摩擦对反复镦压工艺的影响

石凤健,陈 杰,张 诚,葛艳明,项宏福

(1.江苏科技大学 材料科学与工程学院,镇江 212003) (2.江苏金源高端装备股份有限公司,溧阳 213376)

由于超细晶材料表现出高强度、高韧性、较低的韧脆转变温度以及高应变速率和低温超塑性等优异性能而备受关注[1]．剧烈塑性变形提供了制备致密大块体超细晶材料的方法,主要包括等径角挤压[2](equal channel angular pressing, ECAP)、高压扭转[3](high pressure torsion, HPT)、累积叠轧[4](accumulative roll-bonding, ARB)、反复镦压[5-6](cyclic channel die compression, CCDC)以及复合挤压[7]等．其中反复镦压原理如图1,试样置于模腔内,压头自上而下对其进行加载,直至试样完全充满型腔,由于试样高度与模具通道尺寸相等,变形后试样又恢复到原来的形状,因此可以重复变形以积累更大的应变．研究表明反复镦压同样可以大大细化材料组织,改善材料性能[6],而且具有工装简单、操作方便、变形量可控等特点．文献[5]比较了ECAP、HPT以及反复镦压纯铝及纯铜的微观组织,在低应变时,不同工艺方法制备材料的组织存在较大的差异,但这种差异随着变形程度的增加逐渐减小,反复镦压纯铜结构单元尺寸甚至小于ECAP变形后的单元尺寸．文献[8]通过反复镦压制备了具有纳米晶结构的铜．文献[9]研究了纯钛反复镦压时组织均匀性的演变及力学性能．文献[10]利用反复镦压细化6013铝合金晶粒,消除了组织各向异性．文献[11]采用DEFORM-3D研究了摩擦对纯铜室温压缩变形不均匀性的影响,表明变形不均匀程度随摩擦因子的增加而增大．文献[12]在研究摩擦对多轴压缩工艺的影响时也发现了上述现象．

图1 反复镦压工艺示意Fig.1 Schematic illustration of CCDC process

图2为某纯铜试样镦压1道次后的低倍组织(箭头A所示为试样对称面)．

图2 纯铜镦压1道次后的横截面低倍组织Fig.2 Macrostructure of pure copper on the middle plane perpendicular to transverse direction after 1 pass compression

与退火态相比,经过1道次镦压后组织呈现一定的不均匀性,B区晶粒压扁程度较其它区域大,变形更明显,具有典型的镦粗变形特征,变形不均匀会影响材料力学性能的均匀性[9,13],为使小变形区域组织细化,需要采用更多道次的镦压,使得变形效率降低,甚至由于材料塑性下降而开裂．变形不均匀主要与试样和模具之间的摩擦有关,与普通镦粗不同的是,反复镦压时试样除上下表面与模具接触外,垂直TD方向(图1)侧表面也与模具接触,摩擦对坯料变形的影响更为复杂．因此,文中针对摩擦的影响展开研究,鉴于摩擦对多道次镦压过程影响的相似性,文中主要以1道次镦压时摩擦的影响进行分析．

1 数值模拟模型

模拟采用DEFORM-3D软件进行,模拟前,首先在Solidworks软件中进行实体造型并保存为*.STL格式．试样尺寸为30 mm×30 mm×20 mm,即高宽比H/W=1.5．模拟时把试样看作变形体,模具看作刚体．模拟选用材料为纯铜．模拟温度假定为室温,镦压速度设为0.5 mm/s,由于镦压速度较慢,忽略试样的塑性变形热及摩擦热．试样和模具之间按剪切摩擦条件处理,摩擦因子m分别取0.05、0.15和0.3．为了协调大变形引起的网格畸变,模拟过程中自动进行网格重划分．镦压前,压头下表面与试样上表面接触,压头每次下压10 mm．

2 结果与讨论

2.1 摩擦对等效应变大小及分布的影响

图3为采用不同摩擦因子一道次镦压后坯料横截面(垂直图1中TD方向试样中间对称面)、纵截面(垂直图1中LD方向试样中间对称面)上的等效应变大小与分布．由于摩擦的存在,等效应变的分布并不均匀,当摩擦因子m=0.05时,从横截面来看(图3(a)),4个角部和中心部位等效应变略高,但角部占整个试样截面的比例较小．从纵截面来看(图3(b)),除两个底角极小的区域内等效应变梯度较大外,其他区域等效应变分布较为均匀．随摩擦因子的增大,最大等效应变由0.824增大到1.95,而最小等效应变由0.317下降到0.225．从横、纵截面的等效应变大小和分布看,不同区域等效应变大小差异也越来越大．在横截面4个角处等效应变梯度较高,而且应变较大的区域沿横截面的对角线分布,试样上下表面及侧面等效应变较低(图3(e)),等效应变的这种分布特征与图2中组织变形特征相似,表明了模拟模型的可靠性．

