沖頭形狀ECAP模擬分析研究

宋宇晨，張良學，張澤平，李 成，盧芳園，鐘艷梅，汪程鵬（太原理工大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030024）

沖頭形狀ECAP模擬分析研究

宋宇晨，張良學，張澤平，李 成，盧芳園，鐘艷梅，汪程鵬
（太原理工大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030024）

等通道角擠壓（ECAP）是劇烈塑性變形制備超細晶材料的一種有效變形方式，常規的ECAP工藝獲得組織不夠均勻，損傷較大，由此提出了一種新型的ECAP沖頭形狀的改良研究。本文采用DEFORM-3D有限元模擬分析ECAP工藝變形機理的方案，引入幾何參數λ，即理論剪切面與沖頭和坯料的交界面之間的順時針夾角，研究發現相比傳統的水平沖頭（λ=45°），采用λ=90°形狀沖頭可提高經一次通道ECAP擠壓后坯料的均勻性，采用λ=0°的沖頭的ECAP形變平均損傷顯著減小。本研究可為ECAP的工藝研究提供理論指導。

等通道角擠壓；沖頭形狀；塑性變形；數值模擬

劇烈塑性變形（SPD）是近年來極具潛力的細化晶粒的一種方法[1]，等通道角擠壓（ECAP）是最具有代表性的一種SPD方法，ECAP變形過程不改變材料的橫截面面積和截面形狀，可實現材料的多道次成形，積累大的應變量，達到細化材料組織的功效[2]。

近些年來，科研工作者一直致力于常規的ECAP工藝研究，然而發現由于ECAP是剪切變形主導的非均勻變形模式，所以其獲得組織不夠均勻，損傷較大。何運斌[3]對ECAP過程剪切變形前后組織進行定量比對分析；曾許多[4]研究了擠壓速率和溫度對ECAP可加工性的影響規律；王堯[5]和陳文杰[6]對ECAP變形裂紋萌生機制進行研究，并提出一種最佳ECAP工藝；任國成[7]對不同模具外角對ECAP變形過程的影響進行模擬。

針對ECAP獲得材料組織均勻性不高，存在應變損傷的缺陷，本文通過改變ECAP沖頭形狀，建立相應的數值模型，研究其對ECAP形變的影響。

1 數值模型建立

1.1 材料庫建立

本文以純銅為研究對象，將工業純銅在PWS-1000拉伸機上進行應變速率為0.01/s的拉伸試驗，獲得其室溫條件下的應力應變曲線，如圖1所示。將獲得的實驗數據導入DEFORM-3D V6.1軟件的材料流變應力數據庫中，材料的屈服準則原則為Von Mises準則，硬化原則采用各向同性的模型，楊氏模量1.15×105MPa，泊松比0.33，熱膨脹1.76×10-5mm/ （mm·℃），熱傳導 43N/（s·℃），熱容量 3.42N/ （mm2·℃），輻射量0.7。

圖1 應力應變曲線圖

1.2 模型建立

在ECAP中，引入一個新的幾何參數λ，即理論剪切面與沖頭和坯料的交界面之間的順時針夾角被定義為λ，λ取0°、45°和90°。λ取45°的圓柱坯料直徑10mm，高度60mm，另外兩個直徑10mm，平均長度60mm，錐角45°，則整體高度為65mm。上模垂直的下壓速度V＝1mm/s，壓下量取45mm。摩擦條件為剪切摩擦，摩擦系數0.12。模型如圖2所示。

2 模擬結果與分析

圖2 ECAP模型圖

2.1 載荷分析

ECAP變形過程中的載荷變化曲線如圖3所示。

對試樣進行應力分析發現，ECAP作用下，試樣可能從棒料上表面產生垂直的裂紋萌生和擴展，所以如果試樣經多次擠壓后發生斷裂，那么斷裂位置是在試樣沿出口通道方向的上表面位置，這和我們實際擠壓時發生斷裂的位置完全吻合。另外可以看到，試樣在內轉角處的應力集中相當嚴重，這也是斷裂從此表面產生的重要原因。

