gòu)。

圖2展示了擠壓-切削過程中帶材內(nèi)部的變形演化過程。雙層梯度結(jié)構(gòu)超細(xì)晶帶材的形成取決于擠壓、摩擦、切削和擠出的耦合作用。變形首先開始于擠壓刀具對(duì)工件表層材料產(chǎn)生的擠壓變形以及由于工件移動(dòng)帶來的摩擦效應(yīng)，主要表現(xiàn)為正向的擠壓應(yīng)變和負(fù)向的摩擦變形。然后當(dāng)材料繼續(xù)流動(dòng)經(jīng)過剪切帶adc后（圖1），產(chǎn)生了由切削引起的正向剪切變形。值得說明的是，該階段內(nèi)產(chǎn)生的剪切變形是不均勻的，以材料凝滯區(qū)頂點(diǎn) d 的水平位置為分界，當(dāng)材料流過剪切帶db后還會(huì)造成二次剪切變形。最后工件材料進(jìn)入由主刀具和擠壓刀具形成的通道內(nèi)經(jīng)受壓縮和摩擦變形的耦合作用。這是由于材料未變形厚度由原先的 t_d 減小到 t_ch （帶材成形厚度），同時(shí)帶材在擠出流動(dòng)的作用下還將與通道內(nèi)壁產(chǎn)生反向的摩擦變形。以上材料的變形過程可相互耦合，且每個(gè)階段內(nèi)產(chǎn)生的等效應(yīng)變也可疊加。在帶材A側(cè)（頂表面），正向變形通過發(fā)生在相同區(qū)域的負(fù)向摩擦變形來平衡，從而抵消部分正向應(yīng)變。另一方面，靠近B側(cè)（底表面）的材料經(jīng)歷了雙重剪切，使得帶材的底部區(qū)域承受更大的剪切應(yīng)變。而在帶材通過擠壓通道時(shí)，在擠壓-摩擦變形區(qū)域也會(huì)由于通道內(nèi)的摩擦力產(chǎn)生反向應(yīng)變。綜上，擠壓-切削使帶材產(chǎn)生從A側(cè)到B側(cè)等效應(yīng)變先減小后增加的變化趨勢(shì)，進(jìn)而導(dǎo)致帶材內(nèi)部的雙層應(yīng)變梯度分布，如圖2所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖3展示了擠壓-切削的實(shí)驗(yàn)裝置以及所制備出的雙層梯度結(jié)構(gòu)帶材。實(shí)驗(yàn)中借助液壓機(jī)實(shí)現(xiàn)擠壓-切削加工過程（圖3a），擠壓刀具（圖3d）寬度從頂部的 23.5mm 逐漸增加到底部的24mm ，以確保垂直通道內(nèi)寬度逐漸減小。工件材

料為退火態(tài)純銅，其成分如表1所示，工件的初始尺寸為 12mm×12mm×70mm ，退火態(tài)純銅的平均晶粒尺寸約為 110μm 。實(shí)驗(yàn)中采用不同的擠出厚度 t_ch（1.0，1.2，1.4，1.6mm） 作為控制變量，其他加工參數(shù)與刀具參數(shù)保持一致，如表2所示。

為了評(píng)估雙層梯度結(jié)構(gòu)帶材的機(jī)械性能，針對(duì)所形成的帶材制備了拉伸試樣（圖3c）。采用萬能電子拉力機(jī)在室溫下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，應(yīng)變率為 0.002s^-1 。在帶材TD平面上進(jìn)行維氏硬度測(cè)量，載荷為 0.2kg ，保載時(shí)間為 15s 。對(duì)于雙層梯度結(jié)構(gòu)帶材的微結(jié)構(gòu)分析與表征，采用光學(xué)顯微鏡觀察帶材的金相組織，并使用電子背散射衍射技術(shù)（EBSD）對(duì)微觀組織進(jìn)行深人研究，同時(shí)運(yùn)用掃描電鏡觀察拉伸后的微觀斷裂結(jié)構(gòu)。

