大塑性變形技術(shù)的研究進(jìn)展

大塑性變形技術(shù)的研究進(jìn)展

1超細(xì)晶織物的制備提高和改善金屬結(jié)構(gòu)的有效途徑之一。采用傳統(tǒng)的鍛造、擠壓、軋制以及隨后的再結(jié)晶退火處理工藝,盡管其晶粒尺寸最小可達(dá)10μm并形成變形織構(gòu)和/或再結(jié)晶織構(gòu),但仍難以滿足對(duì)高性能材料的要求。采用大塑性變形(SeverePlasticDeformation,SPD)技術(shù)制備的材料通常具有超細(xì)晶(Ultra-FineGrained,UFG)組織,可獲得晶粒尺寸小于1μm的UFG材料并形成一些特殊的織構(gòu)組分,因此具有優(yōu)異的力學(xué)性能和使用性能,這主要是由SPD技術(shù)的變形特征所決定的。在SPD工藝中,作用于材料上的真應(yīng)變可超過4.0,所以這些經(jīng)過大塑性變形后的材料可具有UFG組織。而材料在SPD過程所承受的獨(dú)特的應(yīng)力狀態(tài)還可使材料形成不同于普通塑性變形所形成的變形織構(gòu)和退火處理所形成的再結(jié)晶織構(gòu),從而使材料的性能得以提高,如對(duì)于鋁合金,由于冷軋和隨后的退火處理會(huì)形成強(qiáng)烈的{100}〈001〉立方織構(gòu),難以獲得優(yōu)異的沖壓性能,而采用SPD工藝制備的帶材則可形成常規(guī)加工難以得到的{111}//ND類型的織構(gòu),從而提高其沖壓性能。所以,SPD技術(shù)已經(jīng)得到廣大研究者和工業(yè)界的重視,近些年研究者也提出了多種SPD工藝,并對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。本文系統(tǒng)介紹了幾種SPD工藝,對(duì)其基本原理和工藝進(jìn)行了闡述,分析比較了各工藝的優(yōu)缺點(diǎn),并對(duì)一種新的SPD技術(shù)即等徑角軋制工藝進(jìn)行了介紹。2約束板帶剪切制備目前,已經(jīng)開發(fā)的SPD技術(shù)主要有以下幾種工藝:等徑角擠壓(EqualChannelAngularExtrusionorPressing,ECAEorECAP)工藝、連續(xù)剪切(Conshearing)工藝、連續(xù)約束板帶剪切(ContinuousConfinedStripShearing,C2S2)工藝、等徑角軋制(EqualChannelAngularRolling,ECAR)工藝、累積疊軋(Accumulativeroll-Bonding,ARB)工藝、高壓扭轉(zhuǎn)(HighPressureTorsion,HPT)工藝、多向鍛造(MultipleForging,MF)工藝、循環(huán)擠壓壓縮(CyclicExtrusionCompression,CEC)工藝、連續(xù)反復(fù)彎曲(ContinuousCyclicBending,CCB)工藝以及反復(fù)彎曲矯直(RepetitiveCorrugationandStraightening,RCS)工藝等。2.1ecea制備工藝ECAE工藝作為一種通過大塑性變形獲得大尺寸UFG塊體材料的有效方法之一,是20世紀(jì)80年代初由前蘇聯(lián)科學(xué)家Segal等在研究鋼的微觀組織和變形織構(gòu)時(shí)提出的。該工藝是通過2個(gè)軸線相交且截面尺寸相等的通道,將被加工材料擠出,其基本原理如圖1所示。在加工過程中,因通道轉(zhuǎn)角的作用,材料發(fā)生剪切變形從而產(chǎn)生大的剪切應(yīng)變,由此導(dǎo)致位錯(cuò)的重排而使晶粒得到細(xì)化并形成新的剪切變形織構(gòu)。在ECAE工藝中,影響材料組織和性能的工藝參數(shù)主要包括模具結(jié)構(gòu)、擠壓路徑和擠壓道次、擠壓溫度、擠壓速度等。此外,材料的初始微觀結(jié)構(gòu)和相組成等對(duì)ECAE材料的微觀組織和力學(xué)性能也有重要的影響。該工藝中,材料發(fā)生的等效應(yīng)變量不僅取決于擠壓道次、通道夾角,還與模具外側(cè)圓弧角度等有關(guān),其總應(yīng)變?chǔ)臢計(jì)算公式如式(1):εN=N{2cot(?