圖3 載荷隨壓下量變化圖

由圖可以發現，在不同λ值的情況下，變形載荷均先以較大速率不斷增大，達到最大值后又逐漸降低，降幅較小。這是因為在ECAP擠壓過程中，要不斷施加坯料通過轉角時的剪切變形力。除此之外，載荷還要不斷克服坯料與模具型腔之間的摩擦，隨著坯料逐漸被擠出，坯料與模腔內壁的正壓力減小，因而摩擦力減小，所以擠壓力有所降低，且降值較少。同時還可以看到隨著λ的增大，最大載荷也隨之增大，λ=0°時Fmax最小僅為3.13e+004N，而λ=90°時Fmax=3.20e+004N，為最大。這主要與沖頭形狀對材料通道內部的摩擦力影響有關。當采用λ=0°沖頭時可明顯減少通道內部摩擦而采用λ=90°增大了通道內部摩擦，因為材料在ECAP變形時載荷的很大一部分是用來克服摩擦力的，所以摩擦力越大，所需載荷就越大，即λ=90°時，所需載荷最大，λ=45°時次之，而λ=0°時所需載荷最小。

2.2 應力分析

圖4為純銅ECAP后沿試樣正中間對稱面切開，試樣內部的等效應力分布圖，從圖中可以看到等效應力的最大值主要分布在轉角處的剪切變形區，從剪切變形區向試樣的頭部和尾部，等效應力逐漸減小。同時，試樣的內轉角處的應力分布要比外轉角處更集中。

圖4 應力分布圖

2.3 應變分析

圖5為變形后等效應變分布柱狀圖和應變分布圖。對于應變分布圖，總體來看，變形主要發生在剪切變形區，擠壓試樣頭部變形較小，外轉角附近與出口通道底部相接觸部分應變較大，外轉角附近等效應變比內轉角附近的大。由等效應變分布柱狀圖結合應變分布圖分析可知，λ=0°和λ=90°兩種情況下，坯料都能發生很大的剪切變形，應變值較大，而λ=45°時，坯料很少發生較大剪切變形，應變值較小。從等效應變分布柱狀圖可以看出，λ=90°時，應變分布相對均勻，而λ=45°時，應變分布就相對不均勻，這將會影響到坯料變形后坯料的分布均勻性。

圖5 等效應變分布柱狀圖和應變分布圖

2.4 坯料損傷

由圖6中坯料損傷圖可以直觀地看出三種情況下坯料的損傷區域都主要發生在坯料擠壓完成后與通道接觸的上邊緣區，這主要與應力集中有關。由圖6中損傷分布柱狀圖可知，λ=45°時，坯料損傷最大值最小，而λ=0°時，坯料損傷最大值最大，可以認為，坯料的損傷情況與沖頭的形狀有很大關系，在λ=0°時，在坯料的上邊緣區產生相對較大的應力集中，λ=45°時應力集中相對較小。但我們可以發現，在λ=45°和λ=90°時，坯料的平均損傷值明顯比λ=0°時要大。這個結果對于沖頭的改良和模具的優化具有一定的指導意義。

2.5 流動速度

圖7中上方為純銅在進入ECAP擠壓剪切帶前的流動速度矢量圖，可以明顯地看出，在豎直通道內，坯料的速度流動總體都是豎直向下的，λ=0°時，流動方向略微偏向右，λ=45°時速度流動方向均勻向下，λ=90°時，流動方向略微向左，在坯料進入剪切變形區，即在坯料進入模具轉角處，λ=0°時，坯料在模具轉角處流動比較平緩，緩慢向右轉變，λ=45°時，坯料流動不太平緩，方向劇烈轉變向右，而在λ=90°時，有速度分布矢量圖中轉角處的速度流動可以看出，在靠近模具外轉角處，速度流動較為雜亂，速度向右轉變的更為劇烈。這是由于沖頭形狀不同，坯料所受擠壓力方向有所不同導致。

