袁峻池，王曉溪，張 翔，高源洋，井新宇，黃曉晴

（1.徐州工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018；2.江蘇徐工工程機(jī)械研究院有限公司，江蘇 徐州 221004；3.高端工程機(jī)械智能制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221004）

超細(xì)晶材料（Ultrafine grained materials，簡稱UFG）因其具有高強(qiáng)度、良好的塑韌性等優(yōu)異的力學(xué)性能以及許多不同尋常的物理、化學(xué)性能，近年來成為材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1～2]。等通道轉(zhuǎn)角擠壓（Equal Channel Angular Pressing，簡稱ECAP）被公認(rèn)為是當(dāng)今制備塊體超細(xì)晶材料最有效且最具工業(yè)前景的一種典型的劇烈塑性變形技術(shù)[3]。與傳統(tǒng)塑性工藝相比，ECAP 最大優(yōu)勢在于試樣的尺寸和形狀在加工變形前后沒有明顯改變。因此，材料可在不改變徑向尺寸的前提下實(shí)現(xiàn)多道次重復(fù)變形，以累積更高的等效塑性應(yīng)變，從而細(xì)化材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，提高材料綜合力學(xué)性能[4]。

模具結(jié)構(gòu)和擠壓道次是影響ECAP 變形過程及其材料組織性能的重要因素[5～6]。徐淑波等[7]研究了模具幾何形狀對純鋁ECAP 變形均勻性的影響，認(rèn)為當(dāng)模具外角為120°時(shí)，試樣整體變形較均勻；洪浩洋等[8]對2024 鋁合金進(jìn)行室溫8 道次擠壓后發(fā)現(xiàn)，試樣累積等效應(yīng)變與擠壓道次成正比關(guān)系；孫安娜等[9]研究了不同路徑下6063 鋁合金室溫ECAP 變形規(guī)律，認(rèn)為從變形效果來看，A 路徑是最佳選擇，但若考慮材料整體的均勻性，需采用BC 路徑進(jìn)行擠壓。

本文以塑性較好的1060 鋁合金為研究對象，采用有限元數(shù)值模擬軟件Deform-3D，建立起120°模具BC 路徑下1060 鋁合金1～4 道次ECAP 變形有限元模型，研究多道次變形過程中材料的塑性變形行為，獲得材料內(nèi)部金屬流動、擠壓載荷、等效應(yīng)變等場量的分布及變化規(guī)律。同時(shí)，在自行設(shè)計(jì)的ECAP模具上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究材料內(nèi)部組織性能變化規(guī)律，以其為ECAP 工藝參數(shù)的優(yōu)化及模具設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 有限元模型的建立

采用Pro/E 軟件建立ECAP 變形幾何模型，并將其導(dǎo)入至三維有限元數(shù)值模擬軟件DEFORM-3D。材料選用程序自帶的工業(yè)純鋁，坯料為塑性體，模具為剛體。采用四面體網(wǎng)格對原始坯料進(jìn)行離散，網(wǎng)格數(shù)為30000。為獲得良好的變形均勻性，多道次模擬選用BC 變形路徑（相鄰兩道次之間將坯料沿固定方向旋轉(zhuǎn)90°）。坯料與模具之間接觸關(guān)系選用常剪切模型，摩擦因數(shù)為0.12，具體有限元模擬參數(shù)設(shè)置如表1 所示。本文最終建立的有限元模型如圖1 所示。

圖1 ECAP 變形有限元模型

表1 ECAP 變形有限元模擬參數(shù)設(shè)置

2 模擬結(jié)果分析與討論

2.1 試樣宏觀變形

采用物理網(wǎng)格變形實(shí)驗(yàn)觀察ECAP 變形過程中材料內(nèi)部的金屬流動變形規(guī)律。將原始坯料沿中心縱截面對稱剖開，并在其表面劃若干條等間距網(wǎng)格線，正方形網(wǎng)格尺寸為2mm×2mm，如圖2 所示。

