王宗申，管延錦，魏修亭，朱光明

(1.山東理工大學(xué)機械工程學(xué)院，山東淄博 255000；2.山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟南 250061)

模壓變形工藝及其研究進展

王宗申1，管延錦2，魏修亭1，朱光明1

(1.山東理工大學(xué)機械工程學(xué)院，山東淄博 255000；2.山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟南 250061)

為了系統(tǒng)地研究模壓變形工藝在制備大體積超細晶金屬板材方面的應(yīng)用，在介紹模壓變形工藝基本原理、塑性力學(xué)解析及分類的基礎(chǔ)上，闡述了變形道次、變形溫度和模具結(jié)構(gòu)等工藝因素對模壓變形的影響規(guī)律和機理，歸納了變形材料的熱穩(wěn)定性、工藝改進及變形路徑、變形均勻性分析及工藝優(yōu)化等關(guān)鍵問題，對模壓變形工藝在室溫難變形金屬板材中的應(yīng)用、變形板材的塑韌性和成形性能改善以及工藝的塑性變形機理等方面的研究趨勢進行了展望：未來模壓變形工藝將著眼于鎂合金、鈦合金等塑性加工能力差但又極具工業(yè)應(yīng)用潛力的金屬板材，注重變形板材使用性能的調(diào)控機理與方法的研究，尋求防止裂紋產(chǎn)生的有效工藝措施，同時系統(tǒng)深入地揭示模壓變形材料組織結(jié)構(gòu)和性能的演變機理，為揭示模壓變形材料組織結(jié)構(gòu)和性能的演變機理提供了參考。

塑性加工工藝與設(shè)備；模壓變形；變形道次；模具結(jié)構(gòu)；熱穩(wěn)定性；變形路徑；工藝優(yōu)化

隨著航空航天、交通運輸和軍事裝備等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，制備具有高比強度和良好塑性相匹配的材料，實現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化和降低能耗，成為國際材料領(lǐng)域的研究熱點[1]。細化晶粒能夠有效改善金屬材料的綜合力學(xué)性能。與傳統(tǒng)材料相比，超細晶(ultra-fine grained, UFG)材料表現(xiàn)出更為優(yōu)越的力學(xué)性能、成形性能以及物理與化學(xué)性能，應(yīng)用前景十分廣闊[2-5]。劇烈塑性變形(severe plastic deformation, SPD)方法通過引入大量的塑性變形來細化材料的晶粒組織，從而制備出性能優(yōu)異的UFG材料，并且變形前后材料的外形尺寸基本不發(fā)生變化，頗具工業(yè)應(yīng)用潛力[6-8]。常見的SPD方法有等通道轉(zhuǎn)角擠壓(equal-channel angular pressing, ECAP)[9]、高壓扭轉(zhuǎn)變形(high-pressure torsion, HPT)[10]、累積疊軋焊接(accumulative roll-bonding, ARB)[11]、多向鍛造(multi-directional forging, MDF)[12]、反復(fù)折彎-壓直(repetitive corrugation and straightening, RCS)[13]等方法。其中，只有ARB和RCS適用于制備大體積UFG板材。然而，ARB對工藝條件的要求非?？量蘙14]，RCS的變形效果并不理想[6]，從而限制了這2種方法的工程應(yīng)用和發(fā)展。模壓變形(groove pressing, GP)是一種適用于制備大體積UFG金屬板材的新型SPD方法，與其他方法相比，GP工藝優(yōu)勢顯著，從而引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[15-16]。本文詳細介紹了GP工藝的基本原理、塑性變形特點和分類，并結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，總結(jié)了變形道次、變形溫度、模具結(jié)構(gòu)等因素對GP工藝的影響規(guī)律和機理，同時深入分析GP工藝研究的幾個關(guān)鍵問題，并進行了展望。

1 GP工藝原理及分類

1.1 工藝原理

2002年，SHIN等[15]首先提出限制模壓變形(constrained groove pressing, CGP)工藝，并通過該工藝將退火純鋁的平均晶粒尺寸由1.2 mm細化至0.5 μm，板材的力學(xué)性能得到明顯改善，其工藝原理如圖1所示。