1.3擠壓-切削有限元模型的建立

本研究采用Deform-3D軟件進(jìn)行有限元建模與分析。由于擠壓-切削所用的模具材質(zhì)為高速鋼，它具有高強(qiáng)度和高硬度，故在模擬中可以忽略其形變，將其設(shè)為剛體，材料為DEFORM材料庫中所提供的AISI-D2。省去緊固件等的固定與連接作用，保留對(duì)工件加工有實(shí)際影響的部分。網(wǎng)格類型選用四面體網(wǎng)格，為提高仿真精度，對(duì)擠出通道開口處的工件進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化處理，細(xì)化比例為 0.001：1 ，如圖4所示。

將工件設(shè)置為塑性體，純銅材料為DE-FORM材料庫所提供的C10100，由于本研究使用的純銅原樣經(jīng)過了退火處理，因此材料庫中的材料本構(gòu)模型并不適用，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)確定其應(yīng)力-應(yīng)變方程為[14]

σ=330ε^-0.235

式中： σ 為材料的流動(dòng)應(yīng)力;為等效應(yīng)變。

數(shù)值模擬對(duì)應(yīng)于實(shí)驗(yàn)，將擠出厚度 t_ch 分別設(shè)定為 1.0，1.2，1.4，1.6mm ，其余相關(guān)加工參數(shù)和刀具參數(shù)與實(shí)驗(yàn)條件保持一致。鑒于實(shí)驗(yàn)在室溫條件下進(jìn)行，因此設(shè)定傳熱系數(shù)為 ·K。考慮到帶材在成形過程中與擠出通道之間的滑動(dòng)摩擦，將擠壓-切削過程中的摩擦情況簡(jiǎn)化為剪切摩擦[15]，并設(shè)定摩擦因數(shù)為 0.2^[15-16] 。在模擬仿真過程中，為確保分析的準(zhǔn)確性，模擬結(jié)果以達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件后的時(shí)刻進(jìn)行選取。

2擠壓-切削過程分析

2.1 雙層梯度結(jié)構(gòu)的形成過程

圖5所示為雙層梯度結(jié)構(gòu)超細(xì)晶帶材的形成過程。其中，行I為有限元分析下擠壓-切削過程中網(wǎng)格的畸變過程，行Ⅱ?yàn)榫W(wǎng)格畸變下對(duì)應(yīng)的應(yīng)變率分布情況，行Ⅲ為帶材在不同成形階段下的主要變形區(qū)域。研究發(fā)現(xiàn)雙層梯度結(jié)構(gòu)帶材的形成過程由三個(gè)階段組成，即初始變形階段（圖5a）、初始成形階段（圖5b以及穩(wěn)定成形階段（圖5c。

I：網(wǎng)格畸變" Ⅱ：應(yīng)變率 Ⅲ：變形區(qū)域

材料的初始變形階段如圖5a所示。當(dāng)沖頭開始下壓后，工件在擠壓刀具和主刀具的共同作用下經(jīng)歷了擠壓和切削的耦合變形作用，使得表面材料與工件分離，并在側(cè)向擠出通道口處產(chǎn)生初始變形，如圖5aI所示。在主刃邊緣的上端開始形成了兩個(gè)交叉的剪切帶（adc和db），并在主刀具及擠壓刀具附近形成初始變形區(qū)，如圖5aⅡl所示。從圖5aⅢ中可以看出，粗晶開始沿著剪切方向被拉長，且部分工件材料進(jìn)人擠壓通道。同時(shí)，材料在主刃邊緣上方發(fā)生堆積，表明材料受到擠壓作用后出現(xiàn)堆積并形成材料凝滯區(qū)。

隨著擠壓過程的繼續(xù)進(jìn)行，帶材進(jìn)入初始成形階段，如圖5b所示。在擠壓刀具的刀尖處開始發(fā)生擠壓變形，并伴隨著網(wǎng)格畸變（圖5bI），這是因?yàn)樵诓牧狭鲃?dòng)過程中，擠壓刀具對(duì)上表面材料施加了擠壓變形，同時(shí)形成ea、adc和db三條剪切帶（圖5bⅡ）。隨著材料在主刃邊緣前的堆積行為加劇，材料分流區(qū)域縮小，這意味著材料凝滯區(qū)中的塑性變形增大（圖5bⅢ），因此，該區(qū)域的微觀組織結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)模糊的晶界。帶材的A、B兩側(cè)受到劇烈的擠壓和摩擦作用，使晶粒微組織被顯著細(xì)化并呈現(xiàn)出流線型特征。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在帶材頂?shù)變蓚?cè)均觀察到晶粒細(xì)化現(xiàn)象，而在帶材內(nèi)部出現(xiàn)拉長晶，這表明雙層晶粒尺寸梯度的微觀組織結(jié)構(gòu)初步形成。

