7075鋁合金ECAP工藝與數(shù)值模擬研究.pdf

1、等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝(Equal Channel Angular Press,ECAP)是一種目前應(yīng)用最多的劇烈塑性變形技術(shù),在制備塊體超細(xì)晶材料方面具有較大的應(yīng)用背景。7075-T651超硬鋁合金材料在航空、航天以及汽車(chē)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,但其塑性成形能力較低,通過(guò)細(xì)化晶粒改善塑性,是提高低塑性材料成形能力的研究熱點(diǎn)之一。
　　本文主要通過(guò)ECAP工藝,并借助于有限元模擬方法,研究該材料晶粒細(xì)化的變形機(jī)制及效果。以7075-T651鋁

2、合金材料為研究對(duì)象,對(duì)ECAP變形過(guò)程進(jìn)行工藝試驗(yàn),應(yīng)用Deform-3D有限元分析軟件進(jìn)行工藝參數(shù)仿真以及組織模擬,并對(duì)工藝試驗(yàn)后的試樣進(jìn)行金相分析、硬度測(cè)試。
　　選擇模具轉(zhuǎn)角、擠壓速度和摩擦三個(gè)工藝參數(shù)為變量,按照正交設(shè)計(jì)思路,進(jìn)行了九組單道次ECAP工藝試驗(yàn)。由于7075-T651是一種難變形材料,擠壓后,試樣不同程度地產(chǎn)生了裂紋。對(duì)全部試樣的內(nèi)部硬度進(jìn)行了測(cè)試,硬度均有所提高,截面處的硬度分布規(guī)律一般為中部最高,上部次之

3、,下部最低,與模擬的等效應(yīng)變分布規(guī)律較吻合。對(duì)成形較好的三組試樣進(jìn)行了金相分析,較原始試樣,晶粒均有所細(xì)化。選取方案一(模具內(nèi)轉(zhuǎn)角F=90°,擠壓速度V=0.01 mm/s,石墨潤(rùn)滑,變形后外形完好無(wú)裂紋)進(jìn)行數(shù)值模擬,得到的載荷-行程曲線、試樣形狀與試驗(yàn)結(jié)果吻合,驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性。
　　以此為基礎(chǔ),對(duì)模具內(nèi)轉(zhuǎn)角、溫度、擠壓速度和摩擦因素進(jìn)行工藝參數(shù)仿真,結(jié)果表明,最大等效應(yīng)變隨內(nèi)轉(zhuǎn)角增大而減小;試樣內(nèi)部等效應(yīng)變和等效應(yīng)力分

4、布的均勻性會(huì)隨著溫度的升高有所改善,最大等效應(yīng)力有所下降,但溫度升高會(huì)加速內(nèi)部組織的回復(fù)過(guò)程,不利于晶粒的細(xì)化;提高擠壓速度盡管可以增加成形效率,但引起的溫度效應(yīng)顯著,溫升能達(dá)到144℃;摩擦過(guò)大會(huì)導(dǎo)致試樣表面應(yīng)力集中,溫度上升。方案六(模具內(nèi)轉(zhuǎn)角F=105°,擠壓速度V=0.3 mm/s,石墨潤(rùn)滑)的模擬結(jié)果表明,內(nèi)部存在三向拉應(yīng)力狀態(tài)區(qū),軸向拉應(yīng)力過(guò)大,超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度,導(dǎo)致材料發(fā)生斷裂,與試驗(yàn)結(jié)果一致。
　　通過(guò)對(duì)方案一進(jìn)

5、行微觀組織演變模擬,動(dòng)態(tài)顯示試樣內(nèi)部晶粒尺寸變化和再結(jié)晶的全過(guò)程。相比初始晶粒尺寸40μm,可以發(fā)現(xiàn)晶粒得到不同程度的細(xì)化,試樣頭部、中部、尾部的平均晶粒尺寸分別達(dá)到了3.5μm、2.4μm、29.1μm,中部材料細(xì)化效果最好。
　　考慮到靜水壓力對(duì)塑性的影響,對(duì)定背壓和變背壓加載下的變形過(guò)程進(jìn)行了模擬分析和比較。兩種方式下,背壓對(duì)擠壓力的變化影響均較大,且轉(zhuǎn)角處等效應(yīng)變速率分布更均勻。隨著背壓力增加,擠壓力不斷提高,但最終載荷-