從圖2 可以看出，ECAP 變形過程可分為三個(gè)階段：

圖2 坯料內(nèi)部網(wǎng)格變形實(shí)驗(yàn)對比

（1）未變形區(qū)Ⅰ：該區(qū)域坯料位于入口通道內(nèi)，未發(fā)生剪切變形。由于通道尺寸與坯料尺寸基本相同，坯料僅受到?jīng)_頭擠壓力和摩擦力作用，網(wǎng)格尺寸基本不發(fā)生變化；

（2）正在變形區(qū)Ⅱ：該區(qū)域坯料恰好通過模具轉(zhuǎn)角，發(fā)生劇烈剪切變形作用，網(wǎng)格受剪切被拉長，由初始的正方形變成了平行四邊形，

（3）變形完成區(qū)Ⅲ：該區(qū)域坯料完成ECAP 剪切變形，不斷被擠入出口通道，類似于發(fā)生剛性平移，網(wǎng)格呈近似均勻平行四邊形分布。

圖3 給出了ECAP 變形過程中材料內(nèi)部金屬流動速度的變化規(guī)律。由圖3 可知，ECAP 擠壓過程中金屬流動連續(xù)、平穩(wěn)。由于受到摩擦力的影響[10]，坯料靠近表面的部分與中心部位流速出現(xiàn)差異，金屬流動方向有向下表面回轉(zhuǎn)的趨勢[11]。因此，變形后坯料頭部出現(xiàn)了一定程度的傾斜，出現(xiàn)了“翹曲”現(xiàn)象。這點(diǎn)也可以從圖2 的坯料網(wǎng)格變形特征中觀察到（見圖中圓圈所示），且模擬結(jié)果和擠壓實(shí)物吻合度較高，從而證明了本文有限元模型的可靠性。

圖3 ECAP 變形中流速變化圖

2.2 擠壓載荷

圖4 為不同變形道次下1060 鋁合金ECAP 變形過程的載荷—行程曲線。由圖可知，各道次擠壓載荷變化趨勢基本相似，都呈現(xiàn)出“急速上升—緩慢增加—趨于平穩(wěn)”的變化規(guī)律[12]。ECAP 變形初期，坯料頭部首先進(jìn)入轉(zhuǎn)角，在此發(fā)生劇烈剪切塑性變形，擠壓載荷急劇上升。隨著變形量增大，坯料各部分依次連續(xù)通過轉(zhuǎn)角剪切變形區(qū)，材料內(nèi)部出現(xiàn)加工硬化，擠壓載荷繼續(xù)增大，但增幅變小。變形后期，隨著材料不斷被擠入模具出口通道，坯料與模具內(nèi)壁之間的接觸面越來越小，摩擦力逐漸降低，因此，擠壓載荷略有下降，變形趨于平穩(wěn)，直至變形結(jié)束。

圖4 不同道次下擠壓載荷的變化規(guī)律

從圖4 還可看出，隨著擠壓道次的增加，載荷繼續(xù)增大，但增幅逐漸減小，2 道次變形后變形逐漸趨于穩(wěn)定。考慮這與坯料經(jīng)多道次變形，應(yīng)變累積達(dá)到一定程度后，材料內(nèi)部出現(xiàn)動態(tài)軟化現(xiàn)象有關(guān)。劉國心等[13]研究發(fā)現(xiàn)，高純鋁經(jīng)BC 路徑2 道次ECAP 變形后屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度達(dá)到極值，隨著變形量的增加，材料出現(xiàn)了應(yīng)變軟化，發(fā)生了動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶，這與本文上述研究結(jié)果較為相符。

2.3 等效應(yīng)變

ECAP 變形過程中，材料內(nèi)部累積應(yīng)變量的大小對其晶粒細(xì)化效果起著決定性作用。圖5 為不同道次下坯料內(nèi)部中心縱截面的等效應(yīng)變的分布云圖。