圖1 CGP工藝原理圖Fig.1 Schematic illustration of CGP process

圖1 a)和圖1 c)分別為變形所用的壓彎模具和壓平模具。其中，模具結(jié)構(gòu)參數(shù)主要指壓彎模具的齒寬(T)和傾角(θ)。整個變形過程中，試樣四周始終受到模具側(cè)壁的限制作用。同時，模具閉合間隙與試樣厚度相等，以保證試樣承受平面應(yīng)變條件下的純剪切變形，如圖1 b)所示。由于壓彎模具齒形的非對稱性，當(dāng)試樣繞其平面法向旋轉(zhuǎn)180°后，未變形部分將經(jīng)歷與已變形部分相同的變形，從而能夠在整個試樣范圍內(nèi)均勻地累積塑性應(yīng)變，如圖1 d)— 圖1 f)所示。通常情況下，將圖1所示的4次壓制過程合稱為1個變形道次。經(jīng)過多道次的變形，即可在試樣內(nèi)部累積大量的塑性應(yīng)變以獲得UFG結(jié)構(gòu)，而不改變試樣的原始形狀和尺寸?？梢?，CGP不僅克服了ECAP，HPT和MDF難以制備大體積UFG板材的缺點，而且避免了ARB工藝過程中對板材和軋輥的表面質(zhì)量以及環(huán)境氣氛的苛刻要求。不同于RCS，CGP對板材施加的是純剪切變形，更容易累積足夠的等效塑性應(yīng)變。

1.2 塑性力學(xué)解析

通常情況下，SPD方法的晶粒細化效果與材料在有效變形道次內(nèi)累積的塑性應(yīng)變總量密切相關(guān)，決定于每一道次的應(yīng)變量與實際變形道次數(shù)。對于每一道次的應(yīng)變量，SHIRDEL等[17]和楊開懷等[18]借助塑性力學(xué)解析的方法對CGP工藝的塑性應(yīng)變累積公式進行了理論推導(dǎo)。圖2所示為壓彎試樣的幾何形狀示意圖。

圖2 壓彎試樣示意圖Fig.2 Schematic illustration of a groove pressed sample

根據(jù)塑性力學(xué)基礎(chǔ)理論，等效應(yīng)變：

(1)

理論上，CGP試樣承受平面應(yīng)變條件下的純剪切變形，因此，

εx=εy=εz=εxy=εyz=0。

(2)

又切應(yīng)變：

(3)

式中H為壓彎模具的齒高。

相應(yīng)地，真實切應(yīng)變：

(4)

結(jié)合式(1)—式(4)可得，單次壓制獲得的等效應(yīng)變：

(5)

當(dāng)變形N道次時，試樣累積等效應(yīng)變：

(6)

特別地，當(dāng)模具傾角θ取45°時，

(7)

1.3 工藝分類

圖3 其他GP工藝類型Fig.3 Other types of GP process

根據(jù)變形過程中模具側(cè)壁對試樣水平位移的限制情況，可以將GP工藝分為限制模壓變形(constrained groove pressing, CGP)、半限制模壓變形(semi-constrained groove pressing, SCGP)和非限制模壓變形(unconstrained groove pressing, UGP)。通常將以上3種工藝類型統(tǒng)稱為GP。其中，CGP即如圖1所示，SCGP取消了模具側(cè)壁對試樣前后位移的限制作用，如圖3 a)所示。研究表明，SCGP的變形狀態(tài)介于平面應(yīng)變和平面應(yīng)力之間，且與CGP相比，兩者在材料的晶粒細化與性能改善效果方面的差異并不明顯[17，19]。UGP則取消了模具側(cè)壁對試樣水平位移的所有限制，如圖3 b)所示[20-21]。與前2種工藝相比，UGP的變形機制發(fā)生明顯改變，尤其體現(xiàn)在壓平階段：試樣在經(jīng)歷剪切變形的同時向兩端滑動伸展，導(dǎo)致試樣的實際切變角度小于模具傾角，幾何尺寸也發(fā)生明顯變化，工藝效率顯著下降[18，22-23]。同時，UGP試樣表面的變形量高于內(nèi)部，而CGP試樣的等效應(yīng)變累積則主要集中在內(nèi)部，且應(yīng)變值更接近理論計算結(jié)果[24-25]。為實現(xiàn)工藝過程的連續(xù)性，LEE等[26]結(jié)合傳統(tǒng)的軋制工藝，提出了限制模壓軋制(constrained groove rolling, CGR)。然而，軋制過程中出現(xiàn)板材的減薄和伸長，致使后續(xù)變形難以得到有效控制。

