上偏心距对等通道球形转角挤压影响的有限元分析

等通道球形转角挤压(Equal Channel Angular Extrusion With Spherical Cavity,ECAE-SC)是集耦合剪切应变和正应变于一体的新型复合大塑性变形工艺,具有复合、连续、高效变形等优点。偏心距作为该工艺模具结构的重要参数之一,对金属的成形过程和变形行为有着重要影响。本文以塑性性能较好的工业纯铝作为研究对象,利用DEFORM-3D有限元软件对不同上偏心距条件下的ECAE-SC单道次室温变形行为进行有限元模拟,分析了挤压载荷、金属流动、等效应变、平均应力等场量的分布及变化规律。结果表明,上偏心距对挤压载荷变化趋势的影响不大,稳定变形阶段下坯料的最大挤压载荷约为3.15 kN。随着上偏心距的增加,金属的流动性得到显著提高,填充效果更好。当上偏心距增大时,坯料可获得较大的应变累积和良好的变形均匀性。同时,坯料保持高静水压力状态的时间更长,这对于提高材料塑性变形能力,获得理想的晶粒细化效果十分有利。本文模拟条件下,当上偏心距为2.5mm时,坯料整体成形效果最好。

工业纯铝等通道球形转角挤压数值模拟与实验研究

为提高传统ECAE工艺的挤压效率和变形效果,提出一种具有“球形分流”结构的新型等通道球形转角挤压工艺。采用DEFORM-3D有限元软件对工业纯铝ECAE-SC变形过程进行模拟,研究金属流动、挤压载荷、等效应变以及平均应力的分布及变化规律;在自行设计的ECAE-SC模具上成功实现工业纯铝室温单道次连续变形,对变形组织进行了EBSD分析和显微硬度测试。结果表明:ECAE-SC模具外角处球状圆弧的平滑过渡有效改善底部金属流动性,坯料经球形转角依次发生剪切、膨胀和挤压等3种不同形式的复合变形,挤压载荷表现出“急剧上升缓慢增加稳定变形”的变化趋势;1道次ECAE-SC变形后,坯料内部平均累积塑性应变高达3.07,沿长度方向形成1个近似平行四边形的稳定应变区,变形均匀性良好;工业纯铝坯料经室温1道次ECAE-SC变形后,外形完整、表面光滑、宏观无裂纹;材料内部形成大量细长的剪切变形带,晶粒破碎和细化现象明显,平均显微硬度大幅提高,由初始36.6HV增加至58.7HV。

等通道球形转角挤压过程中工业纯铝的微观组织演变与力学性能

突破传统ECAP变形全过程通道等截面思路,提出一种耦合剪切应变和正应变于一体的新型等通道球形转角挤压(equal channel angular extrusion with spherical cavity,ECAE-SC)工艺。在自行研制的模具上对工业纯铝进行室温单道次ECAE-SC挤压实验,采用OM、EBSD和TEM等技术手段,研究了ECAE-SC变形过程中工业纯铝微观组织的演变规律,并测试了变形后试样的显微硬度。结果表明,在ECAE-SC工艺剧烈简单剪切变形诱导下,工业纯铝仅需1道次挤压变形即可获得等轴、细小、均匀的超细晶组织,平均晶粒尺寸约为400 nm;工业纯铝室温ECAE-SC变形以位错滑移为主并伴有不完全连续动态再结晶,其微观组织经历了剪切带→位错胞→小角度亚晶→大角度等轴晶粒等动态演化过程。1道次ECAE-SC变形后,工业纯铝组织以{110}<001>高斯织构为主,同时存在部分{111}<112>铜型织构;材料显微硬度值大幅提升,由初始289.4 MPa提高到565.3 MPa,增幅高达95.33%,且分布均匀性良好。