/2+ψ/2)+ψcos(?/2+ψ/2)3√}(1)εΝ=Ν{2cot(?/2+ψ/2)+ψcos(?/2+ψ/2)3}(1)式中:N為擠壓道次,?為兩通道內(nèi)側(cè)夾角,ψ為外側(cè)圓弧角。目前,世界上許多研究者對(duì)ECAE進(jìn)行了大量的研究,這可能是因?yàn)樵摴に嚦薊CAE模具和壓力機(jī)外,無需其它特殊設(shè)備,在實(shí)驗(yàn)室比較容易進(jìn)行。雖然ECAE可用于制備大塊材料,但通常其制備的試樣尺寸仍然很小且難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。近10多年來對(duì)ECAE工藝制備鋁合金、鈦合金、鎂合金、銅合金、鋼等材料已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究。2.2基于衛(wèi)星輥的一種大輥級(jí)模具從實(shí)際應(yīng)用的角度來看,ECAE工藝盡管可以批量加工,卻難以連續(xù)生產(chǎn),也難以加工薄板、帶材等。因此,Saito等提出了一種連續(xù)剪切工藝即Conshearing工藝,其基本原理如圖2所示。在Conshearing工藝中,用幾個(gè)小軋輥(衛(wèi)星輥)和1個(gè)大軋輥(中心輥)作為工作軋輥,軋輥線速度相同,在這些軋輥產(chǎn)生擠壓力的作用下,使板、帶材連續(xù)通過模具轉(zhuǎn)角。為了能使板材連續(xù)正常咬入并防止板材皺褶,在各衛(wèi)星輥之間設(shè)有引導(dǎo)靴。在這種裝置上可實(shí)現(xiàn)板、帶材的連續(xù)剪切變形,且通過多次軋制可產(chǎn)生很大的剪切變形。但為了使板、帶材順利通過模具轉(zhuǎn)角,模具通道夾角不能很小(如90°)。該工藝已成功應(yīng)用于制備鋁合金帶材,其結(jié)果表明可有效細(xì)化晶粒,形成剪切變形織構(gòu),提高鋁合金板材的沖壓性能。2.3雙輥軋軋雙輥液壓系統(tǒng)基本裝置在ecoa與Conshearing工藝類似,Lee等提出另一種連續(xù)ECAE工藝即C2S2工藝。C2S2工藝也能夠?qū)崿F(xiàn)帶材的連續(xù)簡(jiǎn)單剪切變形,其基本裝置如圖3所示。在該工藝中,采用普通的雙輥軋機(jī)作為送料裝置,但為了將材料順利送入ECAE模具,需在下輥表面加工出凹槽以增大其表面粗糙度。因此,與普通軋制板、帶材相比,該工藝所制備的樣品表面質(zhì)量非常差。與Conshearing工藝類似,其通道夾角也較大,一般在100~140°之間。采用該工藝對(duì)鋁及其合金、鋼等的研究表明,可獲得與ECAE材料類似的UFG組織和剪切變形織構(gòu)。2.4ecar變形特點(diǎn)上述2種工藝雖然均可實(shí)現(xiàn)板、帶材的連續(xù)剪切變形,產(chǎn)生大的塑性變形從而獲得UFG組織并形成剪切變形織構(gòu),進(jìn)而大大改善和提高材料的性能。但同時(shí)可看到,對(duì)于Conshearing工藝,需要用帶有行星輥的特殊軋機(jī)來實(shí)現(xiàn),而C2S2工藝由于在軋輥表面有凹形槽,嚴(yán)重影響了帶材的表面質(zhì)量。此外,對(duì)于C2S2工藝還需借助送料輥與帶材之間的摩擦力來提供變形力,增大了模具損耗,增加了模具加工精度要求。結(jié)合這些工藝的優(yōu)缺點(diǎn),作者在對(duì)鎂合金板材的研究中提出了一種連續(xù)ECAE工藝即ECAR工藝,并針對(duì)鎂合金的變形特點(diǎn)設(shè)計(jì)了在普通雙輥熱軋機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的ECAR裝置,如圖4所示。該工藝采用普通雙輥熱軋機(jī),將ECAR模具安裝于軋機(jī)出口處,ECAR模具與ECAE模具類似,主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括進(jìn)口和出口通道高度H、兩通道夾角θ、通道內(nèi)側(cè)圓弧半徑r、通道外側(cè)圓弧角ψ和半徑R。