2 GP工藝的主要影響因素研究現(xiàn)狀

2.1 變形道次

(8)

式中：b為柏氏矢量；L為位錯自由程。

隨著等效應(yīng)變的不斷累積，材料的位錯密度逐漸升高，又因為晶粒尺寸與ρ-1/2成正比，似乎可以得出，材料的晶粒組織能夠得到持續(xù)的細化。事實上，位錯的增殖和湮滅之間的動態(tài)平衡是塑性變形過程中材料微觀組織演變的主要特征。當(dāng)位錯密度提高到一定水平時，動態(tài)回復(fù)開始起主導(dǎo)作用，位錯湮滅速率升高，導(dǎo)致GP后期位錯密度的變化趨于穩(wěn)定，晶粒細化效率逐漸降低，甚至趨近于零。對于銅鋅合金而言，當(dāng)應(yīng)變量超過10時晶粒細化效率會再次升高，是由于晶粒細化的主導(dǎo)機制由位錯滑移機制轉(zhuǎn)變?yōu)閷\生變形機制，即孿晶與孿晶之間的相互作用成為晶粒進一步細化的主要機理[28，34]。

材料的強度和硬度隨變形道次的變化規(guī)律大致相同，均是在第1道次顯著提高，第2，3道次時達到飽和，后續(xù)道次則會出現(xiàn)不同程度的降低[17，19-21，31，33]。研究表明，加工硬化和細晶強化引起變形初期材料強度的大幅度提高，而流動軟化和微裂紋的共同作用導(dǎo)致高應(yīng)變水平時材料強度的下降，至于2種機制的作用程度如何，目前尚不明確[32]。通常情況下，材料的斷后伸長率在1道次變形后明顯下降，后續(xù)道次降幅逐漸減小并趨于穩(wěn)定。少數(shù)研究中發(fā)現(xiàn)，GP后期材料的斷后伸長率會出現(xiàn)小幅回升，推測是由位錯的動態(tài)回復(fù)與晶粒尺寸的微增引起的[15，35]。分析拉伸試樣的斷口形貌發(fā)現(xiàn)，所有變形道次的試樣均表現(xiàn)為韌性斷裂，隨著變形道次的增加，晶粒細化使得韌窩數(shù)量逐漸增多、變淺、尺寸減小，而且分布更為均勻[36]。此外，GP材料在塑性指標(biāo)顯著降低的同時，還伴隨加工硬化指數(shù)的降低與應(yīng)變速率敏感性指數(shù)的升高，即晶粒細化導(dǎo)致材料的超塑性趨勢明顯[31-32，37-39]。

2.2 變形溫度

變形溫度對SPD材料的組織與性能演變及塑性變形機理的影響非常顯著，然而，目前有關(guān)GP工藝的研究多數(shù)是基于室溫變形的。一般來說，變形溫度較低時(低于0.2Tm)，SPD材料的晶粒尺寸更小[40]。KRISHNAIAH等[20-21]在2005年分別研究了低溫條件對純鋁和純銅板材GP過程的影響，發(fā)現(xiàn)低溫變形對材料微觀組織的影響并不明顯，卻更容易引發(fā)微裂紋的萌生與擴展。因此，與室溫變形相比，材料的拉伸性能更差。同時，雖然低溫變形能夠獲得更高的顯微硬度，但變形均勻性較差，而且不均勻程度隨變形道次逐漸提高。

對于鎂合金、鈦合金等極具開發(fā)應(yīng)用潛力的金屬結(jié)構(gòu)材料，其室溫塑性變形能力卻很差。因此，相應(yīng)的GP過程必須在合適的溫度條件下才能保證較為理想的工藝效果。SUNIL等[41]在2013年報道了AZ31鎂合金的GP工藝研究，在300 ℃下對鎂合金板材成功進行了3道次變形，材料的晶粒組織得到明顯細化，研究結(jié)果著重反映了GP在提高鎂合金生物醫(yī)用性能方面的巨大潛力。然而，到目前為止，針對鎂合金、鈦合金板材的GP研究并不多見。因此，設(shè)計相應(yīng)的工裝，解決模具設(shè)計、工藝控制等關(guān)鍵問題，研制帶有加熱元件和溫度控制系統(tǒng)的等溫GP實驗裝置，對于深入探索變形溫度的影響規(guī)律和內(nèi)在機理以及促進GP工藝在難變形材料的晶粒細化與性能調(diào)控方面的應(yīng)用和推廣至關(guān)重要。

