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1、兰州理工大学毕业设计（论文） LAN ZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY毕业设计(论文) ECAP循环塑性变形纯铜的温升效应学生姓名 胡杰 学 号 08050342 专业班级 材料成型及控制工程（3）班 指导教师 丁雨田教授 学 院 材料科学与工程学院 答辩日期 2012年6月11日 1I摘要材料的微观组织对其宏观性能具有重要的影响，与普通的粗晶材料相比，纳米和超细晶材料因其独特的微观组织结构而表现出优良的物理、化学及力学性能，材料晶粒平均尺寸越小其屈服强度、疲劳强度、耐腐蚀性、冲击韧性、塑性和硬度就越高，即细化晶粒是提高材料综合性能最有效的途径之一，材料潜在的优良性能
2、可以通过细化晶粒的方法体现出来，因此，寻求能有效细化晶粒的工艺对开发新材料和改善传统材料性能具有重要的意义。在众多晶粒细化方法中， 剧烈塑性变形(SPD)方法作为一种以组织控制为目的的塑性加工方法可直接获得亚微晶和纳米晶组织，而等通道角挤压(ECAP)工艺是目前制备高性能块状超细晶材料最有效的剧烈塑性变形方法。 ECAP工艺的机理是让挤压件产生近似理想的纯剪切塑性变形，累积足够应变使挤压件的晶粒得到细化，它是一个多因素耦合作用下宏观变形和微观组织演变交互影响的复杂成形过程。本课题用DEFORM3D 软件对纯铜的多路径多道次ECAP挤压过程进行数值模拟，着重研究ECAP挤压过程纯铜的温升效应以及
3、温度等因素作用下微观组织的演变规律，模拟得到试样变形时的金属流动方式、各场量的大小及分布规律，工艺参数对挤压结果的影响等，以期得出ECAP制备超细晶铜的最佳工艺方案和变形参数，使该方法能广泛地应用于实际。关键字：纯铜；超细晶；ECAP；有限元模拟；温升效应；微观组织演变AbstractKeywords: Pure Copper；Equal Channel Angular Processing microstructure;Deformation behavior;Microstructure evolution; Finite element simulationIII第一章 绪论1.1引言诺
4、贝尔奖获得者Feyneman在上世纪六十年代曾预言：“如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性，就会看到材料性能产生丰富的变化”，他所说的这种材料就是超细晶材料。随着科技发展的日新月异，超细晶材料的制备技术经历了从无到有的发展之路，已初具规模并表现出了它独特的价值和市场应用前景，各行各业如国防、电子、航空、化工、医药、冶金等领域对具有高强度、高比强度和高疲劳寿命的超细晶材料表现出了前所未有的需求，同时推动了各国间开发高质量材料的竞争，纵观世界各国，对超细晶材料的研究包括四个方面：即制备技术、微观结构、宏观物性和应用，以上四者中，材料制备技术成为关键
5、，因为超细晶材料的微观结构、宏观性能和应用范围取决于材料的制备工艺和过程控制，因此寻求可有效细化晶粒的可控制备工艺至关重要。目前ECAP法引起学者的广泛关注和研究，但工艺仍存在一些问题急待解决，如尚未找到一种最佳的挤压工艺路线和变形参数；对ECAP成形过程中的宏观变形及微观组织演变规律缺乏深入认识和掌握，使成形质量难以控制，因此，有必要深入研究ECAP成形过程中宏观变形和微观组织演变，掌握工艺参数对宏观变形和微观组织演变的影响规律，从而为ECAP技术应用于实际生产提供科学的工程实用的依据。随着数值模拟技术的应用，传统的经验设计方法迅速地被更有效的基于模拟的设计方法所代替。本课题以计算机模拟为主
