純銅擠扭工藝數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究

王 成，李 萍，薛克敏，李 曉，章 凱

(合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009)

純銅擠扭工藝數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究

王 成，李 萍，薛克敏，李 曉，章 凱

(合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009)

運(yùn)用有限元模擬軟件 Msc.Marc對(duì)純銅擠扭工藝變形特征進(jìn)行研究，分析擠扭變形過(guò)程中應(yīng)變分布以及應(yīng)變分量的變化趨勢(shì)。采用自行設(shè)計(jì)的擠扭模具，在室溫下進(jìn)行了純銅的一道次擠扭試驗(yàn)。結(jié)果表明：變形可分為變形開(kāi)始、完全充滿(mǎn)、逐步擠出3個(gè)階段；應(yīng)變呈中心低、邊緣高的分布；變形過(guò)程中正應(yīng)變分量小，切應(yīng)變分量較大，變形以剪切變形為主。擠扭過(guò)程中存在滑移和孿生兩種變形方式；擠扭后試樣的硬度得到顯著提高，在橫截面呈現(xiàn)邊緣高、中心低的分布趨勢(shì)。

純銅；擠扭變形；數(shù)值模擬；顯微組織；顯微硬度

目前，大塑性變形法(SPD)已經(jīng)成為制備超細(xì)晶材料的重要方法[1?4]。擠扭(Twist extrusion, TE)法是一種新型的大塑性變形工藝(見(jiàn)圖1)，該工藝將非圓形截面試樣經(jīng)螺旋通道擠出。由于一道次變形前后試樣橫截面的形狀和尺寸均不發(fā)生改變，可以重復(fù)變形以累積大的塑性變形來(lái)達(dá)到細(xì)化晶粒和提高材料性能的目的[5]。

近年來(lái)，國(guó)外學(xué)者對(duì)擠扭工藝開(kāi)展了相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)研究，但對(duì)擠扭的變形方式和細(xì)化機(jī)理研究還不夠深入[6?11]，國(guó)內(nèi)關(guān)于擠扭工藝的研究還少見(jiàn)報(bào)道[12?13]。本文作者運(yùn)用有限元分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)純銅的擠扭一道次變形過(guò)程進(jìn)行仿真，分析了擠扭變形過(guò)程以及變形時(shí)應(yīng)變分量變化情況；通過(guò)純銅一道次擠扭實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究擠扭變形后材料組織及性能變化。

圖1 擠扭變形原理Fig.1 Schematic diagram of twist extrusion: (a) Sample; (b)Twist channel

1 有限元模型

采用MSC.Marc有限元軟件進(jìn)行模擬仿真。沖頭與凹模采用剛性面簡(jiǎn)化處理，螺旋通道與直通道連接處采用圓弧過(guò)渡，螺旋通道扭轉(zhuǎn)角度為 90°，具體尺寸如圖2所示。沖頭的壓下速度為1 mm/s, 模擬過(guò)程中不考慮溫度的影響。試樣與模具的接觸均采用庫(kù)倫摩擦模型，摩擦因數(shù)取0.2。

圖2 有限元模型Fig.2 FEM model (mm)

試樣為橫截面尺寸10 mm×10 mm、長(zhǎng)度40 mm的純銅長(zhǎng)方體坯料，材料選用如下Johnson-Cook本構(gòu)模型：

采用六面體實(shí)體單元對(duì)坯料進(jìn)行劃分，獲得單元數(shù)為4 000，節(jié)點(diǎn)數(shù)4 961。

表1 銅的Johnson-Cook模型參數(shù)值Table 1 Parameters of pure copper to Johnson-Cook mold

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 變形過(guò)程分析

擠扭變形過(guò)程決定了試樣的應(yīng)變分布，對(duì)晶粒細(xì)化和性能改善有重要影響。

圖3所示為一道次擠扭變形過(guò)程示意圖，可分為3個(gè)階段：第一階段為變形開(kāi)始，此時(shí)端部被擠入螺旋通道，開(kāi)始發(fā)生剪切變形，擠壓力迅速增加(最大為45 kN)，直至試樣完全充滿(mǎn)螺旋通道；第二階段為試樣完全充滿(mǎn)螺旋通道階段后，端部被擠出螺旋通道進(jìn)入方形通道，擠壓力進(jìn)一步增加(約為80 kN)；第三階段為試樣開(kāi)始被完全擠出，擠壓力開(kāi)始逐漸降低。擠壓力—行程曲線(xiàn)如圖4所示。

