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1、年第期上海钢研等通道转角挤压一提高材料性能的有效方法孙爱民摘要等通道转角挤压法是能使块体材料得到超细晶粒的一种新的材料加工方法,目前受到材料研究者的广泛关注。简要介绍等通道转角挤压法的基本原理及通过该方法得到的有效应变量的主要影响因素。综述等通道转角挤压法研究和应用现状,同时展望该方法的应用前景。关键词等通道转角挤压超细晶粒有效应变量罗一一嗯,四一盯引言细化晶粒是提高金属材料综合力学性能的有效途径。塑性变形是一种改善各种不 同材料的组织结构和提高性能的有效方法。目前,人们把相当大的兴趣放在用大的塑性变形。一方法加工金属材料的潜力上。就是给材料施加大的应变,通过在应变中产生的位错的重新排列,从而
2、得到相当好的细晶粒,达到亚微米甚至纳米级的晶粒尺度使用方法得到的 晶粒尺寸比传统 的热机械处理方法细小的多。三维锻造、重复轧制和高压扭转等,是目前应用较为广泛的法。目前,一种可以显著细化金属材料晶粒的等通道转角挤压邵一法正在被广泛的研究,这种方法可 以显著地提高金属材料的强度和塑性。有其独特的优点 在挤压过程中,保持工件的尺寸几乎没有什么变化,可以进行多次挤压直到达到要求的应变,从而得到相应的晶粒尺寸,因而它可应用于大的块体材料而别方法如轧制、挤压、拉上海钢研只年第期拔等,是使工件的一维或多维方向上的尺寸发生连续的减少,终尺寸为膜状、板状或丝状,不能应用于大的块体材料。本工作综述方法的机理及目
3、前的研究情况,探求该方法在材料加工中的应用前景。其中甲里,中二一之间,目前较常用的是甲二、中二的结构,这样得到的一次挤压应变最大。圆型和方型试样在操作过程 中的单元煎切变形如图所示川机理是脚川于年发明的一种在材料中施加大的塑性应变得到亚微米、甚至纳米组织,从而提高材料性能的一种先进方法。在世纪年代,由于对超细晶粒和纳米结构材料的广泛 注意,方法得到广泛的研究和应用。工艺是把润滑良好的坯料,放到截面尺寸相同的两个相交的通道中去,通过施加压力把坯料从一个通道挤压到另一个通道,并从另一个通道中挤出坯料。试样在通过转角的地方发生纯剪切变形,得到很大的应变量,通过位错的重新排列,产生亚 晶分割原始晶粒在
4、挤出过程中亚晶界高角化,生成微细晶粒得到亚微米或纳米级的材料,从而提高材料的性能。在该操作中,出人通道试样的尺寸基本不变,可以重复操作此过程,直到达到合适的应变量,获得良好的晶粒细化效果为止。方法的原理图如图所示,口健,口,门山、图试样单元变形草图,后 圆的变形后正方形的变形情况试样通过在剪切面上发生的单元剪切变形,使试样整体发生剪切变形,得到大的应变量,细化晶粒提高材料综合力学性能。每次 挤压中,试 样单元的剪切 应变,丫。图法结构原理图川工艺的影响因素工艺是把圆或方的试样,放在模具中施加压力,使其通过转角从一个通道进人另一个通道,在转角处发生简单的剪切变形,从而得到预期的微观组织和结构。因
5、而模具的结构是影响该工艺的主要因素,同时加载的速率、材料的力学性能及工艺的具体操作过程也是影响工艺的重要因素。模具结构模具是执行工艺比不可少的重要条件,工件在通过转角的时候发生塑性变形,所得到的应变量与模具的转角甲及外弧中以及工件 与模具的摩擦条件都有关系。转角甲与中的影响工艺是通过产生简单的剪切变形,产生严重的塑性变形得到大的应变量,从而提高材料的力学及其他性能。模具的甲角和 中角对单次过程得到的应变年第期上海钢研量具有决定的作用。由川和他的同事们对的研究得出了,一次过程中施加于工件上的压力在不考虑摩擦的情况下可由下式表示要,其中为材料的剪切应力,“一、一、”、,”曰,一甲甲为转角单次剪切应
6、变可由下式表示一告晋一苦告,有效应变为一着岩一夸告,中。一苦晋表显示不 同模具转 角的单次操作过程对材料的应变量及 同别的加工方法得到相同应变量下 的减缩率和 面积减缩率之间的对应关系。从表 中可以看 出单次过程所得到的应变,随转角甲的增大而减少。不同的转角甲得到的组织结构也就不同,产生不同的织构,得到不同的极图结构仁表三种模具转角下,挤压力、应变强度及其相关的减缩率和面积减缩百分数时,施加的压力与不考虑摩擦力 时是不 同的。在有摩擦力的情况下,就要考虑试样与模具在挤压过程中产生的摩擦力,大大增加了挤压力。没有摩擦力时,试样只在通道交接的平面处发生单纯的剪切变形,材料各处形变均匀而有摩擦力时,
