等径角挤压时铝材料塑性变形的研究

牟世娟　马学军　芦明霞

摘要：文章通过两套不同模具对铝材料进行等径角挤压，研究了材料挤压后的变化，讨论了摩擦和不同模具结构对铝材料塑性流变的影响。

关键词：等径角挤压；铝材料塑性变形；模具设计

中图分类号：TG146文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）05-0108-02

等径角挤压（Equal Channel Angular Pressing，简称ECAP）技术是近几十年发展起来的一种制备块体纳米材料的新工艺。20世纪80年代前苏联专家Segal就提出了大塑性变形理论的ECAP方法制备大块超细晶材料，将试样压入一个特别设计的模具中以实现大的剪切变形来细化晶粒。进入90年代后俄罗斯科学家Valiev发现利用该技术可以使材料产生大应变从而细化多晶材料的晶粒，获得亚微米级或纳米级的超细晶结构。ECAP技术已成为当代材料科学研究的热点，特别是俄罗斯科学家采用等径角挤压技术加工1420铝合金，随后在高应变速率和350℃温度下采用超塑性成形加工出内燃机的活塞，大大地提高了零件的生产率，具有重要的现实意义。

材料在等径角挤压过程中的力学性能与其塑性变形量有着直接的联系。在等径角挤压过程中，试样的塑性变形行为还与很多参数有关，其中摩擦和模具结构就是这些参数中的一些重要参数，为加深这些参数对等径角挤压过程中塑性流变的影响的理解，采用不同的模具对同一材料进行等径角挤压具有重要的意义。

一、实验所用的两套模具设计简图

二、实验过程

把制备好的试样样品放入模具中进行挤压，在挤压过程中试样不断重复一个过程：挤压、取出、旋转、重新插入模具中以待再次挤压。

三、实验分析

材料在等径角挤压过程中，剪切变形主要发生在变形区拐角附近。从图2中曲线1可以看出，纯铝在等径角挤压过程中的挤压所需的载荷随着时间的增加而增加，但大致可分为三个阶段：（1）载荷值快速增加；（2）载荷值趋于稳定；（3）载荷值下降。

从曲线1中可以分析出三点：（1）试样刚进入模具时金属受到了很大的向着模具入口方向的推动力，而且这种推力随着试样的不断进入而增加，当试样的前面部分经过主要变形区时，由于受到内角与外角给予的附加拉应力与压应力，内外角阻碍着金属向模具出口方向流动，同时在内外角处金属又受到很大的剪应力，在这些力的共同作用下，金属发生很大的塑性变形，因而试样中发生剪切变形的部分随着变形的进行而逐渐增加，同时试样的内应力和挤压所需要的载荷也随之增加。（2）当金属通过转角进入模孔中时，由于试样与模具相接触，模具对试样的变形有一定的阻碍作用，因此载荷增加的较快，随着挤压的进行，载荷在一定时间内基本保持不变，因此载荷值恒定。（3）当试样被推出变形区域时，由于各种力的相互作用减弱，从而使载荷的值下降。

从图2中曲线2可以看出，载荷始终是随着时间的增加而缓慢增加。这说明试样在发生剪切变形时，由于模具结构的不同，而导致载荷值的大小也不同。因为两种模具对材料进行等径角挤压时，复杂模具比简单模具要多一个应用的力。应用复杂模具对试样进行等径角挤压时，试样除受到简单模具作用的所有力之外，试样还将受到复杂模具对它的一个反向推力，此反向推力将减缓金属的剧烈变形，由于试样发生剪切变形时，反向推力始终作用在试样上，从而导致了曲线2的载荷值始终随着时间的变化而逐渐增加。

从图2实验测定的载荷-时间曲线中，我们还可以分析到，当用同样的力对试样进行挤压时，复杂模具所需要的时间比简单模具所需要的时间长，原因在于模具结构的不同，从而导致试样在进行等径角挤压实验过程中所受到的力也就不同，因而需要的时间也就不同。

四、结论

1．在等径角挤压过程中，根据载荷变化特征在简单模具内可将载荷－时间曲线分为三个阶段：（1）载荷值快速增加；（2）载荷值趋于稳定；（3）载荷值下降。而在复杂模具中，载荷值始终随着时间的增加而增加。通过不同模具对材料进行等径角挤压的分析，解释载荷变化随时间变化不同的原因。

2．在等径角挤压过程中，试样不同部位的应力状态不一致。在主要变形区样内部存在压应力——拉应力的应力转变，试样外部存在压应力——拉应力——压应力的应力转变。

参考文献

[1]Segal V M．Materials processing by simple shear[J]．Materials Science and Engineering，1995．

[2]Valiev R Z，Krasilnikov N A，Tsenev N K．Materials Science and Engineering，1991．

[3]Valiev R Z，Islamgaliev R K，Alexandrov I V．Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation[J]．Progress in Materials Science， 2000．

作者简介：牟世娟（1979－），女，吉林长春人，沈阳理工大学理学院助教，硕士，研究方向：纳米材料的制备与应用。