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山東建筑大學畢業(yè)設計外文文獻譯文 1 板材的的等徑角擠壓 摘要 本文介紹的是不同寬厚比 W T 的長矩形坯料的等徑角擠壓的問題 并對內(nèi)部塑性 變形區(qū)和進出口通道進行了應力分析 他們是有接觸擦力和板材的幾何形狀確定的 同時 對及加工進行優(yōu)化設計 制定了設計工具的工藝方案 可以看出 當板材的 W T 1 時 這為大規(guī)模冶金中處理龐大的平板狀批料和技術(shù)商業(yè)化提供了重要的技術(shù)優(yōu)點 關(guān)鍵詞 等徑角擠壓 優(yōu)化處理 板材 大規(guī)模商品化 1 導言 材料結(jié)構(gòu)在劇烈塑性變形 SPD 的影響下帶來重要的科學和實際利益 這個方案的一 個重要優(yōu)點是可以用一個高效益的方法使大量的不同金屬或合金坯料的晶粒結(jié)構(gòu)細化到亞 微米級 這種超細晶粒結(jié)構(gòu) 通常在從幾微米至 0 2 微米 同時具有高的強度和良好的延 展性 因此廣泛應用于結(jié)構(gòu)材料 隨著 SPD 商業(yè)化的應用 相關(guān)的成行技術(shù)也得到實 質(zhì)性進展 關(guān)鍵因素是變形方案和加工特點的優(yōu)化 不論加工目的 材料性質(zhì) 溫度 應 變速率條件如何 SPD 具有大而統(tǒng)一的應變 簡單剪切變形和低應力變形 在 SPD 的幾個 較著名已知的方法 等徑角擠壓 ECAE 是目前被認為最應用最多的 然而 等徑角 擠壓的發(fā)展并不完善 盡管在這一領(lǐng)域應用廣泛 但絕大多數(shù)的 以細長坯料的應用為主 如文獻 1 這些棒狀坯料會限制材料 特點和等徑角擠壓的特 點和進一步的加工 他們和少應用于半成品 目前也沒有商業(yè)化的報道 相比之下 板材 的等徑角擠壓出現(xiàn)在軋制后 第一次出現(xiàn)在文獻 2 再加上其他的技術(shù)優(yōu)點 等徑角擠壓工藝有很大現(xiàn)實意義 目前細長坯料的等徑角擠 壓已經(jīng)有了很好的研究和開發(fā) 板材的等徑角擠壓的特點還不清楚 在僅有的幾個相關(guān)出 版物 3 5 也沒有論述 本文板材的等徑角擠壓為例 講述一下板材的等徑角擠壓的一 些重要細節(jié) 2 機加工我們可以認為矩形坯的等徑角擠壓就是 圖一 厚度 T 寬度 W 和長度 L 的坯料通過角度為 90 度的通道 在圖一中 坯料的初末位置 1 2 分別用點畫線和 實線表示 由于坯料寬度不變 坯料作為一個剛體移動時 圖 6 表明 應力應變狀態(tài) 山東建筑大學畢業(yè)設計外文文獻譯文 2 和塑變區(qū)的范圍取決于進口通道 1 和出口通道 2 所施加的邊界條件 因此 應對相應的條 件加以分析 2 1 進氣通道 等徑角擠壓開始時 將坯料潤滑并放置在模具入口 實際摩擦力取決于工件和刀具之 間的接觸面積和正壓力 假設管道內(nèi)的應力類似于線形塑性壓縮 正壓力 n p Y 其中 P 是軸向壓力 Y 是材料的流動應力 如果 p Y 正壓力 n 0 對于 L T 1 的長坯料來說 塑性接觸主要由有橫向屈曲形成 這種不規(guī)則的原始接觸僅提 供很小的摩擦力 如果 p 2Y 正壓力 n Y 塑性區(qū)接觸面積大約等于坯料和管道 的接觸面積 在這種情況下 沿管道軸向相同潤滑下將會產(chǎn)生一個大的摩擦力和一個明顯 的壓力差 P 因此原始壓力 pe p1 p 是通道入口的軸向壓力 實驗表明 P 這一增量總是與管道長度成正比 假設有效的變形摩擦力均勻分布 P 可有此公式計算fp 1 1 F 是坯料和管道的接觸面積 在某一特定條件下 已知 圖 2 矩形通道的四個摩擦面上 的原始壓力的最大增量為 m Ynp 1 2 1 2 參數(shù) n L T m W T 限定了坯料的長度和寬度 特殊情況下 m 1 對應于正常情況下的 長棒狀坯料 m 1 指的是板狀坯料 m 1 指的是條狀坯料 公式 1 2 表明 原始壓力 ep由于 m n 決定 即使在校摩擦力狀態(tài) 原始壓應力可能比材料的流動應力明 顯大 圖一 長方形坯料的等徑角擠壓 山東建筑大學畢業(yè)設計外文文獻譯文 3 降低摩擦力 增加刀具使用壽命和沖壓穩(wěn)定性的有效方法是通過移動管道面 圖 7 一種可能的方法 圖 2b 詳見圖 7 是用固定模具和隨坯料 1 運動的矩形槽滑桿 2 形成 進口管道 這樣 就消除了三個管道面上的摩擦 