等通道转角挤压_提高材料性能的有效方法

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1、年 第 期 上 海 钢 研等 通 道 转 角 挤 压 一 提 高 材 料性 能 的 有 效 方 法孙 爱 民摘 要 等 通 道 转 角 挤 压 法 是 能 使 块 体 材 料 得 到 超 细 晶 粒 的 一 种 新 的 材 料 加 工 方 法 , 目前 受 到 材 料 研 究 者 的 广 泛 关 注 。 简 要 介 绍 等 通 道 转 角 挤 压 法 的 基 本 原 理 及 通 过 该方 法 得 到 的 有 效 应 变 量 的 主 要 影 响 因 素 。 综 述 等 通 道 转 角 挤 压 法 研 究 和 应 用 现 状 , 同 时 展望 该 方 法 的 应 用 前 景 。关 键 词 等 通

2、道 转 角 挤 压 超 细 晶 粒 有 效 应 变 量罗 一一 嗯 ,四 一 盯引 言细 化 晶 粒 是 提 高 金 属 材 料 综 合 力 学 性能 的 有 效 途 径 。 塑 性 变 形 是 一 种 改 善 各 种不 同 材 料 的 组 织 结 构 和 提 高 性 能 的 有 效 方法 。 目 前 , 人 们 把 相 当 大 的 兴 趣 放 在 用 大 的塑 性 变 形 。 一方 法 加 工 金 属 材 料 的 潜 力 上 。 就 是 给材 料 施 加 大 的 应 变 , 通 过 在 应 变 中 产 生 的 位错 的 重 新 排 列 , 从 而 得 到 相 当 好 的 细 晶 粒 ,达 到

3、 亚 微 米 甚 至 纳 米 级 的 晶 粒 尺 度 使 用方 法 得 到 的 晶 粒 尺 寸 比 传 统 的 热 机 械处 理 方 法 细 小 的 多 。 三 维 锻 造 、 重 复 轧 制 和高 压 扭 转 等 , 是 目 前 应 用 较 为 广 泛 的法 。目 前 , 一 种 可 以 显 著 细 化 金 属 材 料 晶 粒的 等 通 道 转 角 挤 压 邵一 法 正 在 被 广 泛 的 研 究 , 这种 方 法 可 以 显 著 地 提 高 金 属 材 料 的 强 度 和塑 性 。 有 其 独 特 的 优 点 在 挤 压 过 程中 , 保 持 工 件 的 尺 寸 几 乎 没 有 什 么 变

4、 化 , 可以 进 行 多 次 挤 压 直 到 达 到 要 求 的 应 变 , 从 而得 到 相 应 的 晶 粒 尺 寸 , 因 而 它 可 应 用 于 大 的块 体 材 料 而 别 方 法 如 轧 制 、 挤 压 、 拉上 海 钢 研 只 年 第 期拔 等 , 是 使 工 件 的 一 维 或 多 维 方 向 上 的 尺 寸发 生 连 续 的 减 少 , 终 尺 寸 为 膜 状 、 板 状 或 丝状 , 不 能 应 用 于 大 的 块 体 材 料 。本 工 作 综 述 方 法 的 机 理 及 目 前的 研 究 情 况 , 探 求 该 方 法 在 材 料 加 工 中 的 应用 前 景 。其 中

5、甲 里 , 中 二 一 之 间 , 目 前 较 常用 的 是 甲 二 、 中 二 的 结 构 , 这 样 得 到 的 一 次挤 压 应 变 最 大 。圆 型 和 方 型 试 样 在 操 作 过 程 中 的 单 元煎 切 变 形 如 图 所 示 川机 理是 脚 川 于 年 发 明 的 一 种在 材 料 中 施 加 大 的 塑 性 应 变 得 到 亚 微 米 、 甚至 纳 米 组 织 , 从 而 提 高 材 料 性 能 的 一 种 先 进方 法 。 在 世 纪 年 代 , 由 于 对 超 细 晶 粒和 纳 米 结 构 材 料 的 广 泛 注 意 , 方 法 得到 广 泛 的 研 究 和 应 用 。