隨著沖頭繼續(xù)下壓，帶材進(jìn)入了穩(wěn)定成形階段，如圖5c所示。該階段內(nèi)在剪切和擠壓變形中還伴隨著劇烈摩擦，導(dǎo)致A、B兩側(cè)的網(wǎng)格畸變更加明顯，而帶材中心區(qū)域的變形卻遠(yuǎn)小于兩側(cè)，如圖5cI所示。剪切帶adc和db的完全形成表明材料在更靠近B側(cè)時(shí)遭受到雙重剪切作用。此外剪切帶ea的完全形成也預(yù)示著A側(cè)發(fā)生了嚴(yán)重的擠壓變形行為（圖5cⅡ）。隨著材料持續(xù)在主刃邊緣上堆積，材料分流位置在材料凝滯區(qū)消失，此現(xiàn)象表明帶材的成形已進(jìn)入穩(wěn)定階段（圖5cI）。此階段內(nèi)A側(cè)晶粒破碎程度較前一階段更為劇烈，而B側(cè)的晶粒則較中心區(qū)域的晶粒更為細(xì)化。顯然，在帶材厚度方向上出現(xiàn)了兩個(gè)明顯的晶粒細(xì)化梯度，標(biāo)志著雙層梯度結(jié)構(gòu)帶材的完全形成。

2.2 材料流動(dòng)速率

圖6所示為帶材在穩(wěn)定成形下不同擠出厚度t_ch 對(duì)材料流動(dòng)速率的影響。在主刃邊緣上端和擠壓刀具前端可以清楚觀察到材料凝滯區(qū)域。值得注意的是，摩擦作用對(duì)在接觸擠壓通道內(nèi)的上下表面材料流動(dòng)影響相對(duì)較小，相應(yīng)地對(duì)材料流速的影響也比較小，因此通道內(nèi)的流速將會(huì)趨于均勻。隨著擠出厚度 t_ch 的增大，位于擠壓刀具前端的凝滯區(qū)減小，同時(shí)擠出通道內(nèi)材料流速顯著增加；而位于主刃邊緣上端的凝滯區(qū)面積則隨著擠出厚度 t_ch 的增大基本沒有變化。材料流經(jīng)凝滯區(qū)上方時(shí)，經(jīng)歷了約 90^° 的轉(zhuǎn)向，這表明工件材料首先經(jīng)受了一次顯著的剪切變形；而在材料分流位置處的右上方，流動(dòng)方向轉(zhuǎn)變了約 120^° ，并在經(jīng)過 b 點(diǎn)時(shí)又發(fā)生了約 30^° 的額外轉(zhuǎn)向，意味著部分材料在二次剪切時(shí)將出現(xiàn)更劇烈的變形。

2.3 等效應(yīng)變

圖7所示為在不同擠出厚度 t_ch 下的等效應(yīng)變分布。帶材擠出時(shí)工件表面受到擠壓刀具的擠壓作用以及擠出通道的摩擦作用，在A側(cè)發(fā)生劇烈的塑性變形。成形帶材的中部區(qū)域主要受剪切作用，塑性變形相對(duì)較小。帶材B側(cè)在擠出過程中，不僅受到材料凝滯區(qū)上方的雙剪切作用，還受到來自橫向擠出通道的擠壓和摩擦作用。最終使得等效應(yīng)變?cè)趲Р暮穸确较虮憩F(xiàn)出顯著的雙層梯度分布。隨著擠出厚度的增大，帶材受到擠壓刀具和擠出通道的擠壓與摩擦作用逐漸減弱，導(dǎo)致帶材上下兩側(cè)的塑性變形減小，尤其是在A側(cè)，由于擠出厚度的增大，等效應(yīng)變的減小效應(yīng)更為顯著。

