挤压道次对2024铝合金ECAP变形的影响
洪浩洋 杜向阳 何涛 东星倩 高建烨
摘要：以2024铝合金为研究对象，采用Deform＼|3D有限元软件对试件进行数值模拟和A路径8道次ECAP实验，研究在不同挤压道次下试件变形过程中金属流动性、挤压载荷和等效应变的变化情况.结果表明：试件的头部和尾部区域金属流动网格呈现弯曲变形，中部区域呈现纯剪切变形，且随道次的增加变形程度显著增强;挤压载荷随挤压道次的增加呈现先上升后下降的趋势，其变化受试件强度影响;试件等效应变值的大小与挤压道次成正比关系，且等效应变值从试件靠近内转角区域出现由大到小的层状分布，3道次后出现应变分布均匀性下降的趋势.
Abstract：Taking2024aluminumalloyastheresearchobject，Deform＼|3Dfiniteelementsoftwarewasusedtoconductnumericalsimulationofthespecimenand8＼|passECAPexperimentofpathA，andthechangesofmetalfluidity，extrusionloadandequivalentstraininthedeformationprocessofthespecimenunderdifferentextrusionpasseswerestudied.Theresultsshowedthatthemetalflowmeshintheheadandtailregionofthespecimenpresentedbendingdeformation，whilethecentralregionpresentedpuresheardeformationandthedeformationdegreeincreasedsignificantlywiththepasses.Theextrusionloadincreasedfirstandthendecreasedwiththeincreaseoftheextrusionpass，whichwasaffectedbythestrengthofthespecimen.Thesizeoftheequivalentstrainvalueofthespecimenwasproportionaltothenumberofextrusionpasses，andtheequivalentstrainvaluewasdistributedinlayersfromlargetosmallfromtheareaneartheinnercornerofthespecimen，andtheuniformityofstraindistributiondecreasedafter3＼|pass.
關键词：等通道转角挤压;挤压道次;金属流动性;高强度铝合金;有限元
Keywords：equalchannelangularpressing（ECAP）;extrusionpass;metalfluidity;highstrengthaluminumalloys;finiteelement
0引言
高强度铝合金因质量轻、强度高、不易腐蚀等优点，被广泛使用在汽车、船舶、航空航天、能源装备等领域[1-2].其中，2XXX系铝合金由于其优异的加工和力学性能，一直是航空航天装备制造的重要材料.随着我国制造业的发展，对高强度铝合金的需求日益增大.在高强度铝合金加工工艺中，等通道转角挤压ECAP（equalchannelangularpressing）可在不改变材料外形的情况下，极大地细化材料晶粒尺寸，显著提高材料的强度和硬度，故该加工工艺具有重要的研究意义[3-8].
相较于其他大塑性变形技术，ECAP的主要特点是其等效应变值可以随着挤压道次的增加而不断累积.此前，国内外业内学者对ECAP挤压道次、材料微观组织、宏观力学性能之间的内在联系进行了大量研究.刘腾等[9]通过对双相镁合金进行多道次挤压后发现，α相在1道次时，变形方式为孪生，后续道次为位错滑移，而β相在各道次均为位错滑移.M.Kawasaki等[10]通过对99.99%高纯度铝合金进行12道次挤压后发现，经1—4道次挤压后，铝合金的微观组织从细长亚晶粒向等轴晶演变，经4—12道次挤压后，铝合金的平均晶粒尺寸无明显变化.刘英等[11]对AZ31镁合金进行12道次挤压后发现，随着挤压道次的增加，其晶粒不断细化，伸长率也不断增加，但抗拉强度先增大后减小.汪建敏等[12]对纯铜进行10道次ECAP后发现，晶粒会随着挤压道次的增加不断细化，而硬度值在前几道次挤压后就已经达到饱和，后续道次挤压的增加对于硬度的提升没有意义.而后汪建敏等[13]又发现，对于高层错能金属，只需要4道次挤压就可以得到均匀的微观组织，而对于低层错能金属，需要8道次挤压才可以得到理想的微观组织.郭廷彪等[14]通过对单晶铜和多晶铜多道次ECAP发现，其微观组织会出现均匀分布的等轴晶、高密度的大角度晶界和晶界上的非平衡组织.然而，现有挤压道次对材料ECAP变形行为影响的研究主要集中在微观组织方面，对宏观上金属流动性、应变分布等的研究相对较少.鉴于此，本文拟采用有限元数值模拟方法，分析挤压道次对金属流动性、挤压载荷、等效应变的影响，进而通过实验进行验证，以期为ECAP制备工艺的优化提供参考.