圖3 擠扭變形過(guò)程Fig.3 Procedure steps of TE: (a) Initial stage; (b) Steady stage;(c) Final stage

圖4 擠壓力—行程曲線(xiàn)Fig.4 Load—stroke curve during TE process

2.2 應(yīng)變分布

圖5所示為擠扭變形后試樣縱截面的應(yīng)變分布圖。由圖5可知，經(jīng)一道次擠扭后試樣整體發(fā)生較大變形。通過(guò)縱截面應(yīng)變分布圖分析可知：試樣邊緣處變形量較中心處大，中心塑性應(yīng)變?yōu)?0.16，邊緣為0.64。試樣兩端存在難變形區(qū)域(圓圈所示)，與沖頭接觸的左側(cè)一端由于受到摩擦作用，該區(qū)金屬難以流動(dòng)，而另一端為自由面，僅邊緣受到模具的阻力，近乎剛性平移，變形較小。

圖5 縱截面應(yīng)變分布圖Fig.5 Effective strain distribution of longitudinal section

2.3 應(yīng)變分量

在MSC.Marc中可以提取各個(gè)應(yīng)變分量的變化，包含與法向和切向位移分量相關(guān)的comp11，comp22，comp33，comp12，comp23，comp31。前3個(gè)分別為垂直于XY，YZ，ZX面的正應(yīng)變分量，后3個(gè)為平行于XY，YZ，ZX面的切應(yīng)變分量。

按圖6所示選取節(jié)點(diǎn)(選取原則為避開(kāi)端部難變形區(qū))，正應(yīng)變分量和切應(yīng)變分量的變化趨勢(shì)如圖所示。由圖6可知，在整個(gè)變形過(guò)程中3個(gè)正應(yīng)變分量值均較小(最大絕對(duì)值均在0.02左右)，而切應(yīng)變值相對(duì)較大(最大絕對(duì)值分別為0.15、0.30、0.35)，這表明擠扭過(guò)程以剪切變形為主。而Comp23、31值也說(shuō)明擠扭過(guò)程中剪切變形不僅存在于橫截面上，垂直橫截面方向上也存在。這與 BEYGELZIMER等[14]指出擠扭變形具有兩個(gè)剪切面的觀點(diǎn)是相符合的。

切應(yīng)變分量的變化與擠扭變形過(guò)程有關(guān)，變形開(kāi)始時(shí)選取點(diǎn)在直通道內(nèi)做剛性平移，各切應(yīng)變分量幾乎沒(méi)有變化，當(dāng)進(jìn)入螺旋通道后各應(yīng)變分量開(kāi)始發(fā)生變化。直至試樣完全被擠出螺旋通道后，各應(yīng)變分量又趨于不變。

圖6 節(jié)點(diǎn)應(yīng)變分量的變化Fig.6 Change of strain component of node: (a) Normal strain;(b) Shear strain

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為了驗(yàn)證模擬分析的可靠性，以及進(jìn)一步研究擠扭變形的特征及組織演化的規(guī)律，試驗(yàn)條件盡量與模擬相一致。在室溫下進(jìn)行純銅(Cu含量大于99.89%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))的一道次擠扭試驗(yàn)，對(duì)擠扭后試樣進(jìn)行顯微組織觀察并對(duì)試樣橫截面進(jìn)行顯微硬度測(cè)量。

圖7所示為擠扭變形前后試樣的宏觀照片。變形前試樣為10 mm×10 mm×40 mm的長(zhǎng)方體坯料，經(jīng)擠扭變形后試樣產(chǎn)生了輕度的扭曲，主要是由于擠扭變形過(guò)程中試樣發(fā)生了扭轉(zhuǎn)變形，模具擠出端的矩形通道的長(zhǎng)度不足(僅為30 mm)，導(dǎo)致試樣不能完被全矯正到初始形狀，這也從另一個(gè)角度反映了擠扭變形的劇烈程度。