2.3 模具結(jié)構(gòu)

在SPD方法的研究過程中，合理的模具結(jié)構(gòu)對提高變形的均勻性、優(yōu)化工藝過程以及改善晶粒細化效果等都起著至關(guān)重要的作用。作為GP模具的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，齒寬和傾角都將直接決定最終的變形效果。雖然理論上模具齒寬并不影響工藝的等效應(yīng)變累積效率，但實際變形時，模具齒寬對有效變形道次、工藝效率以及變形均勻性的影響都非常顯著。增大模具齒寬可以增加材料可承受的變形道次[42-46]。PENG等[28]研究發(fā)現(xiàn)，在壓彎變形初期，板材試樣靠近模具齒形拐角部分的彎曲半徑隨模具齒寬的增大而增大，表面裂紋得到有效抑制，試樣可承受的有效變形道次增加[42-44]。模具齒寬對GP工藝效率的影響主要體現(xiàn)在：較小的模具齒寬能夠獲得較高的晶粒細化效率，并且細化效果更為顯著；模具齒寬對GP材料強度和伸長率的影響并不大，只是在模具齒寬較小時，試樣表面更容易萌生微裂紋，不利于材料拉伸性能的改善；與大齒寬相比，小齒寬變形時試樣的平均硬度略高，但硬度分布的均勻程度相對較低[46]。研究表明，當(dāng)模具結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時，試樣厚度也會影響GP過程[47]：等效應(yīng)變的累積效率會隨試樣厚度的增加而提高，而應(yīng)變分布均勻程度則明顯下降?？梢酝茰y，模具齒寬和試樣厚度對GP工藝的影響效果存在一定的內(nèi)在聯(lián)系。因此，在研究影響模具結(jié)構(gòu)的參數(shù)時，試樣尺寸對工藝效果的影響也不容忽視。

由式(6)可知，模具傾角直接決定GP過程的應(yīng)變累積效率。SAJADI等[48]研究發(fā)現(xiàn)，雖然增大模具傾角可以提高單道次的應(yīng)變累積量，但是模具傾角為45°時明顯優(yōu)于53°的變形均勻性。同時，較大的模具傾角將會減少材料的有效變形道次，而且晶粒細化與拉伸性能的改善效果也相對較差。BORHANI等[49]通過改進傳統(tǒng)的GP模具結(jié)構(gòu)，由橡膠墊替代剛性上模，提出了橡膠墊限制模壓變形(rubber pad-constrained groove pressing, RP-CGP)。研究表明，50°的模具傾角比45°時能夠獲得更高的等效應(yīng)變累積、晶粒細化和力學(xué)性能改善效率，但變形均勻性下降?？梢姡壳皩τ谀＞啐X寬和傾角的影響規(guī)律及機理的研究仍然缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識和系統(tǒng)的解釋。

WANG等[50]以N6工業(yè)純鎳為實驗材料，結(jié)合工藝實驗、數(shù)值模擬和理論分析等方法，詳細研究了模具齒寬和傾角對GP工藝的影響情況。研究發(fā)現(xiàn)，減小模具傾角能夠降低剪切變形的劇烈程度，改善試樣的塑性和表面質(zhì)量，增加有效變形道次，但應(yīng)變累積效率較低；然而，與其他研究結(jié)果不同，增大模具齒寬并未增加有效變形道次，反而使工藝效率顯著降低。理論分析表明，當(dāng)試樣尺寸一定時，模具齒寬與傾角分別存在某一最佳上限取值：在不超過該取值時，隨著兩者的增大，工藝效果逐漸改善；當(dāng)超過該取值時，則難以保證穩(wěn)定的純剪切變形，變形方式開始向彎曲變形轉(zhuǎn)變，試樣表面更容易萌生裂紋，從而對后續(xù)變形產(chǎn)生不利影響。值得注意的是，對于模具傾角而言，上述最佳上限取值的理論計算結(jié)果約為50.8°，恰好解釋了SAJADI等[48]和BORHANI等[49]在研究中得出的不同結(jié)論。

