基于DEFORM的正擠結(jié)合側(cè)擠大變形工藝研究

石鳳健,王衛(wèi)玲,熊成愷,肖漢青,李文進(jìn)

(1.江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)(2.江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院,江蘇 張家港 215600)

劇烈塑性變形通過累積大變形使材料內(nèi)部產(chǎn)生足夠大的應(yīng)變來細(xì)化材料組織,所制備的材料組織致密,無孔洞.目前已提出的劇烈塑性變形技術(shù)包括等徑角擠壓、高壓扭轉(zhuǎn)、累積疊軋、往復(fù)擠壓、多向鍛造、攪拌摩擦加工、異步軋制等[1],其中針對等徑角擠壓的研究最為廣泛[2-3].雖然等徑角擠壓能極大地細(xì)化材料的組織,提高材料的性能,但常規(guī)等徑角擠壓技術(shù)也存在一定的局限：一是工業(yè)化應(yīng)用受到限制,要想獲得具有大角度晶界的超細(xì)晶組織,所施加的等效應(yīng)變往往要超過4,因此,需要多道次重復(fù)擠壓才能滿足獲得超細(xì)晶所需的變形量；二是由于擠壓過程往往不連續(xù),重復(fù)裝料以及擠出試樣校正等導(dǎo)致加工效率低下;三是試樣的長徑比(或長寬比)不能過大,擠出坯料的長度受到限制,且擠壓凸模易失穩(wěn),這些缺陷都嚴(yán)重影響了常規(guī)等徑角擠壓技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用[4-5].

文獻(xiàn)[6]提出了S型通道等徑角擠壓,該裝置具有2個拐角,一道次擠壓可累積更大的變形量.結(jié)合常規(guī)正擠壓變形的優(yōu)勢,文中將正擠壓與S型通道等徑角擠壓相結(jié)合,形成了新型的復(fù)合擠壓工藝,其原理如圖1.坯料先經(jīng)過正擠壓后進(jìn)入S型通道進(jìn)行等徑角擠壓,S型通道可以為一組或兩組或者一組S型結(jié)合一組反S型通道的組合形式,實(shí)現(xiàn)不同的變形路線.該新工藝具有單道次變形量大、效率高等優(yōu)點(diǎn),具有一定的開發(fā)應(yīng)用前景,但鑒于其模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,文中采用DEFORM-2D軟件[7-8]對該新工藝進(jìn)行數(shù)值模擬,研究擠壓過程中等效應(yīng)變及載荷的演變過程,并與其它工藝進(jìn)行對比,為進(jìn)一步了解該工藝提供基礎(chǔ).

圖1 正擠結(jié)合側(cè)擠示意圖Fig.1 Schematic illustration of forward extrusion integrated with lateral extrusion

1 模擬模型及參數(shù)

模擬采用剛塑性有限元進(jìn)行,初始試樣形狀為長方形,正擠壓和側(cè)向擠壓模具通道在垂直方向尺寸相同(圖1),由于材料在該方向的變形很小,所以擠壓過程可以簡化為平面應(yīng)變條件[7].模擬選用材料固溶態(tài)銅鉻鋯合金,其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系經(jīng)測試后導(dǎo)入模擬軟件.初始試樣縱截面尺寸為40 mm×24 mm,擠壓比λ為4,模具錐角α為150°,通道夾角Φ為105°,夾角外徑R為2 mm,內(nèi)徑r為0.5 mm.摩擦模型選擇剪切摩擦條件[9],摩擦系數(shù)取0.1.擠壓在勻速條件下進(jìn)行,速度為1 mm·s-1.擠壓假定在室溫下進(jìn)行,且不考慮塑性變形熱及摩擦熱.

2 結(jié)果與分析

2.1 擠壓變形過程

圖2為試樣在不同擠壓階段時的等效應(yīng)變情況.可以看出,試樣進(jìn)行正擠壓時,在模具錐角處由于通道橫截面積收縮產(chǎn)生變形,但在這個區(qū)域的應(yīng)變較小且試樣的頭部因為直接擠出幾乎沒有變形(圖2a))；試樣經(jīng)過第1個夾角,發(fā)生剪切變形,其等效應(yīng)變逐漸增大,但頭部變形還是較小(圖2b));試樣經(jīng)過第2個夾角,等效應(yīng)變相比之前明顯增大(圖2c))；擠壓結(jié)束時,除試樣頭部變形較小且不均勻外,在大部分區(qū)域等效應(yīng)變沿試樣長度方向的分布均勻一致,但在橫向等效應(yīng)變分布不是很均勻.中心區(qū)域等效應(yīng)變較低,靠近試樣次表面區(qū)域等效應(yīng)變略高,呈近似對稱分布(圖2d)).