從圖5 可以看出，坯料經(jīng)ECAP 擠壓變形后，除頭、尾小部分區(qū)域存在變形不均勻外，材料內(nèi)部形成了較大的均勻應(yīng)變區(qū)。隨著擠壓道次的增加，坯料內(nèi)部累積等效應(yīng)變量增大，上、下表面應(yīng)變梯度明顯減小，變形均勻性也得到了明顯改善。4 道次擠壓后，坯料內(nèi)部形成了一個(gè)穩(wěn)定的均勻變形區(qū)，呈近似平行四邊形分布，累積等效應(yīng)變量高于2.5。

圖5 不同道次下坯料中心縱截面等效應(yīng)變分布云圖

為準(zhǔn)確地觀察各道次變形過程中坯料內(nèi)部的等效應(yīng)變變化規(guī)律，利用點(diǎn)追蹤的方法在中心縱截面上沿高度方向等距離選取7 個(gè)特征點(diǎn)（間隔為2 mm）進(jìn)行追蹤，如圖6a 所示。由圖可知，各道次下等效應(yīng)變的變化及分布規(guī)律基本相似。受摩擦力影響，靠近坯料上、下表面區(qū)域累積等效應(yīng)變量比中心部分略低，變形相對較小，這與圖2 所示材料內(nèi)部的網(wǎng)格變化規(guī)律相符。同時(shí)，隨著材料變形道次的增加，等效應(yīng)變累積效果逐步提高。

為更加直觀地表征不同道次下坯料內(nèi)部的變形均勻程度，引入變形均勻性系數(shù)α，并根據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算[14]，其結(jié)果如圖6b 所示。

式中：αmax為截面最大等效應(yīng)變；αmin為截面最小等效應(yīng)變；αave為截面平均等效應(yīng)變。

從圖6b 可以看出，隨著ECAP 變形道次的增加，坯料變形均勻性系數(shù)不斷降低，尤其是2 道次變形后下降最為明顯，表明此時(shí)材料內(nèi)部逐漸形成了穩(wěn)定的變形區(qū)域，這與前述圖4 所示的擠壓載荷分布變化規(guī)律相一致。

圖6 不同道次下追蹤點(diǎn)等效應(yīng)變及坯料變形均勻性

Iwahashi 等[15]在不考慮摩擦力的前提下，建立了ECAP 變形累積等效應(yīng)變理論值N 與模具內(nèi)、外角之間的關(guān)系式，如式（2）所示：

由式（2）計(jì)算出將各道次下坯料內(nèi)部累積等效應(yīng)變的理論值，并將其與本文的模擬預(yù)測值進(jìn)行對比，結(jié)果如表2 所示。

表2 坯料中心縱截面等效應(yīng)變值對比

從表2 可知，各道次下等效應(yīng)變理論值與模擬預(yù)測值較為接近，平均相對誤差約為5.86%。仔細(xì)觀察表2 還可以發(fā)現(xiàn)，上述所有條件下的模擬預(yù)測值均大于理論計(jì)算值。考慮這與累積等效應(yīng)變理論計(jì)算時(shí)忽略摩擦等因素的影響等有關(guān)，這一結(jié)果也與文獻(xiàn)[16]中高建燁等人的研究結(jié)論較為接近。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

為驗(yàn)證上述有限元模擬結(jié)果，進(jìn)一步對工業(yè)純鋁ECAP 變形進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)材料為1060 鋁合金退火態(tài)棒料，擠壓坯料尺寸為?15 mm×60mm。采用自行設(shè)計(jì)的120°ECAP 模具（圖7），在YD32G—100型液壓機(jī)上進(jìn)行室溫1～4 道次擠壓變形。實(shí)驗(yàn)前，采用MoS2—石墨復(fù)合潤滑劑對坯料表面和模具內(nèi)壁進(jìn)行潤滑，以降低坯料與通道之間的摩擦力，確保坯料能順利擠出。具體實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)與前述表1 所設(shè)置的模擬參數(shù)完全一致。變形結(jié)束后，利用線切割沿各道次坯料橫截面取樣，制備成標(biāo)準(zhǔn)金相試樣，在MDS400 倒置金相顯微鏡上進(jìn)行金相組織觀察。采用德國KB30S 型全自動維氏顯微硬度試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行硬度測試，在試樣中心區(qū)域附近等距離選取5 個(gè)測試點(diǎn)，取其平均值作為該條件下所測試樣的硬度值。

