限制性模壓強塑性變形對7075鋁合金厚板晶粒細化效果研究

成子豪，吳廣善，陳飛

限制性模壓強塑性變形對7075鋁合金厚板晶粒細化效果研究

成子豪，吳廣善，陳飛

（上海交通大學 模具CAD國家工程研究中心，上海 200030）

研究熱軋態7075鋁合金厚板經限制模壓變形后微觀組織演變情況。利用ABAQUS有限元軟件對限制模壓變形壓彎過程進行模擬仿真，得到限制模壓壓彎試樣等效應變分布情況，對160 mm× 160 mm×15 mm的7075鋁合金試樣分別開展限制與非限制性模壓變形物理實驗。380 ℃時非限制性模壓變形試樣變形至4道次發生明顯開裂，限制模壓變形試樣變形至5道次未出現裂紋。2種變形方式均可實現組織晶粒細化，與非限制性模壓變形試樣相比，限制模壓變形試樣組織晶粒細化效果更顯著，且組織中不同角度晶界分布更均勻，晶體取向更集中。

強塑性變形；限制模壓；晶粒細化；7075鋁合金

相較于傳統的金屬材料，超細晶材料（UFG）以其優異的力學性能受到廣大科研工作者的青睞[1-3]。大塑性變形（SPD）技術可以使變形材料獲得較大的剪切應變，從而能夠有效細化組織晶粒，因此被認為是當前制備塊狀UFG材料最有效的途徑之一[4-7]。常見的SPD方法主要包括高壓扭轉[8-9]、等徑角擠壓[10-11]、多向鍛造[12]及限制性模壓等。其中高壓扭轉和等徑角擠壓只能生產較小尺寸的UFG材料，不可用于制備塊體超細晶材料；多向鍛造細化晶粒能力相對較弱并且制備的材料存在組織不均勻現象。

限制模壓變形（CGP）作為一種新型的SPD方法，在制備大體積UFG金屬板材方面具有明顯優勢[13]。該方法利用一套壓彎模具和壓平模具對試樣反復施加純剪切變形，能夠在基本不改變試樣原始尺寸和形狀的情況下，在材料內部累積大量剪切應變，從而達到細化晶粒的目的。

根據變形過程中模具側壁是否對試樣水平方向位移進行限制，CGP工藝可以分為完全限制模壓變形（FCGP）[14]、半限制模壓變形（SCGP）[15]和非限制模壓變形（UGP）[16-17]。SCGP去掉了模具側壁對試樣前后位移的限制，UGP則取消了模具對試樣水平位移的所有限制。

現有的CGP相關研究主要集中于金屬薄板經模壓變形后實現組織性能的改善，對中厚板的研究相對較少。文中選取厚度為15 mm的鋁合金厚板為研究對象，通過實驗對比研究了FCGP和UGP變形后試樣晶粒細化效果。

1 實驗

1.1 模具與材料

實驗材料為熱軋態商用7075鋁合金板材，其主要化學成分如表1所示，將板材切割成尺寸為160 mm×160 mm×15 mm的方形試樣。實驗采用的CGP模具如圖1所示，模具斜面角為=45°，模具齒寬為=20 mm。

表1 Al7075的化學成分（質量分數）

Tab.1 Chemical composition of Al7075 (mass fraction) %

圖1 CGP模具示意圖

1.2 限制模壓變形工藝的原理及有限元模擬

CGP工藝流程由1套壓彎模具和1套壓平模具完成。一個CGP道次包括4次壓制變形：第1次變形是將一定尺寸的板材試樣放置于壓彎模具中進行局部壓彎變形，試樣的傾斜部分承受純剪切變形，而試樣的水平部分未發生變形；第2次變形是將彎曲試樣放入壓平模具中進行壓平變形；第3次變形是將模壓試樣繞平面法向（軸）旋轉180°后重新放入壓彎模具進行變形；第4次變形是再次使用壓平模具進行壓平。FCGP與UGP工藝的區別主要體現在壓平階段，試樣平面方向位移有無受到模具側壁的限制。圖2為FCGP變形過程，試樣平面方向（向與向）的位移均受到模具側壁的限制。

因為壓彎模具齒形具有非對稱性，原本未發生變形的區域在旋轉180°后，在第3次變形中發生壓彎并在第4次變形中發生壓平，經歷了與已變形區域相同的剪切變形，最終在整個試樣上均勻地累積等量的等效塑性應變。