7、材料将在通道交接的平面附近产生一扇形区域,在顶角处不发生变形只在扇形区域发生塑性变形,导致材料在模具里变形不均匀,得到不均匀的微观组织。等人仁,研究了不同摩擦力条件下的剪切变形情况。文中指出,在大摩擦力条件下变形均匀性比小摩擦力下的好,而转角在,小摩擦力附带在出口处施加反向推力的情况下,变形均匀性最好。表反映了不同条件下实际得到的有效应变量与工作条件的关系。图给出了一种带可移动底部复杂结构的模具结构,也就相当于给工件一个反向推力,可以很好地改善材料在中的加工性能,使材料在变形过程中形变均匀。表在两种不同模具转角和不同工艺条件下,材料在在均匀剪切区域测得 的应变与按公式计算的应变的比较模模具转角
8、角 压力流流应变变相应的的相应应甲甲甲变应力力强度度减缩率率的面积减缩缩率率率率率率转转角“状态态计算的的实测剪切切剪剪剪剪切应变变应变变小摩擦力力大摩擦力力,小摩擦力后压力力力力小摩擦力力大摩擦力力模具设计与摩擦力的影响过程中,试样与模具之间总是存在或多或少的摩擦力。而摩擦力的存在对试样在挤压过程中的变形方式、变形的均匀性都会产生影响,从而对过程的挤压力、单次过程中得到的应变量以及对试样的加工性,产生不同的影响。分析了考虑摩擦力的影响因素图模具的结构简单模具结构复杂结构,带滑动底部上海钢研抖年第期工作路径的影响工艺使工件的几何尺寸几乎没有什么变化,因 而 可 以实施多次过程,得到大的应变量,
9、满足工件性能的需要。由等人,计算的结果,第次所得到的应变量如式所示坐、产等人川,对对的可重复操作过程,根据试样在每次放置中旋转的角度不同,定义了四种工作路径,如图所不一芳一夸晋,中一告霎噢黔窿霎壕图四种路径的旋转草图路径定义为在每次重复操作中工件对材料的塑性有一定的要求,同时对于不同不旋转地放人通道 中,路径定义为在每的加载速率也可能导致材料发生局部 的变次重复操作中工件按顺时针方 向旋转“,形,从而可能导致材料在挤压过程中发生断路径定义为在每次重复操作中工件按裂的情况。顺时针、逆时针交替旋转,路径定义等人 研 究了 工作温度对为在每次重复操作 中工件旋转。许多操作的影响。文 中得出,对于塑性
10、较工作者得出了这样 的结论 使用甲二的差的材料需要 在较高的温度下 进行工作。模具时,路径是细化晶粒得到等轴大角如对于工业用纯来说,其结构为叩结晶界最有效的途径,路径的效果是最差构塑性较差,在室温下进行操作,在的,路径得到等轴、均匀含高分数大角任何的加载速率下都会产生断裂现象。随晶界的超细晶粒但也有不同的结果 出现,操作温度的提高,材料的加工性得到提高,使用甲二的模具时,用 电子背散射分析在下挤压,加载速率在到一,一和一时发现,路径可以得时,纯发生均匀的变形而不断裂,但当加到高分数的大角晶界”这可能是因为使载速率超过一,时发生断裂现象。对于结用 的模具的转角不同。总 的来说便用路径构为的塑性较
11、好的材料,一般在室温得到的晶粒要比用路径要更长川。下,只要加载速率不是太大,都不会发 生断材料的加 工性及加载速率和操作温裂的现象。对于塑性更差 的材料需要在更度的影响高的温度下进行挤压操作。由于产生的是纯剪切变形,因此虽然提高温度,可 以使任何材料都可以年第期上海钢研进行操作,但由于温度的提高,会使材料在挤压后得到 的提高力学性能的效果降低。文献“,中给出了不 同材料在不同温度及挤压次数对晶粒尺寸和力学性能的影响,文中晶粒尺寸及力学性能均为在室温下测定的数据。文中得出,同种材料在操作温度提高时,其最终得到的晶粒尺寸增加,而它的抗拉强度与延伸率也相应地下降。研究现状产生剧烈的塑性变形,得到大的
12、有效应变量,可以很好地细化晶粒,同时改变它的剪切方向可以得到不同的组织结构和 晶粒形状,因而可以应用于多种途径的性能改良。目前为止,工艺的主要研究和应用 的材料有及其合金、及其合金、及其合金和及其合金的材料。其研究和应用 的领域主要有以下几个方面提高材料的塑性得到超塑性材料。主要是得到材料的低温超塑性,一般材料的超塑性是在教高温度下得到的,通过方法可以降低得 到超塑性的工作温度如一一合金的低温超塑性。另一个是得到较高应变速率下的超塑性,提高生产效率,如一合金中加人少量第三元素的超塑性”伙纯的超塑性习”在以初始应变速率一一,其延伸 率可达,一刃合金,晶粒可细化至林,在温度为延伸率可达一一在 原
