摘 要 等径角挤压可以在不改变材料横截面的情况下使其反复产生严重的塑性变形，从而降低材料的晶粒尺寸，是制备块体超细晶材料的新工艺。本文采用DEFORM程序对等径角挤压过程进行了模拟，分析了挤压过程中材料的应力、应变、挤压力等的变化及其分布，为今后的研究打下了基础。
关键词：ECAP(等径角挤压); 块体超细晶材料;计算机模拟
1 引言
等径角挤压（ECAP法）是在20世纪80年代前苏联科学家Segal教授和他的同事们工作的基础上发展起来的[1，2]。ECAP法最初的目的是在不改变材料横截面的情况下产生严重的塑性变形，从而使材料的重复变形成为可能。20世纪90年代初期，这种方法被R.Z.Valiev教授等人进一步发展和完善，成为制备块体超细晶材料的一种新工艺[1-4]。随后日本在“超级金属”计划中将这种方法用于铝合金的加工，并获得了纳米级的晶粒尺寸，引起了各国政府和科学家们的广泛重视。
与其他制备方法（例如气相法、高能球磨法和非晶晶化法等）相比，ECAP法具有许多独特的优点，譬如：它可以克服其它方法制备的试样中有孔隙、致密性差等问题以及球磨所导致的不纯、大尺寸坯体难以生产以及给定材料的实际应用较困难等问题。而且ECAP材料的许多性能也都是独特的，这对于应用和基础研究都是十分重要的，从而引起了材料专家们越来越多的兴趣和关注。所以，近年来国外专家对ECAP法制备块体超细晶材料进行了较深入的研究，大量的实验证明ECAP法是一种行之有效的制备方法，但是我们对ECAP法的机理、材料的变形规律等基础问题不甚了解，有许多实验现象仍得不到合理的解释，而这些问题对于ECAP法今后的应用是十分重要的[1-9]。因此，本文采用DEFORM程序对等径角挤压过程进行了模拟，分析了挤压过程中材料的应力、应变、应变速率、挤压力等的变化及其分布，为今后的研究打下了基础[1-2]。
2 等径角挤压过程的计算机模拟
2.1 等径角挤压的工艺原理
ECAP是在一个特制的模具中进行的，在不改变材料横截面的情况下使其产生严重的塑性变形，以纯剪切的方式实现块体材料剧烈塑性变形，从而使材料形成纳、微米结构。
图1 ECAP法的工作原理
Fig.1 The principle of ECAP
如图1所示，在压力P的作用下，试样从模具的上端压入，右端压出。在挤压的过程中，与模具中的通道紧密配合且与管壁良好润滑的试样在通过两通道的交叉处时，试样经受了近似理想的纯剪切变形，因此，虽然试样的内部产生了剧烈的塑性变形，但并没有产生破坏，经过多次挤压获得了均匀的亚微晶或纳米结构。图1中，f≥90º，试样的横截面一般是圆形或方形，长度为70－100ｍｍ，横截面的直径或对角线的长度一般不超过20ｍｍ。如果是难以变形的材料，ECAP法可以在一定的温度下进行。目前ECAP法已成功地用于铝合金、镁合金、钛合金等块体超细晶材料的制备[1-3]。
2.2 等径角挤压过程的计算机模拟
模具通道的直径为12mm，通道转角为90度，材料是Al5454，被挤压坯件长度为40mm，直径为12mm，挤压时的温度为室温，并且忽略变形时的温度效应，摩擦系数为0.2，压下速度为10mm/sec，如图2所示计算模型中的网格由计算机自动划分。
图2 计算模型中有限元网格由划分
Fig.2. Divided lattice in simulation model
2.3 等径角挤压过程的计算机模拟结果
2.3.1 压力行程曲线
图3是压力—行程曲线图，从图3中可以清楚地看出在挤压过程中，挤压力是不断变化的。开始时挤压力较小，随着材料进入模具通道转角处，挤压力逐渐增大至最大挤压力，然后逐渐减小。在此过程中，由于被挤压坯件与下模壁接触面积的变化造成了摩擦力的变化，从而使挤压力产生波动。如图3所示，最大挤压力为5.08吨，与我们的实验结果基本上吻合。
图3 压力—行程曲线图
Fig.3. The load-stroke curve
2.3.2 等效应力分析
图4是step90、step185的等效应力分布图，从图4中可以清楚地看出塑性变形区分布及其动态发展情况。如图4所示，在材料内部各处的等效应力是不均匀的，模具转角靠近下模模壁处的等效应力最大。因此，材料经过一次挤压后其内部晶粒大小的分布是不均匀的，这与R.Z.Valiev教授等人的实验结果是吻合的[1，2]。 
(a)step90的等效应力分布 (b) step185的等效应力分布
(a)The distribution of equivalent stress of step 90
(b) the distribution of equivalent stress of step 185
图4 等效应力分布图
Fig.4. The distribution of the equivalent stress
2.3.3 等效应变分析