新型等通道球形转角膨胀挤压过程模拟与实验验证

将"球形分流"和"膨胀挤压"概念引入传统ECAP技术,提出一种新型等通道球形转角膨胀挤压(ECAEE-SC)工艺。采用有限元模拟和实验验证的方法研究ECAEE-SC过程中工业纯铝的塑性变形行为。结果表明:ECAEE-SC工艺具有复合剧烈塑性变形的效果,球形转角和膨胀通道为两个主要变形区域;挤压过程中材料处于理想的压应力状态,坯料单道次ECAEE-SC变形累积等效应变量约为3.5,整体变形均匀性良好,挤压效率大幅提高。挤压实验与有限元模拟结果相一致,挤出坯料外形完整且宏观无裂纹,坯料显微硬度平均值从初始36.6HV增加至70.2 HV,力学性能得到显著改善。

球形分流对等通道转角挤压工业纯铝组织性能的影响

基于传统等通道转角挤压(Equal Channel Angular Extrusion, ECAE)的变形原理,开发设计出一种具有球形空腔结构的新型复合大塑性变形工艺--等通道球形转角挤压(Equal Channel Angular Extrusion with Spherical Cavity, ECAE-SC)。以ECAE工艺为对比参照,开展了室温条件下工业纯铝单道次ECAE-SC挤压实验研究,进行了金相显微分析、显微硬度测试和球-面接触往复式摩擦磨损试验,获得了变形材料的显微组织、显微硬度、摩擦系数、磨损率和三维磨损形貌等特征参数.研究表明:ECAE-SC球形转角的圆滑过渡可大幅提高模具外角处金属的流动性,有效避免产生传统ECAE单道次变形"死区",挤出试样头部翘曲现象得到显著改善;室温单道次ECAE-SC变形后,工业纯铝晶粒细化明显,显微硬度值由初始36.6HV增加至58.7HV,比同条件下ECAE变形试样(52.8HV)提高了11.2%;ECAE-SC变形材料耐磨性能最好,并表现出良好的摩擦磨损稳定性,磨损机制从磨粒磨损和氧化剥层磨损为主导的混合磨损机制转变为以磨粒磨损为主导的磨损机制。

等通道球形转角膨胀挤压工业纯铝的剧烈塑性变形行为

提出一种耦合强塑性应变与高静水压力于一体的新型剧烈塑性变形工艺——等通道球形转角膨胀挤压(ECAEE-SC)。采用三维有限元数值模拟分析软件DEFORM-3D研究工业纯铝在ECAEE-SC变形过程中的塑性变形行为,分析材料流动、挤压载荷、等效应变和平均应力的分布规律,并与传统ECAE工艺进行比较。开展工业纯铝室温单道次ECAEE-SC变形验证实验,探讨材料显微组织和显微硬度的演变规律。结果表明,在ECAEE-SC变形过程中,材料内部处于理想的静水压力状态,挤压变形所需载荷较传统ECAE工艺时大幅增加。经单道次变形后,坯料内部累积塑性应变量达3.51且变形均匀性良好;工业纯铝晶粒得到显著细化,内部形成亚微米级等轴超细晶组织;材料显微硬度均匀分布,硬度值由初始铸态的HV 36.61提高到HV 70.20,增幅达91.75%。

等通道球形转角膨胀挤压工业纯铝的组织与性能

采用新型等通道球形转角膨胀挤压(equal channel angular expansion extrusion with spherical cavity,ECAEE-SC)工艺,对工业纯铝进行室温1道次挤压变形。借助光学显微镜(OM)、电子背散射衍射(EBSD)研究变形过程中工业纯铝显微组织的变化规律,并进行了硬度测试和拉伸试验。结果表明:ECAEE-SC工艺具有复合成形效果和较高的挤压效率,坯料成功实现了单道次连续变形。工业纯铝经1道次ECAEE-SC变形后,在机械剪切、应变累积和静水压力的共同作用下,晶粒显著破碎和细化,内部形成了大量细小、均匀的等轴亚晶,平均晶粒尺寸约为4.6mm;材料表现出优良的综合力学性能,HV显微硬度由未变形时的366 MPa增加至702 MPa,增幅为91.8%,且分布趋于均匀;抗拉强度高达183.8 MPa,而伸长率降低至12.7%,拉伸断口表现出明显的韧性断裂特征。