ECAPT過程中TE工藝對ECAP變形規律的影響

董飛，華睿，錢陳豪，李萍

(合肥工業大學材料科學與工程學院，合肥 230009)

近年來，通過大塑性變形工藝獲得超細晶材料，從而改善材料物理性能和綜合力學性能的研究受到廣泛關注。其中 ECAP[1－2]和 TE[3－4]工藝具有在擠壓變形后不改變試樣的橫截面積，并能夠重復擠壓獲得大的累積應變的優勢，而將ECAP和TE結合起來的ECAPT[5]工藝不僅繼承了兩者的優勢，在1次擠壓中完成2次變形，同時彌補了ECAP細晶能力不強，TE變形不均勻的不足。

ECAPT工藝是在ECAP的基礎上，在ECAP模具的擠出端型腔內加工出螺旋狀的型槽，從而實現完整連續的ECAP和TE工序。大塑性變形工藝獲得超細晶的過程主要通過應變累積實現，ECAPT工藝累積的應變不是ECAP和TE兩者簡單的線性疊加，試樣在通過TE通道時受到的巨大應力相當于對經過 ECAP通道部分的材料施加了背壓[6－7]，從而使通過ECAP通道部分的材料應變增大。文中通過數值模擬研究了 ECAPT過程中，試樣在經過ECAP后應變累積與材料損傷的情況，并與單純的ECAP變形工藝比較，探討了TE工藝對ECAP變形后的影響。

1 有限元模型的建立

ECAPT工藝的通道示意如圖1所示，試樣在經過直角通道和螺旋通道時發生近似純剪切變形，從而實現劇烈的應變累積。

圖1 ECAPT通道模型Fig.1 The model of ECAPT

利用Deform-3D有限元模擬軟件對2種工藝變形過程進行模擬仿真。模具溫度為150℃，坯料溫度為200℃。坯料采用純鋁(Al1100)，試樣尺寸為10 mm×10 mm×60 mm，純鋁在低溫條件下具有一定的黏性，對應變速率具有敏感性，因此毛坯材料采用剛黏塑性模型。模具設置為剛體，選用外角ψ=37°，內角 φ =90°，內角弧度 R=0.5 mm 的 ECAP模型。由于坯料在通過TE通道過程中受到應力的大小主要與螺旋角β有關，因此，根據常用的TE過程中 β 角度值范圍，選取了20°，25°，30°，35°等 4 個角度。模具和試樣摩擦接觸采用常剪切模型，摩擦因子取0.12，凸模下壓速度為5 mm/s，采用四節點四面體等參單元劃分50000個網格單元。ECAPT模型通道如圖1所示，圖2為圖1中水平通道相應位置的剖面圖。

圖2 剖面Fig.2 The image of cross-section

2 模擬結果分析與討論

2.1 坯料全局等效應變分布

ECAP和ECAPT工藝中試樣剖面上的等效應變分布分別如圖3和圖4所示。在ECAP變形過程中，受通道摩擦的影響，上下表面材料相對滯后于中心部分的材料流動[8]，同時中心流變區的等效應變呈層狀分布。這是由于越靠近內角部分的材料剪切變形越劇烈，經過轉角區之后材料剛性平移出水平通道，表現為沿擠壓豎直方向的等效應變從上而下逐次減少。

圖3 ECAP剖面的等效應變分布Fig.3 The distribution of equivalent strain of ECAP

圖4 ECAPT(β=35°)剖面的等效應變分布Fig.4 The distribution of equivalent strain of ECAPT(β =35°)

在ECAPT變形過程中，由于受到TE變形區背壓的作用，材料在經過ECAP直角通道后平移受阻，尤其是試樣的周向部分受到TE通道外圍劇烈的螺旋變形產生的背壓，其劇烈變形區如圖2所示，使得周向材料內部的應力應變都相應增大。中心部分材料基本沒有受到來自TE部分的背壓作用，仍然為剛性平移，表現為材料的應變由心部向周向逐漸增大，從而使材料在周向的應變更加均勻。