13、始状态 下晶粒尺寸为微米,而在进行操作后其晶粒尺寸约为微米,同时在应变速率一,下延伸率可达。提高材料的强度及低温韧性。合金、合金以及合金等材料、,川在通过工艺操作后,其强度可以提高一倍左右。同时在一定程度上提高了材料 的韧性,增加了可加工性。对于 晶体结构为的和及其合金,由于塑性本身的限制,必须在一定 的温度下进行操作,否则会出现试样断裂的现象,因而 限制了细化 晶粒提高强度的作用。一川及其合作者,研究采用结合其它细化晶粒的加 工方法,如十挤压法 等发现可以弥补因操作温度的提高导致晶粒细化作用下降的缺憾,进一步细化了材料的饿晶粒,更好的改善了这些难变形 材料 的性能。表给出 了纯在铸态、经 过
14、操作和结合冷挤压后材料的力学性能及与石合金性能的对比关系。表在不同处理条件下屈服强度,断裂强度,延伸率而后断面收缩率及乃一的性能囚路径径口。吕吕中中大大晶粒卜十冷挤压压冷挤压压一拟礴细化金属间化合物的晶粒,提高材料的低温韧性,从而提高材料的可应用性。文献表明工艺可以提高金属间化合物一的低温塑性、高温超塑性以及循环疲劳特性。使工件产生剪切变形,得到大的塑性应变,在试样 内,产生高密度位错及其他的缺陷。通常来说这样制备得到的材料在热力学上是不稳定的。同时,由于大部分材料是工作在 一定 温度下的,所以要考虑所制备的超细 晶粒在工作温度下 的稳定性,也就是要考虑材料的热稳定性。经过研究发现,经过工艺操
15、作后 的材料具有一定的热稳定性。如对于纯来说,其显微硬度和强度在仍能保持稳定,显示 了较好的热稳定性仁川其热稳定性可以保持在”一一热稳定性可 以保持在而上海钢研又年第期其热稳定性可以保持在扛”。应用前景作为晶粒细化从而提高材料综合性能的手段之一,其组织控制取决于多种实验因素。由于目前 还 处于研 究 阶段,超细晶粒的形成机理 尚不够 明确。但,由于超细晶材料具有许多优异的性能,采用等通道转角挤压工艺制取超 细 晶材料具有 明显的优势。在工业应用领域有很大的潜在应用价值。通过工艺细化晶粒改善材料综合性能,目前在工业领域有四种潜在的应用使材料具有高应变速率或低温超塑性。超塑性成型在加工复杂零件上有
16、独特的优势,但低的应变速率限制了工业中的应用如果在维持材料最优超塑性的同时,具有较高的应变速率,则超塑性成型在工业领域将得到广泛的应用。通过工艺可以显著提高材料的强度,从而可以节 约高合金材料的使用使普通材料达到高合金材料的力学性能指标。提高塑性差 的合金的机械性能和成型性能。如结构的和及他们的合金等材 料,室温 下塑性有限,经过后,晶粒细化,塑性得到提高。与别的加 工方法结合使用。这样可以扩大方法的使用途径。可以与冷轧、冷拉等加工方法 结合使用,可以得到丝材、带材等低维材料进一步提高这些材料的性能。参考文献川一吐,葫面邵,一,一即 己,汕,一列,一,一,石行,一,一,一,。石,一川,川,一郎
17、,改一即,年第期上海钢研了,邵一一罗,一,介列,一,邵邵,一,劲一印一一,一,玩,一一,邵丽甲,一,邵甲,一,。盯甲,一,卿,一汀,一一,欲,杭,一盯而,一用等离子炉熔炼钦铝锭在熔炼少量的钦铝合金可用有氢气保护的电弧炉,但要熔炼几公斤或更大的钦铝锭就有许多问题需要解决。例如,用 电弧炉熔炼,要在使电弧稳定的状态下熔炼,熔炼速度就会太快,锭子内部会产生细裂缝,质量得不到保证而用 电子束炉熔炼,炉内压力必须保持在百分之一到万分之一帕斯卡,而熔炼钦铝时,所含有的的铝会蒸发,导致炉内压力上升,影响熔炼。日本科学厅金属材料研究所采用等离子炉熔炼钦铝锭,解决了上述问题。用等离子炉熔炼速度可以自由调节,而且炉内压力即使比电子束轰击炉 的要求高两个数量级也能熔炼。实验表明,采用这种方法熔炼铝锭,铝的挥发少,炉内压力在比较小的一帕斯卡的范围内能持续保持稳定,可大批量制成公斤以上的合格的钦铝锭。李惠萍译成俄冶金工作者年期