圖6 坯料損傷圖和分布柱狀圖

圖7 進入剪切帶時前和擠壓結束時的速度矢量圖

圖7中下方為ECAP擠壓結束時的流動速度矢量圖，從圖中可以清楚地看到試樣上各點的瞬時流動方向。從速度分布圖可以看出試樣在出口通道中的速度比較均勻，在入口通道中靠近內轉角的部分，流動速度分布不太均勻，越靠近中間剪切變形區，流動速度越不同步，在靠近外轉角的區域，試樣的流動速度最慢。

2.6 流動網格

圖8為三種沖頭擠壓方式下流變網格圖，正方形的小網格代表坯料的初始狀態，經過剪切變形后，總體來看，三種情況的小網格都發生了不同程度的變形，而且λ=0°、λ=45°和λ=90°三種小網格變形區別不是很大。因此，我們對坯料的橫截面進行分析，變形前和變形后的狀態如圖9所示，變形前為圓形，變形后為近似橢圓形，仔細分析會看出，λ=90°時，變形后橢圓更加扁平，λ=0°時次之，由此可以得出，λ= 90°時，坯料的應變更加劇烈，應變值更大些。

圖8 流變網格圖

圖9 橫截面分析圖

3 結論

本文采用有限元數值模擬分析對ECAP工藝進行了研究，研究了三種不同類型沖頭（λ=0°，λ=45°，λ=90°）對ECAP結果的影響，得到如下主要結論：

（1）采用λ=90°，比λ=0°和λ=45°更能提高經一次通道ECAP擠壓后坯料的均勻性。λ=0°時的ECAP獲得的坯料組織平均損傷較另外兩種更小。

（2）ECAP工藝中，λ角的使用主要改變了內轉角的摩擦力和塑性流動模式，λ=90°時可以把材料推擠到內轉角通道的角落間隙里。因此，消除角落間隙可采用λ=90°沖頭，這樣可以使坯料得到更大的剪切變形。

[1]汪程鵬，李付國，陸紅亞，等.劇烈塑性變形制備微納米材料的變形細化機理[J].金屬熱處理，2012，（2）：14-19.

[2]汪程鵬，李付國，陳 波，等.塊狀超細晶材料的劇烈塑性變形制備技術（英文）[J].稀有金屬材料與工程，2012，（6）：941-946.

[3]何運斌，潘清林，劉曉艷，等.鎂合金等通道轉角擠壓過程中的晶粒細化機制[J].中國有色金屬學報，2011，（8）：1785-1793.

[4]曾許多，張陽明，胡方勤，等.Zn-22Al合金ECAP變形行為及對顯微組織的影響[J].熱加工工藝，2013，23：20-23+27.

[5]王 堯.ECAP技術對不同組織結構的LY12鋁合金高溫壓縮變形與損傷行為影響的研究[D].沈陽：東北大學，2009.

[6]陳文杰.ECAP工藝對6061鋁合金性能的影響[D].南京：南京航空航天大學，2011.

[7]任國成，趙國群，徐淑波，等.AZ31鎂合金等通道轉角擠壓變形均勻性有限元分析[J].中國有色金屬學報，2011，（4）：848-855.

ECAP simulation and analysis research of the punchshape

SONG Yuchen,ZHANG Liangxue,ZHANG Zeping,LI Cheng, LU Fangyuan,ZHONG Yanmei,WANG Chengpeng
（College of Materials Science and Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,Shanxi China）

The DEFORM-3Dfinite element has been adopted to simulate and analyze the proposal of the process deformation mechanism for ECAP in the text.Anew geometric para meter λ(the clockwise angle between theoretical shearing surface and the interface of punch and billet)has been introduced.By Comparing with conventional horizontal punch(λ=45°),the uniformity of billet after extrusion by one-time ECAP channel has been improved by adopting the beveled punch (λ=90°).Whilethe average damage has been significantly reduced by adopting the beveled punch (λ=0°).It will provide theoretical guidance for process research of ECAP.

Equal-channel angular extrusion;Shape of punch;Plastic deformation;Numerical simulation

TG376

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.02.020

1672-0121（2017）02-0066-04

2016-12-09；

2017-02-04

宋宇晨（1995-），男，主攻材料成形與控制工程研究。

E-mail：llsyc@126.com