6、，实验室研究为辅，用DEFORM-3D有限元分析软件，对ECAP多道次多路径挤压纯铜试样进行模拟，主要分析变形过程中材料的流动、应变、应力、载荷和温度变化等情况；温升效应对微观组织的影响；不同变形速度、挤压道次、挤压途径对变形过结果的影响。本章综述了超细晶材料在国内外的发展情况，超细晶材料的制备方法，ECAP工艺及有限元数值模拟技术，在此基础上，提出了本文的选题目的和意义，确定了本文的主要研究内容。1.2超细晶材料的制备方法三维块体超细晶材料制备方法一般分为自下而上法（bottom-up），和自上而下法（Top-down）两大类。自下而上法即：先生成纳米或亚微米尺度的颗粒或粉末，然后通过加压烧
7、结等方法将其固结压实成大尺寸块体材料，如雾化法、机械球磨法、气象沉积法、电沉积法。自上而下法：这是通过大塑形变形或非晶晶化等直接制备出三维块体纳米材料，如SPD法。其中雾化法、机械球磨法、气象沉积法、电沉积法、非晶晶化法在制备超细晶材料时会产生组织不致密且无法获得大体积的加工试样，而SPD法可制备出组织致密且界面清洁的三维大尺寸超细晶材料，避免了残留空隙对材料产生的不利影响，具有更大地研究和利用价值。1.3剧烈塑性变形（SPD）方法传统塑性加工方法如室温下的冷轧、挤压是通过大塑性变形来优化和细化微观结构，但此种方法加工的材料内部通常存在有低角度位错的晶粒和亚晶粒。而材料经过低温、高压下的剧烈塑
8、性变形(SPD)，材料内部则会出现大角度晶粒边界的超细化微观组织。目前制备块体超细晶材料的SPD法有以下几种：等通道角挤压变形法 (ECAP)、 高压扭转法(HPT)、累积轧制工艺(ARB)、反复折皱-压直(RCS)等。其中等通道角挤压法是目前最具市场应用价值的剧烈塑性变形方法。1.3.1高压扭转法该方法细化晶粒的效率高 ,可得尺寸仅为几十纳米的超细晶材料。但该方法的缺点在于它制备出的材料在组织上通常是不均匀的,沿径向呈梯度分布,而且在扭转过程中还会发生厚度上的变化,另外加工出的工件尺寸小, 需要较高的压力(1.5GPa)和大功率的设备以及昂贵的模具。1.3.2累积轧制工艺该工艺是将原来数十微
9、米厚的金属箔相互叠加后反复进行压缩和轧制的剧烈塑性变形方法。该工艺可制备大尺寸纳米级多层金属材料。1.3.3反复折皱-压直工艺该工艺是在不改变工件断面形状的情况下，将工件进行多次反复折皱、压直后获得很大的塑性变形，从而使晶粒细化。1.3.4多次锻造法该工艺利用多次锻造的方法形成了大块柱体的微晶结构材料。多次锻造的过程中一般伴随着重结晶的动力学，与HPT、ECAP法主要利用剪切变形获得超细晶结构材料不同的是，多次锻造的特点是通过施加轴向变化的应变载荷锻压材料，多次锻造法已被用来细化许多合金的微结构，如纯钛、钛合金。1.3.5等通道角挤压工艺该工艺由前苏联学者Segal提出，最初用于研究钢在纯剪切
10、变形情况下的结构和微观组织。俄罗斯学者Valiev 首次用 ECAP 技术制备出有高强度的超细晶金属及合金。目前，ECAP技术已在铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金、纯铁、低碳钢、镍、等多种材料上得以应用，均获得了良好的效果，材料经 ECAP 细化后性能得到大幅度提升。前期学者对ECAP技术的研究主要集中在对ECAP 变形机制、变形孪生机理、晶粒细化机制、微观组织演化、超细晶材料的力学性能及组织稳定性等方面。随着ECAP技术的发展和各行各业对高性能材料需求的增加，对ECAP 技术的研究也由组织分析等基础性研究过渡到加工工艺和力学性能等应用性研究。1.4 ECAP工艺及应用前景1.4.1 ECA