在ECAR過程中,板材首先通過兩軋輥產(chǎn)生一定的軋制壓下變形,然后利用板材與軋輥之間的摩擦力將板材送入模具進(jìn)口通道,并使之通過模具轉(zhuǎn)角,發(fā)生剪切變形。該工藝的關(guān)鍵在于防止板材發(fā)生剪切變形時(shí)失穩(wěn)起皺,而模具結(jié)構(gòu)、通道與板材間的摩擦力以及板材與通道之間的間隙均對(duì)板材的皺褶有很大影響,此外這些因素還影響到單道次軋制板材的應(yīng)變量。與ECAE工藝相比,ECAR工藝?yán)闷胀ㄜ垯C(jī)代替ECAE工藝中的壓力機(jī)來提供變形力,單純依靠軋制過程中板材與軋輥間產(chǎn)生的無效的摩擦力來提供動(dòng)力。ECAR工藝還無需單獨(dú)的擠壓桿,從而可制備厚度很薄的板材。與Conshearing工藝和C2S2工藝相比,ECAR工藝采用普通雙輥軋機(jī),無需特殊軋制設(shè)備或?qū)堓佭M(jìn)行其它加工,且制備的板材表面質(zhì)量也較好,并降低了模具設(shè)計(jì)和加工精度要求。由于Conshearing工藝、C2S2工藝以及ECAR工藝與ECAE均是利用剪切變形來實(shí)現(xiàn)大塑性變形,且這3種工藝的模具結(jié)構(gòu)也與ECAE模具類似,所以其剪切應(yīng)變量的近似計(jì)算也可采用式(1),但是當(dāng)板材與模具通道之間存在間隙時(shí),其應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)將發(fā)生改變,式(1)不再適用。目前,采用該工藝已經(jīng)成功制備出性能良好、尺寸規(guī)格達(dá)800mm×120mm(長(zhǎng)×寬)、厚度1.4~2mm的鎂合金板材,與未經(jīng)ECAR加工的AZ31鎂合金板材相比,塑性提高1倍以上且強(qiáng)度基本未發(fā)生改變,室溫下極限拉深比由1.2提高到1.6以上。2.5其他材料的制備ARB工藝的主要原理如圖5所示,其具體過程如下:首先在對(duì)板材進(jìn)行普通的軋制變形后,將板材均分為兩份并疊加,然后再軋制至原來的厚度,如此反復(fù)進(jìn)行,從而可實(shí)現(xiàn)很大的變形而厚度不發(fā)生變化。因此ARB工藝不僅是一個(gè)軋制變形過程,還包含一個(gè)焊合的過程(疊軋焊合)。所以為了取得好的焊合效果,獲得良好的結(jié)合界面,在每道次疊軋前,必須對(duì)材料進(jìn)行表面處理,采用鋼絲刷等去除材料表面的油污、雜質(zhì)、氧化物等。研究表明,在ARB工藝中材料并不存在難以焊合的問題,對(duì)于低碳鋼甚至在室溫下也可產(chǎn)生良好的焊合。但是,為了能取得好的焊合效果,表面處理是必不可少的。此外,在每道次疊軋過程中還存在一個(gè)臨界壓下量,當(dāng)壓下量低于該值時(shí)難以充分焊合。雖然臨界壓下量取決于材料、變形溫度等,但一般每道次的壓下量必須超過35%,所以與普通軋制相比該工藝的軋制力比較大。ARB工藝除了要求軋機(jī)具有較大的功率以實(shí)現(xiàn)每道次大壓下量的疊軋焊合外,對(duì)設(shè)備并無其它特殊要求。在ARB工藝中,一個(gè)嚴(yán)重的問題就是開裂。因?yàn)锳RB工藝的累積總應(yīng)變很大且其應(yīng)力狀態(tài)又較差,所以板材常常會(huì)發(fā)生邊裂現(xiàn)象,特別是在軋制道次較多時(shí)。在某些材料如Al-Mg合金中,其邊部裂紋往往會(huì)擴(kuò)展至板材中心,在這種情況下就不可能繼續(xù)進(jìn)行ARB加工。但研究表明[18,19,20,21,22,23],對(duì)于大多數(shù)金屬材料而言,通過一些技術(shù)改進(jìn)則可避免裂紋的產(chǎn)生,從而可制得成形良好的大尺寸板材。目前,ARB工藝已成功用于鋁合金、銅合金、鎳、鋼等材料的制備。2.6mf變形溫度與應(yīng)變量的關(guān)系MF工藝是由Salishchev等提出的一種制備UFG材料的方法,通常與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶聯(lián)系在一起。