圖7 坯料在ECAP 模具內(nèi)的實(shí)物圖（1/2）

3.2 微觀組織

圖8 為不同變形條件下1060 鋁合金的光學(xué)微觀組織。從圖8 可以看出，初始態(tài)1060 鋁合金為原始鑄態(tài)組織[17]，晶粒粗大且尺寸不均。一道次ECAP擠壓后，材料在轉(zhuǎn)角處受到劇烈塑性剪切變形，晶粒沿剪切方向被顯著拉長，發(fā)生細(xì)化和破碎，組織分布具有一定的方向性，與水平擠壓方向約成45°[18]。隨著擠壓道次增加后，材料內(nèi)部累積應(yīng)變量增大，剪切特征更加明顯，晶粒繼續(xù)得到細(xì)化[19]。4 道次變形后，剪切帶更加狹長，晶粒細(xì)化效果十分明顯，光學(xué)顯微鏡下已難以分辨出晶界。

圖8 不同道次下ECAP 變形試樣的金相組織

3.3 顯微硬度

圖9 為不同變形道次下1060 鋁合金平均顯微硬度的變化規(guī)律。從圖中可看出，1 道次擠壓后，材料顯微硬度值顯著提高，表明ECAP 變形過程中材料內(nèi)部發(fā)生了劇烈的剪切塑性變形。由Hall-Petch 公式[20]可知，材料這一強(qiáng)化現(xiàn)象與其內(nèi)部晶粒細(xì)化效果密切相關(guān)。隨著擠壓道次的增加，材料顯微硬度值繼續(xù)增大，但增幅不斷減小。2 道次變形后，顯微硬度逐漸趨于飽和，這與材料內(nèi)部出現(xiàn)動態(tài)軟化現(xiàn)象有關(guān)。經(jīng)4 道次ECAP 擠壓后，1060 鋁合金平均顯微硬度值從初始退火態(tài)30.42 HV 增加至54.50 HV，增幅高達(dá)79.2%，材料力學(xué)性能得到大幅提升。

圖9 各道次下平均顯微硬度的變化規(guī)律

4 結(jié)論

（1）ECAP 變形過程中，坯料在轉(zhuǎn)角處發(fā)生劇烈的純剪切變形，頭部出現(xiàn)了翹曲現(xiàn)象，擠壓載荷呈現(xiàn)“ 急速上升—緩慢增加—趨于平穩(wěn)”的變化規(guī)律。1 道次ECAP 擠壓后，材料內(nèi)部形成了穩(wěn)定的均勻變形區(qū)，累積應(yīng)變約為0.613。

（2）隨著擠壓道次的增加，擠壓載荷繼續(xù)上升但增幅逐漸變小，2 道次后基本趨于穩(wěn)定；材料內(nèi)部累積等效應(yīng)變不斷增大，且應(yīng)變均勻性得到顯著改善。4 道次變形后，坯料內(nèi)部等效應(yīng)變量約為2.628，內(nèi)部的均勻性系數(shù)為0.068。

（3）1060 鋁合金經(jīng)多道次ECAP 變形后，組織沿剪切方向被拉長，大量晶粒發(fā)生細(xì)化和破碎。同時(shí)，材料力學(xué)性能得到改善，顯微硬度硬度值從初始退火態(tài)30.42HV 增加至4 道次變形后54.50HV，增幅高達(dá)為79.2%。