11、P工艺原理该工艺是把润滑良好的坯料（圆柱形坯料的长度一般为70100mm，直径20mm）放到截面尺寸相同的两个相交的通道中去（通常相交的角度为90135之间），冲头施加压力把坯料从通道中挤出，坯料在通过转角的地方发生近似理想的纯剪切变形，经过多道次挤压，试样内部累积巨大的应变量，使微观组织由粗大的具有小角度晶界的等轴晶逐渐演变为细小的具有大角度晶界的颗粒状结构，即就是利用加工过程中发生加工硬化、动态恢复以及动态再结晶来改变显微组织，最终提高材料服役和力学性能的一种方法。ECAP技术的主要优势有：可加工组织致密，界面清洁的三维大尺寸材料，具有较大的生产应用潜力；工艺、设备简单，除模具外，其它所需
12、设备大多实验室都已具备；可有效细化多种材料的组织，包括各种多晶金属、析出硬化合金、金属间化合物和金属基复合材料。ECAP工艺原理图如下图所示：图1.1 ECAP挤压过程原理图 图1.2 ECAP纯剪切示意图1.4.2 E CAP的工艺参数1.4.2.1 模具角度由大量实验可知：当内角 90时，在模具外角处形成难变形区，且难变形区范围随着模具内角的增大而增大。因为材料底部在该区域不能受到有效的剪切应变，所以在挤压过程中选择合理的变形通道对挤压效果至关重要。从公式（1.1）可以看出，ECAP变形的等效应变直接与模具角度有关，尤其是模具内切角的影响最大，等效应变的增加值是模具的特征参数， Segal
13、给出了不考虑摩擦条件，经N次挤压后累积等效应变公式：（式1.1）式中： 累积等效应变； N挤压次数；两通道内切角（模具拐角）；两通道外切角（模具圆心角）。其中模具圆心角在0（180）的范围内变化。1.4.2.2 挤压道次挤压道次时等通道角挤压的一个重要的参数，对材料的组织和性能有很大的影响，根据累积等效应变（式1.1），随着挤压次数N的增加，累积的塑性变形量就会越大。人们通过对铜、铝等金属的挤压实验，发现在前几道次ECAP加工后晶粒的细化效果比较明显，相应的材料的硬度上升的较快，（其中第一道次变化比较明显，以后各道次的变化减弱），当达到一定的道次后，再增加挤压次数，晶粒的几何尺寸和纵横比基本保
14、持不变，但是，晶粒间的位向差随挤压次数的增大而增大，大角度晶界随挤压道次逐渐增加。这些现象的产生是和变形过程中位错的增殖、湮灭及回复作用是密不可分的。挤压道次较少，变形量不大时，位错密度较小，同时金属内积聚的内能较小，回复作用不明显，位错增殖的速度大于位错湮灭的速度，所以总的来说，位错密度增大，晶粒细化效果明显。当达到一定挤压道次时，变形程度较大，位错的增殖和湮灭达到了动态平衡，同时储能增加而使回复作用明显，晶粒的大小和纵横比已不随道次增加而增加了。但由于剪切过程中，晶粒继续转动，位向差增大，使大角度晶界数持续增加。 1.4.2.3挤压路径在ECAP工艺路线的研究中，学者提出了四种主要的挤压工艺路线，如下图所示：图1.3 ECAP挤压工艺路线示意图即路线A为每道次挤压后，试样不旋转，直接进行下一道次挤压；路线Ba为每道次挤压后，试样按90交替旋转进行挤压；路线Bc为每道次挤压后，试样按同一方向旋转90进入下一道次；路线C为每道次挤压后，试样旋转180后，进入下一道次。可见，Ba 路径连续两次挤压时棒材的旋转方向相反，而Bc路径连续两次挤压时棒材始终沿同一方向旋转90，所以在多道次挤压后Bc路径要比Ba路径获得较大的累计应变，但在相同的的挤压次数后A路径比Bc路径的晶粒细化效果要好。1.4.2.4挤压温度由于一些金属及合金塑性变形能力差，特别像镁这种密排六方晶