為了明確地表現(xiàn)等效應(yīng)變?cè)趲Р暮穸确较虻淖兓闆r，取垂直于擠出方向（圖7白色箭頭方向）的應(yīng)變結(jié)果得到等效應(yīng)變的變化規(guī)律，如圖8所示。從圖8中可以看到，從A側(cè)到B側(cè)，等效應(yīng)變減小，在帶材中間位置附近達(dá)到最小，隨后又開始增大，在到達(dá)B側(cè)后等效應(yīng)變達(dá)到最大值。當(dāng)擠出厚度 t_ch 分別為 1.0，1.2，1.4，1.6mm 時(shí)，最大等效應(yīng)變值分別為5.26、4.71、4.32和3.83，均出現(xiàn)在B側(cè)，而最小等效應(yīng)變分別為3.56、2.84、2.57和1.84，均在帶材中間區(qū)域。綜上，等效應(yīng)變沿帶材厚度方向呈現(xiàn)明顯的雙層梯度分布。

2.4 等效應(yīng)變率

圖9所示為不同擠出厚度 t_ch 下的等效應(yīng)變率分布情況。在擠壓刀具的刀尖 Δ_a 處以及主刃 b 和 ｃ"處形成的扇形區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)倒“樹權(quán)\"狀的高等效應(yīng)變率區(qū)域，這一區(qū)域的形成與材料的剪切滑移變形直接相關(guān)，而倒“樹權(quán)”狀剪切帶的形成是引導(dǎo)B側(cè)材料二次剪切的關(guān)鍵，這也決定了雙層梯度結(jié)構(gòu)帶材的成形。隨著擠出厚度 t_ch 的增大，倒“樹權(quán)\"狀的等效應(yīng)變率區(qū)域基本沒有變化，且流經(jīng)靠B側(cè)的材料依然受到雙重剪切作用，這也是擠壓-切削高效且穩(wěn)定制備雙層梯度結(jié)構(gòu)帶材的關(guān)鍵。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 雙層梯度結(jié)構(gòu)帶材的成形效果

圖10展示了擠出厚度 t_ch 分別為1.0、1.2、1.4.1.6mm 時(shí)擠出成形的帶材。盡管擠出厚度的變化可影響成形帶材的長度，但是不會(huì)影響帶材的成形效果。不同擠出厚度下均得到形狀規(guī)整、厚度均勻的帶材，這說明了擠壓-切削工藝的高可靠性?？煽康某尚谓Y(jié)果也表明此工藝過程中即使進(jìn)行了擠出厚度上的參數(shù)調(diào)整也不會(huì)對(duì)帶材成品的結(jié)構(gòu)完整性產(chǎn)生負(fù)面影響，同時(shí)也表明了加工參數(shù)的改變不會(huì)影響帶材的高轉(zhuǎn)化率。