3 GP工藝研究的幾個關(guān)鍵問題

3.1 GP材料的熱穩(wěn)定性

一般來說，SPD制備的UFG材料通常具有超高的內(nèi)能，且組織結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定。同時，雖然UFG材料的強度和硬度較高，但在變形后期塑性和成形性能往往會顯著降低。適當(dāng)?shù)淖冃魏鬅崽幚砜梢杂行Ц纳撇牧系乃茼g性，同時保持SPD獲得的超高強度和硬度，從而獲得良好的綜合性能。因此，研究GP強化UFG材料的熱穩(wěn)定性，掌握熱處理工藝對材料微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，對GP工藝在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用與推廣尤為重要。

RAFIZADEH等[51]研究了變形道次、中間退火和變形后退火對GP純銅試樣的屈服強度、硬度以及變形組織的影響。研究表明，2道次變形配合200 ℃，20 min的中間退火處理，能夠獲得均勻的顯微組織和較為優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。當(dāng)退火溫度不超過300 ℃時，GP純銅的組織與性能能夠保持相對較好的熱穩(wěn)定性，因為在此溫度范圍內(nèi)，由再結(jié)晶引起的晶界密度增加比位錯密度的降低更占優(yōu)勢。KHODABAKHSHI等[52]對不同道次變形的GP低碳鋼板在100～600 ℃之間、間隔100 ℃進行20 min的變形后退火處理，以考察變形道次和退火溫度對材料組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果顯示，退火處理能夠在保證試樣強度和硬度水平的同時，顯著改善材料的斷后伸長率。同時，材料的組織和力學(xué)性能在400 ℃時仍能保持較好的熱穩(wěn)定性，此時，材料的強度、斷后伸長率以及硬度分布的均勻性俱佳。因此，可以將400 ℃作為GP低碳鋼板的參考退火溫度。此外，超過400 ℃的變形后退火處理將導(dǎo)致晶粒的異常長大，并伴隨材料力學(xué)性能顯著下降。

王宗申等[53]以1060工業(yè)純鋁為研究對象，借助透射電子顯微鏡(TEM)和電子背散射衍射(EBSD)等分析測試手段，深入研究了變形道次和變形后退火處理對材料微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響規(guī)律及內(nèi)在機理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，GP及退火后純鋁的晶界主要以小角度晶界為主，應(yīng)變不均勻性貫穿于變形及退火過程的始終。同時，不同道次變形的純鋁板材在300 ℃退火時，UFG結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能仍能保持較好的熱穩(wěn)定性。其中，2道次變形試樣在300 ℃退火1 h后的綜合性能指標(biāo)相對最優(yōu)。此外，在低溫回復(fù)階段退火時，材料的屈服強度出現(xiàn)不同程度的提高，即所謂“退火強化”現(xiàn)象，RAFIZADEH等[51]和KHODABAKHSHI等[52]也在研究中得到了類似的結(jié)果，推測是由晶界位錯源抑制強化所致[54-55]。

3.2 GP工藝改進及變形路徑

當(dāng)變形條件一定時，SPD材料的晶粒尺寸與其在變形過程中累積的等效應(yīng)變量有關(guān)。一般來說，累積等效應(yīng)變量越大，晶粒就越細小[56-57]。根據(jù)GP工藝的基本原理，理論上通過增大模具傾角和增加有效變形道次，都可以提高材料的晶粒細化程度，并進一步改善材料的力學(xué)性能。通過前文分析可知，模具傾角并非越大越好，因此，當(dāng)模具傾角一定時，可以通過改進GP工藝來盡可能地增加有效變形道次，進而提高總的等效應(yīng)變累積量。例如，HOSSEINI等[32]采用聚四氟乙烯薄膜作為潤滑材料，以改善模具與純鋁板材之間的接觸條件，從而延緩表面裂紋的產(chǎn)生，將有效變形道次提高到6道次，相應(yīng)的理論等效應(yīng)變量接近7。然而，研究結(jié)果表明，增加有效變形道次后，材料的晶粒細化效果雖然有所改善，但改善效果并不明顯，同時，材料強度在第6道次反而有所下降?？梢?，一味地提高等效應(yīng)變累積量，并不能有效改善GP工藝效果。