基于ABAQUS/Explicit求解器，選取二維條件下的平面應變模型，建立單道次CGP工藝壓彎變形的有限元分析模型。圖3為一次CGP壓彎變形試樣的等效應變分布云圖，可以看出，試樣主要分為剪切變形區、非變形區與臨界變形區，由于臨界變形區的存在，實際變形結果與理論情況存在一定的差異。試樣的傾斜部分，即所謂的剪切變形區的等效應變分布不均勻，由內向外逐漸降低，極值出現在剪切變形區的心部，約為0.9，而非理論計算值的0.58。理論上的非變形區也累積了一定的等效應變，說明該區域發生了塑性變形，同時該區域的應變分布也不均勻，靠近壓彎模具凸齒側的等效應變幾乎為0，沿方向逐漸升高，在靠近壓彎模具凹齒側達到該區域應變極值，約為0.3。臨界變形區位于剪切變形區與非變形區之間，是由兩者相互作用形成的。

圖2 FCGP工藝原理

圖3 一次壓彎CGP試樣的等效應變

2 結果與分析

2.1 實驗試樣形貌

常溫下該合金材料塑性較差無法進行CGP變形，因此將試樣加熱至380 ℃，保溫30 min，對試樣分別進行FCGP與UGP變形實驗。變形時壓彎模具的齒形方向與試樣的軋制方向平行，試樣表面出現明顯的宏觀裂紋后停止變形。UGP變形4道次發生完全開裂，而FCGP變形至5道次未出現明顯裂紋。

圖4為一次壓彎后的試樣形貌，表面較為光滑，試樣彎曲輪廓基本與模具齒形一致，試樣與模具凹齒的貼合并不緊密，大致呈圓滑過渡，材料流動不充分導致試樣與模具間存在“模角間隙”。模具齒形拐角處變形最為劇烈，最易出現顯著宏觀裂紋。

圖4 一次壓彎CGP試樣

不同道次UGP試樣的尺寸如圖5所示，由于UGP變形實驗取消了對試樣平面方向的所有限制，因此UGP試樣的幾何尺寸發生了改變，主要表現為長度的增加與厚度的減小，試樣經1道次變形后長度變為180 mm，4道次變形后試樣長度為210 mm，此時試樣發生明顯開裂。同時，在壓平階段，試樣在進行剪切變形的同時向兩端發生滑動，試樣的實際切變角小于模具齒傾角，因此其單位道次的等效應變累積降低，而FCGP變形前后試樣幾何尺寸基本不發生變化。

圖5 不同道次UGP試樣的尺寸

2.2 微觀組織演化分析

2.2.1 UGP變形

圖6a為熱軋態商用7075鋁合金板材的初始組織，可以看出，組織沿軋制方向被拉長為長條形，最長的晶粒達1.2 mm，寬度為幾十微米不等，長寬比較大，在大晶粒周圍不均勻地分布著尺寸較小的細晶組織。圖6b—d分別為經1、2、4道次UGP變形后試樣的EBSD微觀組織。第1道次變形后，晶粒尺寸迅速減小，初始組織中的長條狀晶粒被橫向切割，但晶粒尺寸分布不均。隨著剪切變形繼續進行，等效應變量繼續累積，晶粒組織進一步細化。第4道次變形完成后，初始組織的長條形組織消失，晶粒尺寸進一步細化，尺寸均勻性明顯提升。

圖7a—d為初始組織及經1、2、4道次UGP變形后等效晶粒尺寸的分布情況，可以看出，初始材料的晶粒尺寸很不均勻，相當一部分晶粒的等效圓直徑達500 μm，經1道次變形后，晶粒尺寸等效圓直徑控制在250 μm以內，第4道次晶粒尺寸等效圓直徑基本控制在100 μm以內，大部分晶粒等效圓直徑在50 μm以內，第1道次晶粒細化效果最顯著，之后變形的晶粒細化效率逐漸下降。王宗申[20]在工業純鋁的CGP變形中也得到基本一致的晶粒細化效率規律，這是因為模壓變形后期的動態回復使位錯湮滅速率提升、位錯密度趨于穩定，最終導致晶粒細化效率降低。

圖8為不同道次UGP試樣的鄰近對（Correlated）和隨機對（Uncorrelated）的取向差分布情況。鄰近對取向差可以表征晶界角度，可以看出，初始試樣是以小角度晶界為主。第1道次變形后，5°～10°的小角度晶界占比減少，40°～50°的大角度晶界占比顯著提升，其原因是角度較小的晶界演變為大角度晶界。圖9為初始態材料的KAM（Kernel Average Misorientation）圖，反映了晶粒內部位錯密度及變形儲能的大小，可以看出初始態材料內部儲能很高，因此經1道次變形后，變形儲能的耗散促使晶界角度增加。由圖6c和d可知，晶粒內部生成了大量的小角度晶界，隨著變形道次的增加，40°～50°的大角度晶界占比減少，其原因是變形量的增加導致更多的小角度晶界產生。