2.2 跟蹤點位置等效應變

如圖5 所示，在 ECAP 以及 β 為 20°，25°，30°，35°的ECAPT模擬結果中分別選取相同截面上的點。由于此截面在ECAPT工藝中已經完成了ECAP的變形過程，還沒開始TE的變形過程，因此此截面的變形情況可以很好地表現ECAPT整體變形過程中TE部分對ECAP后試樣的影響。

圖5 不同工藝下跟蹤點位置Fig.5 The position of trace points at different states

不同工藝下各跟蹤點的應變曲線如圖6所示?？梢钥闯?，ECAPT中試樣周向的材料相對于單純的ECAP試樣的周向部分在經過轉角后的等效應變量顯著增大，并且隨著β的增大，TE通道對周向材料的背壓增大，應變量也逐漸變大。當β=35°時，周向各點的應變值平均增加50%以上，但中心部分的材料仍然處于剛性平移的狀態，應變量沒有太大變化，反而隨著β的增加，有減小的趨勢。

圖6 不同工藝下跟蹤點應變曲線Fig.6 The strain curves of trace points at different states

2.3 試樣損傷分布

試樣在通過ECAP轉角后，經過劇烈剪切變形，在試樣表面容易產生破壞。Cockcooft-Lathan準則描述了不同變形條件對材料內部產生破壞的影響:

式中:σmax為最大主應力為等效應力;為等效塑性應變速率;C為與材料有關的常數，可通過實驗測得。

當不等式左邊的數值大于常數C時，材料將產生破壞。2種工藝下材料內部的損傷程度如圖7和圖8所示。在ECAP工藝中試樣內部和表面都存在不同程度的損傷，尤其是試樣的上表面受到尖銳內角處劇烈的剪切作用，材料在轉角處有被撕裂的趨勢[9－10]。在ECAPT 工藝中，由于試樣通過轉角后受到TE部分的靜水壓力，使材料上表面剪切破裂受阻，保持了材料的完整性，并且在一定程度上使轉角處材料在三向壓應力狀態下完成純剪切變形，有利于材料內部組織晶粒的細化。

圖7 ECAP剖面的損傷分布Fig.7 The distribution of damage of ECAP

圖8 ECAPT(β=35°)剖面的損傷分布Fig.8 The distribution of damage of ECAPT(β =35°)

純鋁經過ECAP和ECAPT后外表面的損傷情況分別如圖9和圖10所示?？梢钥闯觯涍^ECAP后純鋁試樣上表面出現分段的條狀裂紋，裂紋擴展方向與上表面成一定角度，與ECAP通道轉角處的純剪切面方向基本一致。這表明材料在轉角處受到內角的劇烈剪切被破壞，裂紋的出現不僅破壞了材料的完整性，同時減弱了材料內部的應變累積，影響了大塑性變形工藝對材料組織的細化。試樣在經過ECAPT通道的拐角處后，表面完好，無破裂現象，這表明TE通道對材料流動產生的背壓有效地預防了試樣受到剪切破壞，保證了材料的完整性。

圖9 純鋁ECAP試樣Fig.9 The sample of pure Al after ECAP

圖10 純鋁ECAPT試樣Fig.10 The sample of pure Al after ECAPT

3 結語

1)在ECAPT工藝中試樣通過ECAP通道后試樣的軸向部分能獲得比單獨通過ECAP通道更高的應變累積，應變累積量隨TE通道螺旋角β的增大而增大。試樣中心部分應變量基本保持不變。

2)受到TE通道背壓的作用，材料內部的等效應變分布轉變為由中心部分向周向逐漸增大，使得應變分布更加均勻。

3)TE通道背壓的作用能夠有效地防止材料表面受到ECAP拐角處的剪切破壞，保證了材料的完整性。

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