在基于模具結(jié)構(gòu)形式的工藝改進方面，BORHANI等[49]提出了RP-CGP，但變形效果并不理想；SAJADI等[48]在研究模具傾角影響的同時，提出了CSC(covered sheet casing)法，即在GP過程中將厚度為1 mm的純鋁試樣用上、下兩層厚度為0.4 mm的銅板薄層覆蓋，同樣是為了延緩試樣表面裂紋的出現(xiàn)。結(jié)果表明，CSC法能夠增加有效變形道次，并且顯著提高材料的力學(xué)性能和變形均勻程度。THANGAPANDIAN等[58]以鋁鎂合金為研究對象，研究了V型、水平型和半圓型3種壓彎模具齒形對材料硬度、拉伸性能以及顯微組織的影響，發(fā)現(xiàn)半圓型模具能夠增加有效變形道次，同時，使用水平型和半圓型兩種壓彎模具時工藝效率較高且獲得的變形組織均勻性較好，而水平型模具卻能獲得更高的抗拉強度與硬度。

事實上，在施加等量塑性應(yīng)變的前提下，GP工藝的晶粒細化程度遠低于ECAP，HPT等其他SPD方法，主要是由于其簡單的變形場和特殊的加載條件[28]。從GP工藝的剪切變形特點來看，與ECAP工藝中的C路徑類似，試樣雖然承受理論上的純剪切變形，但剪切變形方向單一且始終保持不變，即只存在一個最大剪切應(yīng)力平面。因此，變形所能開動的滑移系數(shù)量非常有限，工藝效率相對較低。所以說，GP材料的晶粒尺寸、顯微組織、力學(xué)性能等并非僅取決于等效應(yīng)變量，還與變形場的復(fù)雜程度[59]、剪切變形方向[60]等密切相關(guān)。其次，由于GP工藝特殊的加載條件，如果在壓彎階段產(chǎn)生的部分位錯未被位錯纏結(jié)、位錯墻、晶界等障礙釘扎，則該階段引發(fā)的滑移變形有可能在接下來的壓平階段被抵消，從而導(dǎo)致幾何必須位錯(geometrically necessary dislocations, GNDs)的減少，這也是導(dǎo)致GP工藝效率較低的主要原因。因此，雖然HPT變形也只有一個最大剪切應(yīng)力平面，但是剪切應(yīng)變只沿同一加載方向，即不存在上述滑移變形的抵消現(xiàn)象，所以HPT工藝的晶粒細化程度相對較高[28]。除了上述原因之外，與塊體金屬相比，金屬板材具有更大的比表面積，而自由表面為位錯的湮滅過程提供了有利條件，也將導(dǎo)致GP工藝效率降低[61]。

PENG等[28]提出了交叉模壓變形(Cross-GP)工藝，并以Cu-38Zn合金板材為研究對象進行了相關(guān)的實驗和有限元模擬研究[34，59，62]。Cross-GP的工藝原理如圖4 a)所示，即在2個完整的GP道次之間，將板材試樣繞平面法向(Z向)旋轉(zhuǎn)90°。不難看出，Cross-GP的變形方式與ECAP中的Bc路徑相似。研究表明，與其他ECAP路徑相比，采用Bc路徑時，材料晶粒在3個方向上均可獲得均勻的塑性變形，有利于形成大角度晶界，晶粒細化效果最為顯著[9]。類似地，與傳統(tǒng)GP工藝相比，Cross-GP能夠增加有效變形道次，累積更高的等效應(yīng)變量，晶粒細化效率和細化程度更高[28]。在此基礎(chǔ)上，楊開懷等[60]又提出了90° Cross-GP，即在每一次壓彎和壓平之后就將試樣繞法向旋轉(zhuǎn)90°，如圖4 b)所示。變形路徑的改變對材料組織的演變規(guī)律影響并不大，但對晶粒細化效率與大角度晶界的形成起關(guān)鍵作用。引入Cross-GP能夠不斷改變最大剪切應(yīng)力平面，提高變形場的復(fù)雜程度，有利于多個滑移系的同時開動，促進位錯增殖，從而加速晶粒細化進程[28，60]。同時，改變剪切變形方向還有利于晶粒的旋轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)動，從而促進大角度晶界的形成。