1有限元数值模拟方案
有限元数值模拟可以通过数值解析的方法来模拟某一过程基本数值的变化情况，从而获得对该过程的定量认识.本文采用Deform＼|3D有限元软件模拟ECAP过程，分析工件在ECAP过程中不同道次的变形情况，以缩短开发周期、降低成本.在有限元数值模拟中，设定工件为塑性体，忽略模具变形，将其设定为刚性体.采用剪切摩擦模型，将工件与下模、工件与冲头之间的摩擦系数设为0.1.选用内角为120°，外角为25°的挤压通道.冲头下行挤压速率为1.3mm/s，挤压温度为20℃，每道次设置350步，每步行程为0.3mm.为提高模拟精度，将初始网格划分为32000个四面体单元网格，在数值模拟过程中，当网格畸变干涉为单元边长的0.7时，网格将自动重新划分.2024铝合金材料模拟参数为：弹性模量68900MPa，泊松比0.33，热扩散系数2.2×10-5m2/s，热传导率180.195W/（m·K），热辐射系数0.7，伯格斯矢量模量2.78×10-9b/m.建立的有限元3D模拟模型如图1所示.
对于材料流变应力与应变的关系，采用Deform材料库中的关系曲线进行模拟计算.ECAP过程中的各道次累积等效应变值忽略摩其中，εN为累积等效应变，Φ为通道内模角，Ψ为通道外模角，N为挤压道次.
2数值模拟结果与分析
2.1挤压道次对金属流动性的影响
以边长为2mm的正方形为体单元，对试件进行均匀网格划分，在ECAP过程中追踪试件正方形网格变化情况，从而得到试件8道次的金属流动网格，其中，A路径1—3道次金属流动网格见图2，用以观察试件前3道次开始挤压、挤压到中间和挤压结束时的金属流动性.图中，1P代表第1道次，以此类推;试件主要分为3个变形区，I区为试件与冲头接触的头部区域，Ⅱ区为试件的中部变形区域，Ⅲ区为试件尾区.
由图2a）可以看出，在第1道次挤压至中间时，试件头部未发生明显变形;拐过扇形区的中部区域，网格拉长方向与试件前进方向呈现30°拉伸;尾区的金属网格出现弯曲现象.这说明，当试件拐过内角后，在纯剪切力的作用下，发生了充分的剪切变形，试件尾部呈现弯曲变形现象.通过对试件网格进一步观察可以发现，试件金属流动网格接近通道内转角区域的网格间隙要小于外转角区域，这说明金属接近通道内转角区域与外转角区域的金属流动速度不一致，这也是导致试件头部上翘的原因之一.
由图2b）可以看出，在第2道次挤压过程中，随着冲头行程的增加，在摩擦力和试件抵抗塑性变形力的作用下，试件头部区域的尖端首先被压平，呈现出弯曲变形特性.中部变形区域在经过内角后的网格与试件前进方向依然保持30°倾斜拉伸现象，只是网格更为密集.试件尾区翘曲角度出现小幅度增长.
由图2c）可以看出，该道次试件继承上一个道次的网格变化特性.试件头部的弯曲变形网格越来越明显;中间变形区的网格分布更加密集;尾部试件上翘角度出现小幅度变化.
4—8道次的网格总体变化趋势与第3道次一样，都是头部不断重复被压平的过程，应变不断积累;中间变形区网格间隙越来越小，表明剪切塑性变形影响逐渐加强;尾部随着道次的增加不断出现小幅度上翘.A路径ECAP工艺每道次试件取出后，不经过旋转直接放入通道进行下一道次挤压，是出现这种规律的主要原因.
2.2挤压道次对挤压载荷的影响
为考察挤压载荷大小变化的根本原因，对挤压载荷和翘曲角度进行联合分析.通过分析金属流动性发现，试件发生翘曲现象的主要原因是试件内外转角处金属流动速度不一致.而影响试件金属流动性的主要因素是试件的强度、表面材料状态和试件尾部拐过内角发生翘曲现象后受到的下通道尺寸限制.实驗时，使用二硫化钼润滑试件，模拟中设置摩擦系数为0.1，且模具尺寸不随挤压道次的变化而改变，所以试件翘曲角度的变化主要受试件强度的制约.当试件强度偏高时，尾部塑性变形抵抗力较大，翘曲角度变化就会偏小;当试件强度偏低时，尾部塑性变形抵抗力较小，翘曲角度变化就会偏大.图3反映的是8道次挤压的平均载荷与翘曲角度之关系.由图3可以看出，翘曲角度在1—2道次大幅度上升，在3道次保持不变，3道次后呈现缓慢上升趋势，这说明，在经过2，3道次ECAP后试件强度显著提高，3道次后试件强度会下降.
