等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝研究的國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u28369等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝研究的國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述 143321.1等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝原理 1281301.2等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝參數(shù) 141881.3等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝發(fā)展趨勢(shì) 51.1等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝原理等通道轉(zhuǎn)角擠壓原理如圖1.5所示：ECAP模具由兩個(gè)截面積相等通道組成，如圖所示，內(nèi)模角為Φ，外模角為Ψ，試樣受到?jīng)_頭的擠壓作用在模具拐角處通過兩個(gè)通道，此時(shí)試樣受到45°方向的剪切應(yīng)力，使拐角處材料局部產(chǎn)生大的剪切應(yīng)變。由于試樣和模具有著一樣的截面積，所以可以通過反復(fù)的擠壓使試樣的應(yīng)變量隨著擠壓次數(shù)的增多逐漸累積，以得到足夠大的總應(yīng)變，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。圖1.5等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝原理1.2等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝參數(shù)根據(jù)Iwahashi[20]等的理論，在充分潤滑試樣與模具內(nèi)壁后，等通道轉(zhuǎn)角擠壓所累積的總應(yīng)變大小取決于擠壓次數(shù)N、以及模具內(nèi)模角Φ和外模角Ψ的大小，即（1.1）式中為ECAP變形過程中累積總應(yīng)變量，N為擠壓次數(shù)，Φ為內(nèi)模角，Ψ為外模角?？梢姡珽CAP過程中試樣所累積應(yīng)變量主要受到擠壓道次以及模具參數(shù)的影響。此外，變形路徑、擠壓速度、擠壓溫度以及試樣與模具內(nèi)壁之間的的摩擦狀態(tài)等對(duì)ECAP過程都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。(1)模具參數(shù)ECAP模具通道的內(nèi)模角Φ和外模角Ψ對(duì)所累積的總應(yīng)變量有著重要影響，應(yīng)變量累積和等效應(yīng)變的均勻性也會(huì)隨著不同的內(nèi)外模角配合而變化。想要得到晶粒大小均勻且細(xì)小的組織需要設(shè)計(jì)更合理的模具參數(shù)。在ECAP的過程中，單道次等效應(yīng)變的增加值可以作為模具的特征參數(shù)，且隨著內(nèi)模角Φ與外模角Ψ的變化而變化。單道次的應(yīng)變量隨內(nèi)模角Φ、外模角Ψ的變化如表1.1所示。表1.1單道次應(yīng)變量隨模角Φ、Ψ的變化0°10°20°30°40°45°50°60°70°80°90°90°1.1551.1001.0551.0160.9830.9690.9570.9350.9200.9100.907120°0.6670.6500.6350.6220.6130.6090.6070.605135°0.4780.4700.4620.4570.4540.453150°0.3090.3060.3030.302由上表可以看出，內(nèi)模角取定值時(shí)，隨著外模角的增加單道次應(yīng)變量減小。當(dāng)為90°時(shí)，當(dāng)從0°增加到90°，應(yīng)變量從1.155下降到0.907，降低了21.5%；當(dāng)為120°時(shí)，從0°增加到60°，應(yīng)變量從0.667減小到0.605，降低了5.7%。應(yīng)變量受內(nèi)模角的影響程度隨著外模角的減小而降低，但應(yīng)變量隨內(nèi)模角改變而變化的規(guī)律仍保持不變。當(dāng)為20°時(shí)，從90°減小到150°，應(yīng)變量從1.055下降到0.303，降低70%左右。通過對(duì)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析可見，外模角對(duì)于應(yīng)變量的影響要遠(yuǎn)大于內(nèi)模角。Nakashi[22,23]等人進(jìn)行了角為90°，112.5°，135°，157.5°模具的純鋁擠壓實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)角為90°時(shí)試樣應(yīng)變量最大，晶粒的細(xì)化效果最好，同時(shí)擠壓后的試樣中有大量的大角度晶界。當(dāng)內(nèi)模角相對(duì)較小時(shí)，只要應(yīng)變量足夠大，都會(huì)有大角度晶界出現(xiàn)；而內(nèi)模角較大時(shí)，即使擠壓道次足夠多，也難以大角度晶界。外轉(zhuǎn)角半徑R太小產(chǎn)生死區(qū)，R值越大應(yīng)變和變形量越小，但是減小了模具磨損和表面裂紋。(2)擠壓路徑以試樣在ECAP過程中連續(xù)兩道次擠壓之間旋轉(zhuǎn)方向和角度的不同為依據(jù)將ECAP擠壓路徑分為以下4種[24,25]：在進(jìn)行1道次擠壓后，試樣直接進(jìn)行下一道次擠壓的路徑，定義為路徑A;在進(jìn)行1道次擠壓后，進(jìn)行下一道次擠壓前將試樣旋轉(zhuǎn)90°，在第3道次擠壓前將試樣沿著相反的方向旋轉(zhuǎn)90°，第4道次再沿著相反的方向旋轉(zhuǎn)90°，依此類推，定義為路徑BA;每道次擠壓后，試樣沿同一方向旋轉(zhuǎn)90°后進(jìn)入下一道次擠壓的路徑，定義為路徑BC;在進(jìn)行1道次擠壓后，試樣旋轉(zhuǎn)180°后再進(jìn)行下一道次擠壓的路徑，定義為路徑C，如圖1.6所示。