含殘余試樣的ECAP力場(chǎng)模擬及塊體超細(xì)晶材料制備產(chǎn)業(yè)化研究.pdf

1、等徑角擠壓法(equal channel angular pressing，ECAP)是大塑性變形(severeplastic deformation，SPD)制備超細(xì)晶材料的方法之一。其原理是，材料被擠壓通過兩個(gè)相交成一定角度的等直徑通道時(shí)受到純剪切作用發(fā)生劇烈塑性變形，多次擠壓之后變形量增大，從而實(shí)現(xiàn)材料晶粒的細(xì)化。通過等徑角擠壓法細(xì)化晶粒的材料，其強(qiáng)度、硬度、超塑性、疲勞性能得到明顯改善，并且等徑角擠壓法要求的設(shè)備簡(jiǎn)單，試驗(yàn)溫度低

2、，制備材料內(nèi)部無殘留縮孔、雜質(zhì)等缺陷，具備一定工業(yè)應(yīng)用的潛力，因此受到國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛重視。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外研究較少或尚未涉及的幾個(gè)方面，本文的研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下： 首先，采用Deform 3D有限元軟件對(duì)含有殘余試樣條件下等徑角擠壓過程進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，相對(duì)于無殘余試樣情況下，殘余試樣的存在導(dǎo)致擠壓載荷顯著增大，后續(xù)擠壓材料等效應(yīng)力在應(yīng)變區(qū)內(nèi)分布更均勻但在頭部的應(yīng)力值和變化梯度增大，等效應(yīng)變總體增加尤其在出口通道下端表

3、面接觸處增加顯著，殘余試樣起到反向壓桿作用，改善了試樣在模具中填充情況并改變了試樣末端形貌，試樣的末端效應(yīng)依然存在。對(duì)等徑角凹模應(yīng)力分布分析表明H13模具鋼能夠作為凹模材料。 其次，設(shè)計(jì)制造了等徑角模具，模具(A)：內(nèi)角Ф=90°，外角ψ=30°經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間實(shí)際擠壓試驗(yàn)表明模具(A)結(jié)構(gòu)合理，工作可靠，能夠滿足等徑角擠壓試驗(yàn)的要求。 第三，使用模具(A)對(duì)2A12合金進(jìn)行一系列等徑角擠壓試驗(yàn)，部分驗(yàn)證了有限元模擬結(jié)果與

4、實(shí)際試驗(yàn)的一致性，通過研究擠壓路徑、速度、次數(shù)探索了使用內(nèi)角Ф=90°，外角ψ=30°模具對(duì)2A12合金擠壓時(shí)的優(yōu)化工藝參數(shù)，即最佳擠壓路徑為Bc路徑，擠壓4次之后材料綜合力學(xué)性能最好，2A12鋁的抗拉強(qiáng)度為502.6MPa，提高137％，硬度為121MPa，提高53.0％，斷裂延伸率略下降至13.6％。通過對(duì)熱處理穩(wěn)定性的研究發(fā)現(xiàn)改善后的力學(xué)性能在一定溫度條件下具備穩(wěn)定性，4次ECAP后的試樣，200℃以下1h以內(nèi)退火，強(qiáng)度硬度降低不

5、顯著而塑性略有提高，300℃1h退火強(qiáng)度硬度有較明顯降低，但仍高于未ECAP試樣的水平，且塑性恢復(fù)至擠壓前水平。 第四，通過對(duì)等徑角擠壓后部分試樣微觀組織的透射電鏡及高分辨電鏡分析，發(fā)現(xiàn)使用內(nèi)角Ф=90°，外角ψ=30°模具按Bc路徑擠壓4次后材料平均晶粒尺寸即可由初始5μm左右細(xì)化至在250hm左右，并在局部出現(xiàn)100nm的小晶粒，而擠壓8次后可以獲得晶粒尺寸在200nm左右的較為均勻的微觀組織。位錯(cuò)密度在擠壓之后顯著增加，出

6、現(xiàn)位錯(cuò)纏結(jié)，隨后形成胞狀組織，進(jìn)而形成小角度晶界以及大角度晶界，晶粒得到細(xì)化。擠壓8次后晶粒內(nèi)部缺陷密度減小，晶界處存在平衡區(qū)域及大畸變區(qū)域，并出現(xiàn)少量非晶組織。初始存在于基體中的化合物在擠壓過程中也得到細(xì)化。 第五，對(duì)等徑角擠壓法強(qiáng)化細(xì)化機(jī)理探索結(jié)果表明，晶粒細(xì)化原因主要是剪切變形及應(yīng)變積累機(jī)制的作用，但第二相輔助機(jī)制也是晶粒細(xì)化的一個(gè)原因；強(qiáng)化機(jī)理是晶界強(qiáng)化機(jī)制、位錯(cuò)強(qiáng)化機(jī)制以及第二相強(qiáng)化機(jī)制綜合作用的結(jié)果，其中晶界強(qiáng)化機(jī)制