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等通道转角挤压是将多晶试样压入一个特别设计的模具中以实现大变形量的剪切变形工艺,主要通过变形过程中的近乎纯剪切作用,使材料的晶粒得到细化, 从而材料的机械和物理性能得到显著改善。ECA P 是一种有效的制备超细晶材料的方法。
它具有以下优点: 与蒸发凝聚-原位冷压成形法、 高能球磨法、 非晶晶化法等制备超细晶材料的方法相比, ECAP避免了研磨中可能带入的杂质以及超细微粉冷压合成法制备的超细晶材料中存在的大量的微空隙,是制备三维大尺寸的致密超细晶块体材料的有效工艺,具有很大的工业应用潜力;与传统的金属材料塑性加工工艺相比, 由于变形过程中不改变材料的横截面面积和截面形状,故只需较低的工作压力,实现材料的反复定向、 均匀剪切变形, 在特别大的变形量下使材料获得均匀、 显著细化的晶粒组织。目前一些学者利用该方法已对有色金属、 钢铁等材料进行了大量的性能及组织研究、 并且进行了计算机模拟和理论分析研究等工作。
等通道转角挤压法首先由Segal 和他的合作者在20 世纪七、 八十年代提出,但直到20 世纪90 年代Valiev 等人利用该技术获得了具有亚微米级晶粒尺寸的铝合金超细晶组织, 才逐渐掀起了世界范围内材料研究者对 ECAP 细化材料组织的研究热潮.时至今日, 人们已经对包括纯金属、 单相合金、多相合金和金属基复合材料等在内的多种材料进行了ECAP 组织细化研究并获得了良好的效果。 目前,该技术正在向工业化应用方向发展,如用于加工航空领域的高钛合金螺纹件和汽车领域的内燃机活塞等。另外,大塑性变形后材料的磁滞性提高,有望将ECAP 法用于生产硬磁材料。
ECAP 的工作原理:
将横截面尺寸与模具通道尺寸几乎相等的块体材料放入润滑良好的通道入口,在外加载荷的作用下,试样被压入2 通道的交截处时,试样内部发生近似理想的纯剪切变形。 由于挤压前后试样的截面形状和面积不发生改变,故多道次挤压可以获得相当大的累计应变量。根据相邻挤压道次间试样相对于模具的轴向旋转方向和角度的不同,ECAP 的工艺路线可分为3 种,即路线 A、 B、 C;根据旋转方向的不同,路线 B 又细分为 Ba 和Bc。
等通道转角挤压硅铝合金针状共晶硅损伤断裂实验
用等通道转角挤压试验分析方法结合位错理论 ,研究等通道转角挤压硅铝合金组织中针状共晶硅在挤压过程中晶粒细化和断裂过程。结果表明 ,硅铝合金等通道转角挤压转角处的剪切力引起塑性变形 ,导致位错在共晶硅前的塞积与增殖 ,使共晶硅形成裂纹 ;裂纹尖端的应力集中使共晶硅完全断裂 ,达到晶粒的细化。
6061铝合金等通道转角挤压时的流变性能
分别对退火态和固溶时效态6061铝合金进行8道次及4道次等通道转角挤压,用有限元软件Deform-3D模拟变形过程,研究连续大变形对组织性能的影响规律。结果表明:等通道挤压使晶粒破碎细化,金属流线走向与剖面对角线方向基本一致;退火态合金的表面硬度随变形道次增加而升高,各道次挤压载荷峰值没有随着变形道次增加而单调增加,而是经历一个升高、降低、再升高的过程。固溶时效态合金的表面硬度在2道次变形后达到了峰值,其载荷峰值也在第2道次变形时最高。硬度值的变化规律与强化因素及位错的运动有关,而载荷的变化规律与摩擦力的变化及其对载荷的贡献大小有关。模拟结果发现,挤压载荷峰值随着变形道次的增加而增大,与实测值不相符。由于剧烈变形使合金组织性能变化较大,因此需要适当修正材料本构关系,才能正确反映其流变行为。