圖1.6等通道轉(zhuǎn)角擠壓路徑圖在Φ=120°時(shí)，PranGell等[26]研究了采用不同的擠壓路徑對(duì)鎂合金進(jìn)行ECAP擠壓對(duì)晶粒細(xì)化的影響，得出以下結(jié)論：在采用路徑A進(jìn)行擠壓時(shí)，達(dá)到了最好的晶粒細(xì)化效果，其次是路徑BC和BA，路徑C的晶粒細(xì)化效果最差。(3)擠壓道次采用等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝可以反復(fù)擠壓試樣從而累積足夠大的應(yīng)變，由公式1.1可知，擠壓道次N與累積應(yīng)變成正比，ECAP過程所累積的總應(yīng)變量隨著擠壓道次的增加而增大，試樣內(nèi)部產(chǎn)生的剪切應(yīng)變逐漸增加，晶粒細(xì)化程度增加。但Chang等人[27]通過99.9%純度Al進(jìn)行ECAP發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)變量增加，晶粒的幾何形狀和高寬比基本保持不變，但隨著應(yīng)變量的增加大角度晶界并沒有明顯的增多。也有很多學(xué)者[28,29]認(rèn)為ECAP過程主要第1道次對(duì)晶粒細(xì)化程度以及材料力學(xué)性能產(chǎn)生影響。大量實(shí)驗(yàn)表明，材料ECAP擠壓至8-12道次會(huì)得到相對(duì)更好的晶粒細(xì)化效果，ECAP高純鋁的硬度值在進(jìn)行3至4道次的擠壓后達(dá)到飽和。吳躍[30]在350℃的條件下對(duì)7075鋁合金試樣采用路徑A進(jìn)行不同道次的ECAP擠壓后，對(duì)試樣進(jìn)行顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)；在進(jìn)行ECAP后7075鋁合金試樣晶粒細(xì)化效果較為明顯，在1道次擠壓后晶粒尺寸細(xì)化至26μm，2道次擠壓后晶粒尺寸細(xì)化至20μm，4道次擠壓后晶粒尺寸細(xì)化至16μm，說明隨著擠壓道次的增加，晶粒逐漸細(xì)化。(4)擠壓速度大量文獻(xiàn)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，擠壓速度對(duì)高純鋁ECAP過程中晶粒的細(xì)化基本沒有影響，但采用較低的擠壓速度進(jìn)行ECAP時(shí)非平衡組織能夠更充分的恢復(fù)，能得到更均勻的微觀組織，也就是說材料的穩(wěn)定性會(huì)更加優(yōu)秀。同時(shí)晶?；貜?fù)的時(shí)間在擠壓速度較低時(shí)會(huì)有一定的延長，顯微組織更加平衡，外來位錯(cuò)減少[31]。在設(shè)備生產(chǎn)能力允許的條件下下，可以適當(dāng)提高擠壓速度，從而提高生產(chǎn)效率。(5)擠壓溫度在高溫下，金屬原子所具有的能量較高，在進(jìn)行塑性變形時(shí)，原子的運(yùn)動(dòng)十分劇烈，由不穩(wěn)定的高能量狀態(tài)變形到穩(wěn)定的低能量狀態(tài)的趨勢(shì)大，由此可見擠壓溫度對(duì)晶粒細(xì)化有很大的影響。Yamashita等[32,33]采用路徑BC在室溫，373K，471K，573K4個(gè)不同的擠壓溫度下對(duì)3高純鋁進(jìn)行ECAP擠壓。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，隨著擠壓溫度升高晶粒的細(xì)化效果變差。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)當(dāng)高純鋁的ECAP擠壓溫度高于473K時(shí)，會(huì)發(fā)生大角度晶界轉(zhuǎn)變?yōu)樾〗嵌鹊那闆r。所以在設(shè)備能力允許時(shí)，高純鋁ECAP過程應(yīng)在較低的擠壓溫度下進(jìn)行。(6)摩擦因數(shù)在ECAP過程中，試樣與模具內(nèi)壁之間的摩擦難以避免，摩擦的存在會(huì)對(duì)ECAP過程中應(yīng)變均勻性及微觀組織產(chǎn)生影響。試樣與模具內(nèi)壁接觸部分的摩擦?xí)?dǎo)致接觸部分的材料流動(dòng)速度降低，從而導(dǎo)致試樣兩端與模具內(nèi)壁接觸的部分變形比中心部分小，使試樣整體各部分受到的剪切應(yīng)變不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致試樣組織不均勻。同時(shí)當(dāng)試樣與模具內(nèi)壁之間的摩擦變大時(shí)，ECAP過程所需的擠壓力增大，模具承受的應(yīng)力也會(huì)隨之增大，會(huì)降低設(shè)備及模具使用壽命。總結(jié)之前的研究結(jié)果可以得出，在ECAP過程中，為了使變形死區(qū)變小，提高變形均勻性應(yīng)盡量減少壓入通道的摩擦，在擠出通道保留適當(dāng)?shù)哪Σ痢?.3等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝發(fā)展趨勢(shì)(1)連續(xù)ECAP擠壓傳統(tǒng)的ECAP存在較為明顯的缺點(diǎn)，即自動(dòng)化程度較低，在每個(gè)道次的擠壓完成后，材料周圍多余的部分需要人力去除，同時(shí)人工還需手動(dòng)確定每個(gè)道次的旋轉(zhuǎn)角度。因此開發(fā)可連續(xù)進(jìn)行的等徑角擠壓技術(shù)是生產(chǎn)效率不斷提升的趨勢(shì)下必然的發(fā)展方向。Georgy[34]等人采用連續(xù)等通道擠壓（ECAP-Conform）方法，將ECAP與Conform技術(shù)相結(jié)合，高效低耗地制備超細(xì)晶粒鋁材。圖1.7是ECAP-Conform的擠壓原理圖，試樣在旋轉(zhuǎn)軸的凹槽中同時(shí)受到來自旋轉(zhuǎn)軸的摩擦力以及來自外部設(shè)備的約束剪切力兩種力的共同作用。圖1.7