6、工 艺 是 把 润 滑 良 好 的 坯 料 , 放 到截 面 尺 寸 相 同 的 两 个 相 交 的 通 道 中 去 , 通 过施 加 压 力 把 坯 料 从 一 个 通 道 挤 压 到 另 一 个通 道 , 并 从 另 一 个 通 道 中 挤 出 坯 料 。 试 样 在通 过 转 角 的 地 方 发 生 纯 剪 切 变 形 , 得 到 很 大的 应 变 量 , 通 过 位 错 的 重 新 排 列 , 产 生 亚 晶分 割 原 始 晶 粒 在 挤 出 过 程 中 亚 晶 界 高 角 化 ,生 成 微 细 晶 粒 得 到 亚 微 米 或 纳 米 级 的 材 料 ,从 而 提 高 材 料 的 性

7、能 。 在 该 操 作 中 , 出 人 通道 试 样 的 尺 寸 基 本 不 变 , 可 以 重 复 操 作 此 过程 , 直 到 达 到 合 适 的 应 变 量 , 获 得 良 好 的 晶粒 细 化 效 果 为 止 。方 法 的 原 理 图 如 图 所 示 ,口健 ,口,门山 、图 试 样 单 元 变 形 草 图 , 后 圆 的 变 形后 正 方 形 的 变 形 情 况 试 样 通 过 在 剪 切 面 上 发 生 的 单 元 剪 切变 形 , 使 试 样 整 体 发 生 剪 切 变 形 , 得 到 大 的应 变 量 , 细 化 晶 粒 提 高 材 料 综 合 力 学 性 能 。每 次 挤 压

8、 中 , 试 样 单 元 的 剪 切 应 变 ,丫 。图 法 结 构 原 理 图 川工 艺 的 影 响 因 素工 艺 是 把 圆 或 方 的 试 样 , 放 在 模具 中 施 加 压 力 , 使 其 通 过 转 角 从 一 个 通 道 进人 另 一 个 通 道 , 在 转 角 处 发 生 简 单 的 剪 切 变形 , 从 而 得 到 预 期 的 微 观 组 织 和 结 构 。 因 而模 具 的 结 构 是 影 响 该 工 艺 的 主 要 因 素 , 同 时加 载 的 速 率 、 材 料 的 力 学 性 能 及 工 艺 的 具 体操 作 过 程 也 是 影 响 工 艺 的 重 要 因 素 。模

9、具 结 构模 具 是 执 行 工 艺 比 不 可 少 的 重要 条 件 , 工 件 在 通 过 转 角 的 时 候 发 生 塑 性 变形 , 所 得 到 的 应 变 量 与 模 具 的 转 角 甲 及 外弧 中 以 及 工 件 与 模 具 的 摩 擦 条 件 都 有 关系 。转 角 甲 与 中 的 影 响工 艺 是 通 过 产 生 简 单 的 剪 切 变形 , 产 生 严 重 的 塑 性 变 形 得 到 大 的 应 变 量 ,从 而 提 高 材 料 的 力 学 及 其 他 性 能 。 模 具 的甲 角 和 中 角 对 单 次 过 程 得 到 的 应 变年 第 期 上 海 钢 研量 具 有 决

10、定 的 作 用 。由 川 和 他 的 同 事 们 对 的 研究 得 出 了 , 一 次 过 程 中 施 加 于 工 件 上的 压 力 在 不 考 虑 摩 擦 的 情 况 下 可 由 下 式 表示 要 , 其 中 为 材 料 的 剪 切 应 力 ,“ 一 、 一 、 ” 、 , ” 曰 , 一 甲 甲 为 转 角单 次 剪 切 应 变 可 由 下 式 表 示 一 告 晋 一 苦 告 ,有 效 应 变 为一 着 岩 一 夸 告 , 中 。 。 一苦 晋 表 显 示 不 同 模 具 转 角 的 单 次操 作 过 程 对 材 料 的 应 变 量 及 同 别 的 加 工 方法 得 到 相 同 应 变 量

11、 下 的 减 缩 率 和 面 积 减 缩率 之 间 的 对 应 关 系 。 从 表 中 可 以 看 出 单 次过 程 所 得 到 的 应 变 , 随 转 角 甲 的 增 大而 减 少 。 不 同 的 转 角 甲 得 到 的 组 织 结 构 也就 不 同 , 产 生 不 同 的 织 构 , 得 到 不 同 的 极 图结 构 仁 表 三 种 模 具 转 角 下 , 挤 压 力 、 应 变 强 度 及其 相 关 的 减 缩 率 和 面 积 减 缩 百 分 数时 , 施 加 的 压 力 与 不 考 虑 摩 擦 力 时 是 不 同的 。 在 有 摩 擦 力 的 情 况 下 , 就 要 考 虑 试 样 与