3.2 金相特征

圖11所示為不同擠壓厚度下帶材的金相顯微組織。相比于原純銅材，成形帶材內(nèi)部晶粒細(xì)化效應(yīng)顯著，沿厚度方向表現(xiàn)出復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)特征。根據(jù)晶粒尺寸和其形態(tài)將雙層梯度結(jié)構(gòu)自上而下（從A側(cè)到B側(cè)）分別劃分為擠壓-摩擦變形層、變形晶層、過渡晶層及超細(xì)晶層。在擠壓-切削過程中，擠壓-摩擦變形層內(nèi)的晶粒細(xì)化主要源于擠壓刀具的擠壓和通道內(nèi)的摩擦。結(jié)合圖5的分析，在材料進(jìn)入橫向擠出通道之前，擠壓刀具首先對(duì)原始粗晶進(jìn)行擠壓破碎，摩擦作用則是促使該變形層形成的另一關(guān)鍵。根據(jù)SHARMA等[17]的研究，若帶材與擠壓通道之間無滑動(dòng)，則可認(rèn)為塑性摩擦因數(shù)為1。在此條件下材料流動(dòng)的啟動(dòng)需要克服較大的摩擦阻力，這要求剪切流變應(yīng)力不僅達(dá)到黏結(jié)應(yīng)力，還要有足夠的驅(qū)動(dòng)力來克服與通道壁之間的高摩擦[18]。在變形晶層中，由于晶粒遠(yuǎn)離擠壓刀具和擠出通道，避免了直接的擠壓和摩擦作用，因此該層主要經(jīng)歷的是剪切變形，相應(yīng)地，晶粒沿剪切方向被嚴(yán)重拉伸且變形較為均勻。與變形晶層相比，靠近B側(cè)的過渡晶層因更靠近于材料凝滯區(qū)，因此受到了雙重剪切的復(fù)雜力學(xué)作用，這加劇了層內(nèi)晶粒的變形與破碎，導(dǎo)致微觀組織顯著細(xì)化。與其他變形層相比，超細(xì)晶層區(qū)域展現(xiàn)了最為顯著的晶粒細(xì)化現(xiàn)象，因?yàn)榇藢觾?nèi)的晶粒不僅受到與過渡層晶層相似的雙重剪切作用，還受到通道下表面摩擦的作用，因此此層中晶粒變形程度最高。從圖11中可以清楚地觀察到，從A側(cè)到B側(cè)晶粒尺寸呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，在帶材中部區(qū)域出現(xiàn)最大的變形晶尺寸，隨著繼續(xù)靠近B側(cè)晶粒尺寸又急劇減小?？梢姡瑤Р膬?nèi)部沿厚度方向表現(xiàn)出顯著的雙層晶粒尺寸梯度變化。

圖12所示為不同擠出厚度下成形帶材內(nèi)部雙層梯度結(jié)構(gòu)中擠壓-摩擦變形層、變形晶層、過渡晶層以及超細(xì)晶層的厚度變化。圖13所示為擠壓-摩擦變形層、變形晶層和超細(xì)晶層所占帶材厚度的比例。隨著擠出厚度的增大，變形晶層的厚度呈增長趨勢(shì)，而擠壓-摩擦變形層與超細(xì)晶層的厚度則表現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)。結(jié)合圖 11～ 圖13可知，擠出厚度的增大使得帶材的整體塑性變形程度降低，晶粒細(xì)化作用也隨之減弱。該現(xiàn)象也證明了擠壓-摩擦變形層與超細(xì)晶層的厚度會(huì)隨著擠出厚度的增大而減小。當(dāng)擠出厚度為1mm 和 1.2mm 時(shí)，在A側(cè)存在有明顯的裂紋，如圖11a和圖11b所示，而在擠出厚度為 1.4mm 和 1.6mm 時(shí)，則沒有裂紋產(chǎn)生。這是由于擠出厚度的增大將減小A、B兩側(cè)通道內(nèi)的擠壓力，進(jìn)而抑制裂紋產(chǎn)生。因此通過調(diào)節(jié)擠出厚度可改變擠壓-摩擦變形層、變形晶層與超細(xì)晶層在帶材厚度中的比例，進(jìn)而說明擠壓-切削工藝對(duì)制備的雙層梯度微結(jié)構(gòu)具有高效的調(diào)控作用。

3.3 微觀結(jié)構(gòu)

為進(jìn)一步分析雙層梯度的微結(jié)構(gòu)特征，對(duì)擠出厚度為 1mm 帶材上的各個(gè)變形層進(jìn)行了EBSD表征。圖14展示了擠壓-摩擦變形層、變形晶層、過渡晶層和超細(xì)晶層的反極圖（IPF）。