a)通過模具錐角

b)通過第1個夾角

c)通過第2個夾角

d)擠壓結(jié)束

圖3為擠壓載荷-行程曲線,曲線可分為3個階段:第1階段(A階段)是正擠壓階段,擠壓開始時擠壓載荷為零,隨著試樣與模具錐角接觸,試樣開始發(fā)生塑性變形,擠壓載荷急劇上升,之后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)擠壓階段,載荷變得穩(wěn)定;第2階段(B階段)是試樣經(jīng)過S型通道的第1個拐角,載荷在原正擠壓的基礎(chǔ)上進(jìn)一步快速上升,當(dāng)材料流過第1個拐角后逐漸地進(jìn)入到一種穩(wěn)定擠壓階段,載荷逐漸平穩(wěn);第3階

段(C階段)是試樣經(jīng)過S型通道的第2個拐角,載荷的變化過程與經(jīng)過第1個拐角相似.

圖3 擠壓載荷-行程曲線Fig.3 Curve of extrusion load-stroke

2.2 擠壓后的等效應(yīng)變

為了能夠定量地描述試樣在擠壓變形過程中等效應(yīng)變的演變過程,取圖4中的(1)P1-P2段、(2)P3-P4段和(3)P5-P6段,提取擠壓后的等效應(yīng)變,由圖2d)可以看出,進(jìn)入穩(wěn)態(tài)擠壓階段后,在每個擠壓階段,等效應(yīng)變沿試樣擠出方向的等效應(yīng)變較為一致,所以,圖4取點(diǎn)線段位置具有代表性.圖5為圖4中P1-P2，P3-P4，P5-P6段的等效應(yīng)變沿試樣橫向的分布,可以看出,試樣經(jīng)不同階段擠壓后等效應(yīng)變總體不斷增大,在3個位置處等效應(yīng)變的分布相似,中間等效應(yīng)變較低,靠試樣次表面區(qū)域等效應(yīng)變較大.值得注意的是經(jīng)該新工藝一次擠壓后平均等效應(yīng)變可達(dá)約3.6,是常規(guī)等徑角擠壓后的3～4倍.根據(jù)文獻(xiàn)研究結(jié)果,在該等效應(yīng)變情況下,材料組織將發(fā)生明顯細(xì)化,性能明顯提高.此外,相對于正擠壓部分和經(jīng)過第1個拐角,經(jīng)過第2個拐角后試樣橫向的等效應(yīng)變分布更加均勻,這對于獲得性能均勻的材料來說同樣是非常重要的.說明經(jīng)過正擠結(jié)合S型側(cè)向擠壓后,可以在材料內(nèi)部產(chǎn)生足夠高、且分布較為均勻的變形.

2.3 幾種工藝方法的比較

圖6為幾種不同工藝擠壓后的等效應(yīng)變分布.圖6a)為正擠結(jié)合S型側(cè)擠模型:擠壓比為4,通道夾角為120°,模具錐角為120°;圖6b)為正擠模型:擠壓比為4,模具錐角為120°;圖6c)為S型側(cè)擠模型,通道夾角為120°.圖7為3種工藝擠壓后橫向的等效應(yīng)變分布,可以看出,將正擠與側(cè)向擠壓相結(jié)合有利于獲得更大且分布均勻的變形,對于高效制備大尺寸超細(xì)晶材料非常有利.

b) 正擠壓

c) S型側(cè)擠

圖7 不同工藝擠壓后橫向的等效應(yīng)變分布Fig.7 Transverse effective strain distribution after extrusion by different processes

圖8 不同工藝擠壓時的載荷-行程曲線Fig.8 Load-stroke curve during different extrusion technologies

圖8為3種工藝擠壓時的載荷-行程曲線,可以看出,雖然正擠結(jié)合S型側(cè)擠一道次變形量較大,但同時所需的載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它兩種工藝,所以實(shí)際應(yīng)用時,應(yīng)針對擠壓時的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,為模具設(shè)計及選材提供依據(jù).

3 結(jié)論

文中針對正擠結(jié)合S型側(cè)擠時材料變形過程、變形時的等效應(yīng)變演變及與正擠壓、S型側(cè)擠壓的對比進(jìn)行了研究,得出了以下結(jié)論:

1)與常規(guī)等徑角擠壓工藝相比,材料經(jīng)正擠結(jié)合S型側(cè)擠一道次即可獲得足夠大的變形量,擠壓效率明顯提高,為解決常規(guī)等徑角擠壓工藝的工業(yè)化問題提供了途徑;

2)正擠結(jié)合S型側(cè)擠后等效應(yīng)變更高且分布更為均勻,為制備性能均勻的超細(xì)晶材料提供了可能;

3)由于變形程度高,試樣經(jīng)正擠結(jié)合S型側(cè)擠時所需載荷更大,所以應(yīng)對擠壓工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,為該工藝的工業(yè)化應(yīng)用提供保障.

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