MF工藝的實(shí)質(zhì)是一個(gè)反復(fù)多向鐓粗與拔長(zhǎng)的自由鍛造過程,其原理如圖6所示。該工藝的變形溫度通常在0.1Tm~0.5Tm(Tm金屬熔點(diǎn))之間,由于變形溫度較高,可用來加工塑性較差的材料并降低對(duì)設(shè)備噸位的要求。但是,MF工藝中材料處于平面壓縮應(yīng)力狀態(tài),當(dāng)材料變形較大時(shí)在邊部容易出現(xiàn)破裂,同時(shí)又由于在高溫下變形,晶粒容易長(zhǎng)大,所以為了獲得最佳的晶粒細(xì)化效果,必須選擇合理的工藝規(guī)程,嚴(yán)格控制變形溫度和應(yīng)變量。此外,MF工藝制備的材料還存在組織不均勻現(xiàn)象,這也是由鍛造過程中不同鍛造區(qū)域材料變形的不均勻性所致。目前,對(duì)鈦、鈦合金、鎂合金、鎳基合金等材料的MF工藝研究表明,采用該工藝可有效細(xì)化晶粒,獲得UFG組織。2.7試樣尺寸的變化HPT工藝是通過壓桿向置于固定不動(dòng)的模具中的盤狀材料施加很高的壓力同時(shí)壓桿作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)剪切變形的一種工藝,其基本原理如圖7所示。在HPT工藝中,盤狀試樣可在高達(dá)幾個(gè)吉帕的壓力下發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。在變形過程中,試樣的尺寸不發(fā)生改變,所以在試樣的外側(cè)可引入很大的剪切應(yīng)變。由于模具的作用,材料在許用壓力和試樣外層壓力的作用下,在類似于靜壓力的條件下發(fā)生剪切變形,因此盡管其應(yīng)變量較大,試樣仍不易發(fā)生破裂。從圖7不難看出,材料的剪切應(yīng)變是由壓桿的旋轉(zhuǎn)所引入的,因此剪切應(yīng)變量的大小隨材料所處位置的半徑不同而不同,應(yīng)變速率也是如此,所以HPT工藝制備材料存在從中心向外側(cè)組織不均勻的現(xiàn)象。但由于HPT工藝通常只用于小薄片盤狀試樣的加工,對(duì)這種組織的不均勻性可忽略,因此該工藝也不具備實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值,但或許具有一定的科學(xué)研究?jī)r(jià)值。目前HPT工藝已成功用于鋁合金、銅、鋼等塊體UFG材料的制備。2.8cec工藝與rcs工藝除了上述幾種SPD工藝外,還有一些其它的SPD工藝。圖8(a)為CEC工藝示意圖,其主要特點(diǎn)是首先通過擠壓使試樣橫截面積減小,隨之又通過壓縮使其橫截面積恢復(fù)到初始尺寸,如此反復(fù)進(jìn)行從而獲得大的塑性變形,即該工藝是一個(gè)反復(fù)擠壓與壓縮相結(jié)合的過程。雖然該工藝所加工的材料尺寸有限,但在其加工過程中可使材料處于靜水壓力狀態(tài),有效避免了材料的破裂。關(guān)于CEC工藝的報(bào)道很少,已有研究表明該工藝可制備鋁、陶瓷顆粒強(qiáng)化鋁基UFG材料。CCB工藝是通過反復(fù)彎曲與反彎曲來實(shí)現(xiàn)材料塑性變形的,該過程類似于板材的矯直工序,如圖8(b)所示。在CCB工藝中,雖然一個(gè)彎曲道次在材料表面產(chǎn)生的最大應(yīng)變比較小,但該工藝的反復(fù)加工非常容易進(jìn)行,因此通過多道次彎曲后材料的累積應(yīng)變量仍然較大。現(xiàn)有的研究表明,該工藝并未制備出UFG材料,這可能是CCB工藝中的反復(fù)變形(彎曲與反彎曲)不利于晶粒細(xì)化。RCS工藝的主要原理與CCB工藝類似,即彎曲與反彎曲變形,其差異主要在于單道次的應(yīng)變量不同(如圖8(c)所示)。此外,在RCS工藝中,隨著模具圓角半徑的減小,每道次應(yīng)變量增加,則不可避免地會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變局部化的現(xiàn)象。對(duì)銅的研究表明,采用RCS工藝可獲得UFG組織。3spd工藝缺陷總之,SPD技術(shù)的一個(gè)根