在擠壓-摩擦變形層中，粗晶在擠壓刀具的作用下發(fā)生破碎，然后在摩擦和擠壓的共同作用下，晶粒變形程度將超過只受單一剪切的變形晶層。與變形晶層相比，在過渡晶層中的晶粒得到了進(jìn)一步細(xì)化，取向也更加隨機(jī)。在超細(xì)晶層中的晶粒表現(xiàn)出與圖11中相似的最大細(xì)化程度，并形成了超細(xì)晶的微組織結(jié)構(gòu)。圖15展示了不同變形層內(nèi)晶粒的再結(jié)晶分布情況（RF），圖中，紅色為變形晶，黃色為亞晶，藍(lán)色為再結(jié)晶。在變形晶層中未觀察到再結(jié)晶現(xiàn)象，這是由于變形程度低的原因。而由于劇烈塑性變形的作用，在擠壓-摩擦變形層、過渡晶層和超細(xì)晶層中的亞晶會(huì)明顯增加。同時(shí)在擠壓-摩擦變形層和超細(xì)晶層中，再結(jié)晶的數(shù)量也得到顯著增加，這是由于劇烈塑性變形引起的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，使得亞晶逐步向再結(jié)晶轉(zhuǎn)變[19]

圖16所示為不同變形層內(nèi)的晶粒取向角 β 分布及其平均晶粒尺寸。其中擠壓-摩擦變形層、變形晶層及過渡晶層的平均晶粒尺寸分別為5.38μm，22.3μm 和 8.45μm ，而小角度晶界所占的比例分別為 76.5%.81.7% 和 96.3% 。在超細(xì)晶層中，由于顯著的晶粒細(xì)化作用，平均晶粒尺寸減小至 0.74μm ，小角度晶界的比例也降至 61.8% ，低于其他變形層。通過對(duì)比不同變形層的晶粒尺寸可以清楚觀察到，晶粒尺寸沿帶材厚度方向的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出由細(xì)晶到粗晶再到超細(xì)晶的尺寸分布，這一結(jié)果充分證明了帶材內(nèi)部雙層梯度結(jié)構(gòu)晶粒尺寸分布的形成。

3.3.1 硬度分布

圖17所示為不同擠出厚度下帶材由A側(cè)到B側(cè)的顯微硬度分布。相較于原始粗晶（顯微硬度為51.3HV），所制備帶材的顯微硬度得到了明顯提高，增幅在 105% 至 190% 之間。其中在B側(cè)的最大顯微硬度值達(dá)到 142.7HV0.2 ，接近于原樣品的3倍，這充分說明了擠出切削工藝對(duì)材料硬度改善的有效性。在帶材內(nèi)部沿厚度方向也可觀察到明顯的雙層硬度梯度分布。對(duì)于不同厚度的帶材，隨著擠出厚度的增大，帶材A側(cè)與B側(cè)附近的顯微硬度值會(huì)出現(xiàn)明顯下降，此變化趨勢(shì)說明在擠出通道內(nèi)擠壓和摩擦間的協(xié)同作用效果將降低。此外當(dāng)擠出厚度增大時(shí)，變形晶層內(nèi)的顯微硬度值也相應(yīng)降低，此現(xiàn)象與圖11所示晶粒的細(xì)化程度關(guān)系結(jié)果一致。

3.3.2 拉伸性能

圖18和圖19所示為不同擠出厚度下帶材拉伸后所獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和拉伸性能結(jié)果?？梢姾穸葹?1.4mm 的原始試樣表現(xiàn)出最低的屈服強(qiáng)度 σ_YS（57MPa） 及極限抗拉強(qiáng)度 σ_UTS（235 MPa， ，斷裂總延伸率 ε_F 則為 56.73% 。其他雙層梯度結(jié)構(gòu)試樣的拉伸結(jié)果如圖18所示，隨著擠出厚度從 1mm 增大到 1.6mm，σ_YS 從 292MPa 降低到 243MPa，σ_UTS 從 418MPa 降低到 398MPa ，ε_F 則從 23.94% 提高到 30.08% 。晶粒細(xì)化和應(yīng)變硬化作用對(duì)帶材強(qiáng)度提高發(fā)揮了巨大的作用。分析發(fā)現(xiàn)，屈服現(xiàn)象首先在強(qiáng)度較低的粗晶區(qū)域發(fā)生，并在粗晶區(qū)域與細(xì)晶區(qū)域的協(xié)調(diào)作用下向強(qiáng)度較高的細(xì)晶區(qū)轉(zhuǎn)移。這種協(xié)調(diào)機(jī)制會(huì)顯著推遲屈服、頸縮和斷裂的發(fā)生，從而有效抑制材料延展性的下降。HASAN等[20]解釋了粗晶層與細(xì)晶層的分布對(duì)材料強(qiáng)度與塑性轉(zhuǎn)變趨勢(shì)的影響。這也充分證明了通過調(diào)整擠出厚度可實(shí)現(xiàn)帶材強(qiáng)度和延展性的良好協(xié)同。