圖7 擠扭變形前后試樣的宏觀照片F(xiàn)ig.7 Photos of samples before TE and after one pass

3.2 顯微組織

將試樣沿剖切面切開(kāi)，取橫截面進(jìn)行磨制、拋光、腐蝕觀察顯微組織，圖8(a)所示為擠扭變形前試樣組織，基體組織呈近似等軸晶狀，晶粒排列均勻規(guī)則。圖8(b)所示為擠壓后試樣中心的顯微組織，較初始態(tài)，晶粒并未發(fā)生明顯的扭轉(zhuǎn)、破碎變形。根據(jù)模擬結(jié)果，中心的應(yīng)變小，變形程度有限，試樣中心區(qū)域晶粒形狀和尺寸變化較小。銅屬于FCC晶格金屬，晶粒變形以滑移為主，但從圖8(b)可以觀察到一定數(shù)量的孿晶組織(圈中所示)，這是由于純銅屬于層錯(cuò)能較低(僅70 mJ/m2)的金屬，層錯(cuò)能越低, 位錯(cuò)越容易分解為層錯(cuò)，束集越困難，越難以產(chǎn)生交滑移，越容易發(fā)生孿生變形。因此，晶粒細(xì)化是孿生與位錯(cuò)滑移共同協(xié)調(diào)的變形機(jī)制。這與文獻(xiàn)[15]的結(jié)果相似。圖8(c)所示為變形后試樣的邊緣組織，由于該區(qū)域變形量較大，晶粒沿扭轉(zhuǎn)方向被嚴(yán)重拉長(zhǎng)，等軸晶完全消失，呈纖維狀分布的織構(gòu)組織，由于晶粒完全變形成纖維狀，因此，觀察不到孿晶。

圖8 擠扭變形前后顯微組織圖Fig.8 Microstructures of samples before and after TE:(a) Initial; (b) Center; (c) Edge

3.3 顯微硬度

圖9所示為擠扭后試樣橫截面硬度實(shí)測(cè)值的三維分布圖。純銅初始硬度為62.7。由圖9可以看出，擠扭變形后中心處硬度值最小(約為87)，邊緣硬度值大，在4個(gè)棱角處達(dá)到最大(約為130)。硬度的增加主要與變形量有關(guān)，變形導(dǎo)致晶粒細(xì)化和加工硬化，由于擠扭過(guò)程中晶粒通過(guò)滑移和孿生的變形方式，晶粒細(xì)化導(dǎo)致硬度提高。并且隨著變形的加劇，其內(nèi)部產(chǎn)生較多位錯(cuò)，形成了纏結(jié)，并構(gòu)成胞狀亞結(jié)構(gòu)，位錯(cuò)之間相互干擾, 使滑移困難，變形抗力增加導(dǎo)致金屬硬化。這也解釋了剪切應(yīng)變大的區(qū)域硬度值也較高的原因。

從試樣橫截面組織形貌以及硬度分布，結(jié)合模擬結(jié)果分析可知，應(yīng)變量大的區(qū)域組織變形越劇烈，硬度值也得到顯著提高，應(yīng)變量小的區(qū)域則變化不明顯。模擬分析很好地解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖9 擠扭后試樣橫截面硬度實(shí)測(cè)值的三維分布圖Fig.9 Measured microhardness profile of cross-section of samples after one pass TE

4 結(jié)論

1) 擠扭變形過(guò)程分為3個(gè)階段，即變形開(kāi)始、完全充滿(mǎn)、逐步擠出階段；擠扭變形后，試樣等效塑性應(yīng)變呈中心低(0.16)、邊緣高(0.64)的分布；擠扭變形過(guò)程中正應(yīng)變分量較小，而切應(yīng)變分量相對(duì)較大。

2) 擠扭后，試樣邊緣晶粒變形程度大于中心處的，邊緣處硬度(130)高于中心處硬度(87)；擠扭變形過(guò)程中，存在滑移和孿生兩種變形方式，純銅晶粒變形為兩種變形方式的共同協(xié)調(diào)機(jī)制。

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Numerical simulation and experimental research on pure copper by twist extrusion

WANG Cheng, LI Ping, XUE Ke-min, LI Xiao, ZHANG Kai
(School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The finite element simulation about pure copper deformation during twist extrusion (TE) was carried out by the simulation software MSC.Marc, the procedure steps of TE, the distribution of effective strain and the change of strain component were analyzed. The experiment about pure copper at room temperature during TE was carried out using this own die. The results show that the TE deformation can be divided into there steps. The value of the effective strain in the edge area is much larger than that of the center area. The value of the normal strain is extraordinary small, while the shear strain is relative large. There are slipping and twining during the TE process. The hardness of sample significantly increase, the hardness in the edge area is visibly larger than that in the center.

pure Cu; twist extrusion deformation; numerical simulation; microstructure; microhardness

TG376

A

1004-0609(2011)12-3071-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50875072)；霍英東教育基金會(huì)資助項(xiàng)目(121053)；安徽省優(yōu)秀青年科技基金計(jì)劃(10040606Y21)

2010-09-07；

2011-10-15

李 萍，教授，博士；電話(huà)：0551-2904758；E-mail: cisi_1314@126.com

(編輯 龍懷中)