图5是step90、step185的等效应变分布图，从图5中可以清楚地看出材料在开始挤压时变形是不均匀的，模具转角处的等效应变最大。但随着材料被逐渐挤出通道，其变形的均匀程度越来越均匀。而且在通道的转角处，等效应变是层状分布的，并且变化梯度非常大，表明此处的变形近似于纯剪切变形，这与Segal教授等人的假设是非常吻合的[1-4]。 
(a)step90的等效应变分布 (b)step185的等效应变分布
(b) The distribution of equivalent strain of step 90
(b) The distribution of equivalent strain of step 185
图5 等效应变分布图
Fig.5. The distribution of equivalent strain
3 结论
通过计算机模拟，可以得到以下初步结论：
（1）在等径角挤压模具的转角处，等效应变成层状分布，且变化梯度非常大，这与Segal教授等人假设该处的变形是纯剪切变形是吻合的。而该处的纯剪切变形使材料内部的晶粒得到细化，因此等径角挤压是制备块体超细晶材料的有效途径。
（2）经过一次挤压后，材料内部等效应力、等效应变等的分布是不均匀的，所以材料经过一次挤压后其内部晶粒大小的分布也是不均匀的，这与R.Z.Valiev教授等人的实验结果是吻合的。因此，为了获得较理想的细化效果，被挤压的坯件必须进行多次重复挤压。
（3）从图4、图5中可以看出，在同一形变瞬间与晶粒细化密切相关的应变、应力等参数分布有相当大的差异，对晶粒细化的作用也不完全相同。而且由于影响晶粒细化的因素是多重的，这也为形变细化晶粒过程的优化提供了控制基础，为判断原始晶粒何时何地如何裂变分化提供了依据。显然如能通过反向模拟，尤其是当应变、应力等参数分布设计合理时，就会使形变细化晶粒的过程进一步优化，其科学意义是显而易见的。
（4）由于在计算机模拟的过程中，考虑了摩擦等因素的影响，计算机模拟的结果与实际情况较为吻合。但是因为忽略了温度效应等因素的影响，必然会产生一定误差，因此，为了使模拟结果与实验结果更加吻合，必须在今后的工作中进行更加全面、深入的研究。
参考文献:
[1] R.Z.Valiev, R.K.Islamgaliev, I.V.Alexandrov. Bulk nanostrucrured materials from severe plastic deformation. Progress in Materials Science, 2000; 45: 103-189
[2] R.Z.Valiev, editor. Ultrafine-grained materials prepared by severe plastic deformation. Vol.21, Annales des Chimie. Science des Materiaux, 1996, p. 369, Special issue
[3] V.S.Zhernakov, V.V.Latysh, A.I.Zharikov and R.Z.Valiev. The developing of nanostructured SPD Ti for structural use. Scripta mater. , 2001; 44: 1771-1774
[4] Ahmadeev N H, R.Z.Valiev,, Kopyloy V I, et al. Russian Metally, 1992,5: 96
[5] Y Iwahashi, Z Horita, et al. Acta Mater., 46(1998), 3317
[6] Iwahashi Y, Horita Z, et al. Acta Mater, 1998, 46(9): 3317
[7] Gholiniaa A, Prangnell P B, et al. Acta Mater, 2000, 48: 1115
[8] Gertsman V Yu, Birringer R, R.Z.Valiev, et al. Scr metal Mater, 1994, 30: 2294
[9] Berbon P B, Tsenev N K, R.Z.Valiev, et al. Metal Mater Trans, 1998, 29A:2237
1 国家自然科学基金资助课题（编号：130170269）
作者简介 毕见强,1969年生,男,汉族,副教授. 1994年毕业于山东工业大学材料学院,获得硕士学位,现于山东大学材料学院任教,主要从事块体纳米材料的研究.孙康宁,男,教授,博士生导师,主要研究方向:新材料的声像检测、制备和加工成型等.(end)
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