4結(jié)論

擠壓-切削作為一種雙層梯度結(jié)構(gòu)帶材制備的新工藝方法，直接在切屑帶材的成形階段便對(duì)材料加以限制使其發(fā)生獨(dú)特的變形模式，一步成形綜合性能良好且厚度可控的雙層梯度結(jié)構(gòu)超細(xì)晶帶材，其產(chǎn)品可以直接作為工業(yè)成品或半成品加以應(yīng)用。該工藝擁有高效、便捷、經(jīng)濟(jì)、靈活的特點(diǎn)，也將突破傳統(tǒng)大塑性變形工藝下制備超細(xì)晶材料尺寸受限且塑性低的問題，為異質(zhì)結(jié)構(gòu)下的高性能梯度材料開辟了更廣闊的應(yīng)用前景。主要結(jié)論如下：

1）擠壓-切削制備雙層梯度結(jié)構(gòu)超細(xì)晶帶材的成形過程可分為三個(gè)階段，即初始變形階段、初始成形階段以及穩(wěn)定成形階段。在加工過程中，擠壓刀具使帶材頂部區(qū)域的晶粒首先發(fā)生破碎，在主變形區(qū)形成倒“樹權(quán)\"狀的剪切帶，使得靠近帶材底部區(qū)域受到雙重剪切作用，因此在帶材厚度方向上呈現(xiàn)明顯的雙層應(yīng)變梯度分布。

2）沿帶材厚度方向由上至下可將梯度微結(jié)構(gòu)劃分為擠壓-摩擦變形層、變形晶層、過渡晶層和超細(xì)晶層。帶材內(nèi)部的晶粒尺寸沿厚度方向呈雙層梯度結(jié)構(gòu)分布，具體表現(xiàn)為帶材A側(cè)（頂表面）細(xì)晶層有大量尺寸均勻的細(xì)晶分布，從A側(cè)到B側(cè)塑性變形程度先減小后增加，晶粒尺寸的變化則先由細(xì)晶變?yōu)槔L晶又再細(xì)化成超細(xì)晶。

3）晶粒尺寸的雙層梯度變化導(dǎo)致微硬度呈雙層梯度分布。相比于純銅材料，梯度結(jié)構(gòu)純銅帶材的硬度顯著提高，屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度分別為原純銅的兩倍和四倍，而延伸率僅僅減小了46%～57% 。隨著擠出厚度的增大，帶材整體塑性變形減小，導(dǎo)致晶粒細(xì)化程度減弱。通過選擇合適的擠出厚度可實(shí)現(xiàn)對(duì)雙層梯度結(jié)構(gòu)中變形晶層和超細(xì)晶層厚度的調(diào)控，從而兼顧材料的強(qiáng)度和塑性，實(shí)現(xiàn)雙層梯度結(jié)構(gòu)帶材的可控制備。

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（編輯袁興玲）

作者簡(jiǎn)介：龐學(xué)勤，男，1991年生，博士、講師。研究方向?yàn)榻饘偾邢骷庸?、塑性成形加工與制造。E-mail：pangxq@kust.edu.cn。鐘佩璇*（通信作者），男，1995年生，博士后研究人員。研究方向?yàn)榻饘偾邢鳈C(jī)理、大應(yīng)變成形制造。E-mail：202121001913 ② mail.scut.edu.cn。

本文引用格式：

龐學(xué)勤，趙俊宇，鄧文君，等.擠壓-切削制備可控厚度的雙層梯度結(jié)構(gòu)帶材的新工藝及機(jī)理[J].中國機(jī)械工程，2025，36（4）：732-742.PANG Xueqin，ZHAO Junyu，DENG Wenjun，et al.NewProcess and mechanism of Squeeze-machining for Preparing Bilat-eral Gradient Structure Sheets with Controllable Thickness[J].China Mechanical Engineering，2025，36（4）：732-742.