12、模 具 在 挤 压 过 程 中 产 生 的 摩 擦 力 , 大 大 增 加了 挤 压 力 。 没 有 摩 擦 力 时 , 试 样 只 在 通 道 交接 的 平 面 处 发 生 单 纯 的 剪 切 变 形 , 材 料 各 处形 变 均 匀 而 有 摩 擦 力 时 , 材 料 将 在 通 道 交接 的 平 面 附 近 产 生 一 扇 形 区 域 , 在 顶 角 处 不发 生 变 形 只 在 扇 形 区 域 发 生 塑 性 变 形 , 导 致材 料 在 模 具 里 变 形 不 均 匀 , 得 到 不 均 匀 的 微观 组 织 。等 人 仁 , 研 究 了 不 同 摩 擦 力 条 件下 的 剪 切 变

13、 形 情 况 。 文 中 指 出 , 在 大 摩 擦 力条 件 下 变 形 均 匀 性 比 小 摩 擦 力 下 的 好 , 而 转角 在 , 小 摩 擦 力 附 带 在 出 口 处 施 加 反向 推 力 的 情 况 下 , 变 形 均 匀 性 最 好 。 表反 映 了 不 同 条 件 下 实 际 得 到 的 有 效 应 变 量与 工 作 条 件 的 关 系 。 图 给 出 了 一 种 带 可移 动 底 部 复 杂 结 构 的 模 具 结 构 , 也 就相 当 于 给 工 件 一 个 反 向 推 力 , 可 以 很 好 地 改善 材 料 在 中 的 加 工 性 能 , 使 材 料 在 变形 过

14、程 中 形 变 均 匀 。表 在 两 种 不 同 模 具 转 角 和 不 同 工 艺 条 件下 , 材 料 在 在 均 匀 剪 切 区 域 测 得 的 应 变 与 按 公 式计 算 的 应 变 的 比 较模模 具 转 角角 压 力 流流 应 变变 相 应 的的 相 应应甲甲甲 变 应 力力 强 度度 减 缩 率率 的 面 积 减 缩缩率率率率率率转转 角 “ 状 态态 计 算 的的 实 测 剪 切切剪剪剪剪 切 应 变变 应 变变小 摩 擦 力力大 摩 擦 力力 ,小 摩 擦 力后 压 力力力力小 摩 擦 力力大 摩 擦 力力模 具 设 计 与 摩 擦 力 的 影 响过 程 中 , 试 样 与

15、 模 具 之 间 总 是 存在 或 多 或 少 的 摩 擦 力 。 而 摩 擦 力 的 存 在 对试 样 在 挤 压 过 程 中 的 变 形 方 式 、 变 形 的 均 匀性 都 会 产 生 影 响 , 从 而 对 过 程 的 挤 压力 、 单 次 过 程 中 得 到 的 应 变 量 以 及 对试 样 的 加 工 性 , 产 生 不 同 的 影 响 。 分 析 了 考 虑 摩 擦 力 的 影 响 因 素图 模 具 的 结 构 简 单 模 具 结 构复 杂 结 构 , 带 滑 动 底 部 上 海 钢 研 抖 年 第 期工 作 路 径 的 影 响工 艺 使 工 件 的 几 何 尺 寸 几 乎 没有

16、 什 么 变 化 , 因 而 可 以 实 施 多 次 过程 , 得 到 大 的 应 变 量 , 满 足 工 件 性 能 的 需 要 。由 等 人 , 计 算 的 结 果 , 第 次 所得 到 的 应 变 量 如 式 所 示坐 、产等 人 川 , 对 对 的 可 重复 操 作 过 程 , 根 据 试 样 在 每 次 放 置 中 旋 转 的角 度 不 同 , 定 义 了 四 种 工 作 路 径 , 如 图 所不一 芳 一 夸 晋 , 中 一 告 霎 噢黔 窿 霎 壕图 四 种 路 径 的 旋 转 草 图路 径 定 义 为 在 每 次 重 复 操 作 中 工 件 对 材 料 的 塑 性 有 一 定 的 要 求 , 同 时 对 于 不 同不 旋 转 地 放 人 通 道 中 , 路 径 定 义 为 在 每 的 加 载 速 率 也 可 能 导 致 材 料 发 生 局 部 的 变次 重 复 操 作 中 工 件 按 顺 时 针 方 向