在前3道次，平均载荷总体呈上升趋势，并在3道次达到平均载荷峰值37.5kN，4道次后开始出现下降趋势.平均载荷在2道次上升最为剧烈，8道次下降最为迅速.3道次之前平均载荷与翘曲角度正相关，3道次后转变为负相关.综合上述分析发现，当试件强度增大时，平均载荷与翘曲角度正相关，强度减小时转变为负相关.这种强度随着道次增加呈现先增大后减小的现象，在业内其他学者的实验研究中也有类似发现.田佳等[16]在研究ECAP对7075铝合金组织与力学性能的影响时发现：1道次ECAP后铝合金的抗拉强度增加较大，第2和3道次趋于平缓，4道次后抗拉强度开始减小.这说明试件在ECAP过程中，随着挤压道次的增加，其强度会出现先增大后减小的趋势.李娇等[17]通过研究发现，这种现象主要是因为在试样挤压道次增加后，晶粒进一步细化并产生更多的晶界，具有较高层错能的铝合金又易导致位错出现交错、滑移、攀移，造成位错堵塞和位错割阶进而增大试件强度.金属存在动态回复与再结晶的过程，使得位错逐渐消失.所以当位错湮灭量超过位错增殖时，试件强度开始减小.
综上所述，挤压平均载荷与翘曲角度变化的关系由试件强度决定，3道次前变化关系为正相关，3道次后变化关系为负相关.试件强度变化造成挤压平均载荷会随着道次的增加出现先上升后下降趋势.实验时选用A路径ECAP制备2024铝合金、挤压3道次，所得试件强度较好.
2.3挤压道次对等效应变的影响
ECAP是通过重复多次挤压获得累积等效应变而使晶粒细化的加工工艺.等效应变是直接影响晶粒细化和试件性能的重要参数，其均匀性影响试件力学性能和晶粒尺寸分布.等效应变均匀性由某一应变在整体应变区域的占比和不同应变沿试样的径向分布决定.图4为A路径8道次挤压后试件纵向截面的等效应变云图.
由图4可以看出，试件内转角附近的等效应变值偏高，各道次等效应变值由内转角附近到外转角附近依次递增，并在2道次后呈现明显的层状分布;各道次试件尾部并没有产生完整剪切变形，造成其等效应变一直呈现偏小状态;各道次试件的头部同样未产生剪切变形，但在2道次后呈现出比尾部应变大的趋势，其主要原因是第1道次后，试件头部出现的尖端面会经过一次弯曲塑性变形，在此过程中会积累大量的应变.在挤压过程中，因摩擦力的作用，试件内转角区域会出现不连通高应变区.从整体来看，试件等效应变值与挤压道次成正比.由图4还可以看出，前3道次试件应变径向分布相对较少，3道次后试件沿径向分布的等效应变增加.根据影响试件应变均匀性的原因可得，试件在3道次后等效应变均匀性开始下降.
3实验验证
验证实验选用尺寸10mm×10mm×70mm的2024铝合金为试件材料.选用内角为120°，外角为25°的ECAP模具在室温下进行试件材料A路径的ECAP实验.实验前试件表面涂抹二硫化钼润滑剂，以降低挤压通道与试件表面的摩擦力，确保试件能顺利从通道内挤出.ECAP实验设备如图5所示.实验得到的1，4，8道次试件与模拟所得金属外形如图6所示.
由图6可以发现，实验所得金属外形图与模拟所得有限元网格图的形状基本一致.这证明了有限元數值模拟设计正确，分析结果可信.
4结论
采用Deform＼|3D有限元软件对2024铝合金进行数值模拟与A路径8道次ECAP实验研究，分析试件在不同挤压道次下变形过程中的金属流动性、挤压载荷和等效应变的变化情况，得到以下结论.
1）试件与冲头接触区域在1道次后呈现弯曲变形的金属流动特性，中部区域呈现剪切变形金属流动特性，尾部区域因试件内外转角区域金属流动速度不一致而出现翘曲特性.试件的金属流动性会随着挤压道次的增加出现规律性变化，其中头部弯曲变形随道次增强，中部剪切变形沿剪切带更加密集，尾部翘曲角度总体呈现上升趋势.
2）挤压载荷随着挤压道次出现先上升后下降趋势.3道次前强度上升，载荷与翘曲角度正相关;3道次后强度下降，载荷与翘曲角度负相关.说明挤压载荷的变化受试件强度的影响.
3）试件等效应变值的大小与挤压道次成正比关系，且等效应变值从试件靠近内转角区域出现由大到小的层状分布，3道次后出现应变分布均匀性下降的趋势.
本研究的结论可为ECAP工艺参数优化提供理论依据，但由于力学性能变化是由材料微观组织演变所导致的，因此建立微观组织与宏观力学性能的模型，用微观组织演变结合宏观力学性能优化ECAP工艺，以获得组织控制参数，将是今后的重点研究方向.
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