圖4 Cross-GP工藝原理圖Fig.4 Schematic illustration of Cross-GP process

KHODABAKHSHI等[63-64]通過實驗和有限元模擬研究了低碳鋼板的Cross-GP過程，并著重分析了不同變形階段試樣的等效應(yīng)變和硬度沿板材軋向(rollingdirection,RD)、橫向(transversedirection,TD)和法向(normaldirection,ND)的分布情況。結(jié)果表明，變形的不均勻性始終存在，但會隨著變形道次逐漸改善。同時，沿試樣RD的變形均勻程度要優(yōu)于TD，而Cross-GP可以有效降低板材的各向異性，顯著提高塑性變形和力學(xué)性能的均勻程度。SATHEESHKUMAR等[65]研究了變形路徑對純鋁板材組織演化、晶界特征與力學(xué)行為的影響規(guī)律。與傳統(tǒng)的GP工藝相比，雖然Cross-GP對晶粒細化程度的影響并不顯著，卻能影響材料的大角度晶界和小角度晶界比例的變化情況。同時，通過改變加載條件，可以延緩試樣微裂紋的產(chǎn)生，增加有效變形道次，從而引入更高的等效應(yīng)變量，獲得更為優(yōu)異的力學(xué)性能。綜上所述，變形路徑的改變能夠有效改善GP工藝效果，為新工藝的應(yīng)用研究提供了新思路、新方向。然而，相關(guān)的理論分析和機理解釋仍然不夠深入，亟待更為系統(tǒng)、全面的研究和探索。

3.3 GP均勻性分析及工藝優(yōu)化

理想情況下，GP試樣在每次變形過程中的等效應(yīng)變累積結(jié)果是完全相同的，同時應(yīng)變在整個試樣范圍內(nèi)均勻分布。然而，受工藝條件和模具結(jié)構(gòu)等外界因素的影響，試樣的實際變形情況往往與理論結(jié)果存在較大差異，尤其體現(xiàn)在變形的均勻性上，而變形均勻性在很大程度上決定了材料的微觀組織和綜合性能。因此，在保證較高的等效應(yīng)變水平的前提下，必須盡可能地提高變形的均勻性。WANG等[66]從不同角度分析了GP純銅板材變形均勻性的變化規(guī)律，研究過程中引入不均勻性因子(inhomogeneity factor, IF)[51-52]作為定量評價試樣顯微硬度分布情況的主要指標(biāo)，其具體計算公式為

(9)

通常情況下，IF值越大，表明數(shù)據(jù)的均勻程度越低。由于IF考慮樣本平均值對數(shù)據(jù)均勻性的影響，所以評價結(jié)果更為客觀、可靠。研究表明，GP試樣的顯微硬度分布在第1道次表現(xiàn)出明顯的不均勻性，并隨變形道次的增加而逐漸得到改善。同時，變形均勻性的改善效果在第2道次最為顯著，之后便不再明顯[66-67]。YOON等[68]基于有限元分析結(jié)果提出了GP試樣的區(qū)域劃分方法。理論上，GP試樣分為剪切變形區(qū)(shear region)和未變形區(qū)(undeformed flat region)，如圖2所示。然而，實際變形過程中，在剪切變形區(qū)和未變形區(qū)之間還存在臨界變形區(qū)(interface region)。YOON等[68]指出，臨界變形區(qū)是由剪切變形區(qū)和未變形區(qū)之間的相互作用形成的，該區(qū)域的存在是導(dǎo)致變形不均勻性產(chǎn)生的根本原因。

作為一種基于SPD的金屬板材改性工藝，GP模具齒寬、傾角、圓角半徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)和變形溫度、摩擦系數(shù)、變形速率等工藝參數(shù)都將對變形均勻性、材料的組織結(jié)構(gòu)與性能等產(chǎn)生顯著影響。然而，目前多是針對單一參數(shù)的孤立研究，仍然缺乏上述參數(shù)對變形的協(xié)同影響規(guī)律的研究[69]。因此，有必要綜合考慮各影響因素的協(xié)同作用，對工藝過程進行系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，并評定各因素的影響顯著程度，從而提出相應(yīng)的工藝改進措施，為新工藝的工程應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。在工藝優(yōu)化過程中，變形均勻性的定量指標(biāo)(如等效應(yīng)變或顯微硬度的IF值等)即可作為主要的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。WANG等[70]以5052鋁合金板材為研究對象，采用Taguchi法設(shè)計試驗方案，通過有限元模擬計算不同工藝參數(shù)下GP試樣等效應(yīng)變分布的IF值，結(jié)合信噪比(S/N ratio)和變異數(shù)分析(analysis of variation, ANOVA)技術(shù)，研究了模具齒寬、傾角、摩擦系數(shù)和變形速率等對變形均勻性的影響規(guī)律，并優(yōu)化獲得了最佳的工藝參數(shù)組合，變形均勻性得到有效改善。SIDDESHA等[71]也基于Taguchi法研究了SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)、應(yīng)變速率、變形道次、試樣厚度和熱處理時間等對GP金屬基復(fù)合材料(Al6061/SiC)的拉伸性能的影響規(guī)律，并分別獲得了對應(yīng)最佳抗拉強度和塑性指標(biāo)的工藝參數(shù)組合。