隨機對與理論值曲線的偏移情況可以反映材料組織晶體取向的集中情況，由圖8可以看出，初始態材料2條曲線峰值的橫坐標偏移較大，表明初始態材料織構較強。隨著變形道次的增加，2條曲線偏移減小并逐漸趨于一致，表明變形后材料的織構減弱，各向異性不再明顯。鄰近對與隨機對的差異表明了不同角度晶界分布的均勻情況，差異越小表明晶界分布越均勻。由圖8可以看出，隨著變形道次的增加，2條曲線的差異越來越大，表明不同角度的晶界分布越不均勻。

圖6 不同道次UGP試樣的EBSD微觀組織形貌

圖7 不同道次UGP試樣的晶粒尺寸分布

理論上，UGP試樣較FCGP試樣可以承受更多的變形次數，但受工藝過程與模具結構的限制，很難實現對變形溫度的精準控制，在380 ℃溫度下，試樣進行4道次UGP變形就發生完全開裂。同時UGP試樣長度增加，使變形區滑動，這也是導致晶粒細化效果減弱的一大原因。因此有必要開展同一溫度下的FCGP實驗進行對比。

圖8 不同道次UGP試樣的EBSD晶界取向差分布

圖9 不同道次UGP試樣的EBSD KAM圖

2.2.2 FCGP變形

圖10為380 ℃試樣經5道次FCGP變形后的EBSD微觀組織及晶粒尺寸分布。相比于初始組織，晶粒尺寸大幅度減小，細化效果最為顯著，初始組織中的大晶粒被完全破碎，但較多晶粒仍保留長條形特征，大晶粒周圍隨機分布細晶。晶粒尺寸等效圓直徑基本控制在100 μm以內，大部分晶粒在40 μm以內，只存在少量粗大晶粒。FCGP變形至第5道次，試樣的等效應變累積高達約5.80，晶粒細化效果明顯優于UGP的4道次變形。

圖11為5道次FCGP試樣EBSD晶界取向差分布情況，可以得知，與初始試樣相比，小角度晶界占比顯著降低，大角度晶界占比增加，其中50°～60°晶界占比增加最為顯著，較多的小角度晶界演變為大角度晶界。與UGP變形不同的是，FCGP試樣EBSD隨機對取向差與理論值偏移較大，表明FCGP變形后的試樣織構集中，造成這種差異的主要原因是試樣在FCGP變形過程中平面位移（向與向）受到限制，組織無法擇優取向。另外，鄰近對與隨機對取向差的差異較初始組織減小，表明試樣經FCGP變形后不同角度晶界分布更均勻。

圖10 5道次FCGP試樣的EBSD微觀組織形貌及晶粒尺寸分布

圖11 5道次FCGP試樣的EBSD晶界取向差分布

3 結論

1）UGP與FCGP變形均可使熱軋態7075鋁合金厚板實現晶粒細化，隨著變形道次和變形量的增加，晶粒細化效果越好。材料的晶粒細化效果在第1道次變形最為顯著，后續細化效率逐漸下降。

2）由于難以實現對UGP變形試樣溫度的精準控制，因此鋁合金厚板UGP試樣難以承受較多的變形道次。同時，變形過程中試樣長度增加使變形區滑動，導致其等效應變累積降低。因此FCGP的晶粒細化能力更為突出。

3）FCGP試樣中不同角度晶界分布較UGP試樣更均勻，FCGP試樣晶體取向較UGP試樣更集中，織構更強。

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Grain Refinement Effect of 7075 Aluminum Alloy Thick Plate by Constrained Groove Pressing with Severe Plastic Deformation

CHENG Zi-hao, WU Guang-shan, CHEN Fei

(National Die & Mold CAD Engineering Center, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China)

The work aims to study the microstructure evolution of hot rolled 7075 aluminum alloy thick plate after constrained groove pressing deformation.The finite element software ABAQUS was used to simulate the bending process of the constrained groove pressing, and the equivalent strain distribution of the constrained groove pressing and bending samples was obtained. The constrained and unconstrained groove pressing physical experiments were carried out on the 160 mm× 160 mm×15 mm 7075 aluminum alloy samples respectively.At 380 ℃, obvious cracking occurred in the unconstrained groove pressing after 4 passes of deformation, and no cracks appeared in the constrained groove pressing after 5 passes of deformation. Both of the two deformation modes can achieve grain refinement. Compared with the unconstrained groove pressing sample, the grain refinement effect of the constrained groove pressing sample is more significant, the distribution of grain boundaries at different angles in the microstructure is more uniform, the crystal orientation is more concentrated.

severe plastic deformation; constrained groove pressing; grain refinement; 7075 aluminum alloy

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.04.005

TG146.2+1

A

1674-6457(2022)04-0038-08

2022-02-27

國家自然科學基金（U2037204）

成子豪（1998—），男，碩士生，主要研究方向為金屬劇烈塑性變形方法。

陳飛（1982—），男，博士，研究員，主要研究方向為金屬熱變形過程微觀組織演變與預報、材料柔性化加工方法與裝備。

責任編輯：蔣紅晨