为了定量了解不同摩擦因子镦压后的等效应变大小及变形均匀性情况,评价摩擦对等效应变大小和分布的影响,对不同摩擦条件下镦压后整个试样的节点平均等效应变和节点等效应变标准差通过软件进行了提取,其结果如图4．当摩擦因子为0.05时,节点平均等效应变为0.471,而根据等效应变理论计算公式[6]计算的等效应变值为0.468,理论值和模拟值较为吻合,节点标准差为0.031 9,说明变形较为均匀．随摩擦因子增大,节点平均等效应变略有增大,当摩擦因子为0.3时,其值为0.563．但节点等效应变标准差急剧增加到0.187,说明变形均匀性随摩擦因子增大下降,因此,镦压时应采取合适的润滑措施降低摩擦对变形均匀性的影响．

图3 一道次镦压后横、纵截面上的等效应变分布Fig.3 Effective strain distribution of the samples after 1 pass compression

图4 不同摩擦因子镦压试样的平均等效应变及标准差Fig.4 Average effective strain and standard deviation of the samples compressed with different friction coefficients

2.2 摩擦对速度场的影响

镦压开始前,试样除左右2个侧面(见图1)外,其它4个面都与模具接触,镦压开始后,由于模具的限制,试样在TD方向没有流动,在ND方向受压的同时,沿LD方向向两侧流动．图5为不同摩擦因子条件下镦压到80步时试样沿LD方向流动的速度场,从图中可以看出,试样向左右两侧的流动是对称的,中间为分流面,侧表面流动速度最快．当摩擦因子m=0.05时,试样侧表面大部分区域流动速度较为一致,只有底角处较小区域内速度略低(图5(a)),试样的形状畸变较小．随摩擦因子的增大,由于试样4个侧面与模具接触,其流动受到阻碍,侧表面各点沿LD方向的流动速度差异增大,远离与模具接触部位的材料流动略快,试样侧面呈现一定的鼓形(图5(b)、(c)),其变形后的外形特征与自由镦粗不同．文中针对尺寸为30 mm×30 mm×20 mm的退火态T2铜(750℃×2.5h退火处理)试样进行了一道次镦压试验(润滑剂为含MoS2的润滑脂,摩擦因子约为0.12～0.15)，试验中也观察到了这种鼓形现象(图6),表明模拟结果具有一定的可靠性．由于同一截面上各点流动速度的差异造成其变形不均匀．

图5 不同摩擦因子时试样流动方向(LD方向)的速度场Fig.5 Velocity field of flow direction with different friction coefficients

图6 实验试样Fig.6 Experimental samples

2.3 摩擦对镦压载荷的影响

图7为不同摩擦因子镦压时的载荷-时间变化曲线．可以看出,该曲线主要分为两个阶段:载荷匀速增加阶段和载荷快速增加阶段．镦压开始后,随压头的下行,材料变形程度增大,材料产生应变硬化,其变形抗力提高,所需变形载荷增大;同时由于镦压使试样上下表面与模具接触面积增加,所需变形载荷也增大,二者共同作用使得载荷随压头行程的变化近乎呈线性上升．当试样左右两个侧面与模具接触后,由于材料流动受到模具约束,变形载荷迅速上升,直至变形结束,试样恢复到原来的形状．在载荷匀速增加阶段,随摩擦因子的增大,载荷随时间变化曲线的斜率略微增大,说明载荷随时间上升的更快;同时载荷迅速增加阶段开始的时间更早,这是由于摩擦因子越大,镦压时试样的鼓形越严重,与模具侧壁接触更早所致．更为重要的是随摩擦因子的增大,最大镦压载荷明显增加,如图8,可以看出,摩擦因子从0.05增大到0.3,最大镦压载荷由286.6 kN增大到912.4 kN,增加了218%．从这方面来说,降低摩擦的影响对于反复镦压工艺具有重要的意义．实验时,第一道次镦压的最大载荷在700～730 kN范围内,与m=0.15时的最大模拟载荷Pmax=732.6 kN较为接近,说明模拟结果与实验结果较为吻合．

上述研究表明,摩擦对于材料反复镦压应变及组织均匀性、载荷大小等具有影响,除采用合适的润滑条件降低摩擦外,通过改进模具结构降低摩擦的影响也是有效的方法之一,相关研究工作正在开展中．

图7 不同摩擦因子镦压时载荷随时间的变化曲线 (H/W=1.5)Fig.7 Variation curves of load-time for different friction coefficients

图8 不同摩擦因子下的最大镦压载荷Fig.8 Maximum compression load for different friction coefficients

3 结论

通过DEFORM-3D软件对纯铜不同摩擦因子情况下的镦压过程进行了模拟,研究了摩擦对镦压后的等效应变大小和分布、速度场以及载荷的影响,得出以下结论:

(1) 由于摩擦的影响,一道次镦压后等效应变分布不均匀,除试样角部小范围等效应变较高外,在大部分区域中心等效应变较高．随着摩擦因子的增大,试样内部累积的平均等效应变增大,但节点等效应变的标准差也明显增大,说明变形的不均匀性增大．

(2) 随摩擦因子的增大,试样外侧表面向外流动的速度变得不均匀,远离与模具接触区域的材料流动的更快．

(3) 镦压载荷随时间的变化曲线主要包括匀速增加和快速增加两个阶段,匀速增加阶段占比较大．摩擦因子越大,载荷匀速增加阶段斜率越大,载荷快速增加阶段开始的越早．镦压过程中需要的最大载荷随摩擦因子的增大明显增加．因此,应采取合适的润滑措施或其它措施降低摩擦的影响．