4 結(jié) 語

十多年來，GP工藝已經(jīng)成功應(yīng)用于多種金屬及合金板材的晶粒細化中，其在制備性能優(yōu)異的大體積UFG金屬板材方面的工業(yè)應(yīng)用與開發(fā)潛力已經(jīng)得到國內(nèi)外學(xué)者的普遍認(rèn)可?？偨Y(jié)國內(nèi)外的相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn)，雖然在變形道次、變形溫度、模具結(jié)構(gòu)等工藝因素的影響規(guī)律方面取得了一定的研究成果，但是對于變形材料的熱穩(wěn)定性、工藝改進及變形路徑、變形均勻性分析及工藝優(yōu)化等幾個關(guān)鍵問題，仍然需要進一步的探索。此外，為了推動GP理論研究的發(fā)展和促進新工藝的工程應(yīng)用，未來還需要在以下幾個方面展開深入研究。

1) 研究對象不僅僅局限于塑性較好的金屬或合金，針對極具工業(yè)應(yīng)用潛力、但室溫塑性加工能力較差的鎂合金、鈦合金等，設(shè)計開發(fā)成熟可靠的等溫實驗系統(tǒng)，著重探討變形溫度和變形路徑對材料組織和性能的調(diào)控方法與機理，具有重要的理論意義和實踐價值。

2) 諸多研究表明，GP板材的塑韌性和成形性能并不理想，表面裂紋的出現(xiàn)將對材料的表面質(zhì)量、后續(xù)的變形和加工以及使用性能產(chǎn)生不利影響。因此，有必要定性和定量地分析GP板材的斷裂行為及裂紋預(yù)測方法，揭示裂紋的萌生與擴展機理，并結(jié)合工藝優(yōu)化研究，尋求延緩裂紋產(chǎn)生的有效措施。

3) 目前有關(guān)GP工藝機理的解釋尚不成熟，而且缺乏系統(tǒng)性。因此，深入探索材料性能、組織結(jié)構(gòu)和工藝過程之間的內(nèi)在聯(lián)系，揭示GP板材的強韌化、晶粒細化和塑性變形機理，仍然是今后研究的重點和難點。

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Groove pressing and its research progress

WANG Zongshen1, GUAN Yanjin2, WEI Xiuting1, ZHU Guangming1

(1.School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo, Shandong 255000, China; 2. School of Material Science and Engineering, Shandong University, Jinan, Shandong 250061, China)

In order to systematically study the application of groove pressing in preparing bulk mass ultra-fine grain sheet metal, the fundamental principles, plastic mechanics analysis and classification of groove pressing are introduced, and on the basis of which, the influence rules and mechanism of processing factors such as pass number, deformation temperature and die structure on groove pressing are reviewed, and some key problems such as thermal stability of processed materials, process improvements and deformation path, deformation homogeneity analysis and process optimization are summarized. The research trends of groove pressing in the fields of application to sheet metals difficult to deform at room temperature, improvement of ductility, toughness and formability of processed sheets as well as its plastic deformation mechanism are prospected: in the future, groove pressing will be used for sheet metals which have limited formability but wide industrial applications such as magnesium alloys and titanium alloys, and much attention should be paid to investigation on performance adjustment mechanism and methods for processed sheets and exploration of effective technological measures for preventing cracks; meanwhile, the evolution mechanism of microstructure and properties of groove pressed materials must be systematically and thoroughly revealed.

plastic processing technology and equipment; groove pressing; pass number; die structure; thermal stability; deformation path; process optimization

1008-1542(2017)03-0218-11

10.7535/hbkd.2017yx03002

2016-11-25；

2017-01-17；責(zé)任編輯：陳書欣

國家自然科學(xué)基金(51605266)

王宗申(1986—)，男，山東淄博人，講師，博士，主要從事金屬劇烈塑性變形方法方面的研究。

E-mail:wangzsh@sdut.edu.cn

TG113

A

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