原始壓力的最大增量為 1Ynp 3 另一種情況 圖 2 進口通道有兩個滑桿 2 3 組成 因此模具的前后面固定 相應增量 為 12np 4 對比公式 2 4 可得出結(jié)論 在所有情況下 原始壓力都隨長厚比的增加而增大 為了 有效加工 長厚比應足夠大 但實際長厚比一般取為 4 8 圖 2c 的 p Y 幾乎是圖 2 的 兩倍對于固定通道 圖 2a 原始壓力也取決于寬厚比 m 但是這個比率不影響原始壓力在 滑動渠道這兩種情況下的大小 圖 3 示 摩擦在進口的分布范圍 一 工作面不動 b 三面活動的工作面 c 二面活動的工作面 以 m 為變量 n 6 時 計算結(jié)果三種狀態(tài)已給出 1 長坯料 2 板形 3 條形 很 圖 寬厚比 m 在壓力沿進氣道增長的影響 L T 6 1 Y 0 15 1 工作面不 動 三面活動的工作面 二面活動的工作面 山東建筑大學畢業(yè)設計外文文獻譯文 4 顯然 長形坯料特別是條形坯料在固定通道下會增大 p Y 在這些情況中 只有在 大壓力下的移動渠道模具才能對大坯料和硬質(zhì)合金坯料進行等徑角擠壓 然而 對于板材 來說 兩滑動面對原始壓力的減小作用甚小 因此 大多數(shù)大板材可以在固定進口渠道和 常壓下使用簡單模具 2 2 出道口 圖 固定的出口控制 a 和出口控制同活動的下板 b 與進口渠道相反 出口渠道的潤滑是個難題 由于方向改變巨大 即使是用最好的 潤滑劑 也會出現(xiàn)底部壓力過大 產(chǎn)生沿底部接觸面 BO1出現(xiàn)滑移 還會出現(xiàn)摩擦 這話導致擠壓力太大 坯料表面質(zhì)量差 模具磨損加劇 在底部渠道里用一個滑桿就可 以解決這個問題 圖 4b 這樣材料和模具間的彈性摩擦被滑桿 和導軌之間的摩擦所代替 在擠壓過程中 滑桿 處于自由狀態(tài) 為克服滑桿和導軌之間的摩擦力 須沿坯料接觸表面 BO1產(chǎn)生一剪切力2 f bo1 wtp1 指的是接觸面 BO1的面積 是摩擦因數(shù) 通常情況下 滑 桿速度接近擠壓速度 由于摩擦并不穩(wěn)定 可以觀擦到滑桿運動中的一些偏差 如果 2 大于滑桿與毛坯的彈性摩擦力 則流動類似于固定模具 在出口渠道的相應的邊界條 件不能提供高效加工所需要的塑性區(qū)和簡單的剪切變形 因此 應該非常小 山東建筑大學畢業(yè)設計外文文獻譯文 5 2 3 塑性變形區(qū) 內(nèi)外渠道為塑性區(qū)限定了摩擦的邊界條件 1 和 2 圖 5 為 1 2時滑移情況 圖 不同通道摩擦狀態(tài)下的滑移線 假設材料處于理想塑性狀態(tài) 滑移線 PEDO 中心區(qū) 混合邊界 CDE 和不變區(qū) 1OCA 陰 影區(qū)的中心角 2121 可由此公式算出 11kA 2 2kA 3YK 是指材料的流動剪切應力 圖 6 考慮了 1 2在特殊情況下的解決方法 現(xiàn)在我們做一下總結(jié) 概括一下等徑角擠壓工藝的優(yōu)化方案 首先 注意到固定的出口渠 道總是出現(xiàn)的潤滑問題 在 2K 01的極限條件下 經(jīng)滑移線分析 進口處全部 壓力 3 2 Yp 這將會使坯料和渠道全部接觸 在 1 TL的狹長渠道和有限摩擦力1 0 的實際情況下會產(chǎn)生大的擠壓力 ep 實際上 一 已出版的資料顯示 擠壓了可高 達 7 圖 9 山東建筑大學畢業(yè)設計外文文獻譯文 6 由于大多數(shù)材料處于低加工溫度下都不允許如此大的壓力 因此 盡管簡便出口固定渠道 在工業(yè)應用中也不實用 出口渠道底面有一適當滑移面 摩擦力 2 和摩擦系數(shù) 都較小 在這種情況下圖 5 的 滑移區(qū)域可被看作當 1 2 0 和塑性區(qū)是單滑移線 o1時 零方案 的小變動 然 后用滑移線波動省略中間結(jié)果 精確到第二位 可得到公式 2 Y k Y 1 在 進口 內(nèi)部 總壓力為 Yp1 21 321 與 Ep 一致 如果擠壓里增量 p 變化不明顯 在摩擦力下 坯料和進口渠道 1 和 能足以 形成接觸面的 出口渠道移動 進口渠道可以是固定的 圖 2a 也可以是有兩個滑移面 2c 如前所述 簡單固定渠道對于長厚比 4 TL的板材比較有效 然而對于長坯料和帶 狀坯料 則適合用滑動軌道 因此僅有第一種情況要進一步考慮多段加工 3 1 基本路線 為了集聚大的剪切應變 控制變形 需要要在每段之后繞坯料的 x y z 對稱軸反復 旋轉(zhuǎn)進行等徑角擠壓 對于板材來說 旋轉(zhuǎn)的基本系統(tǒng)或路線可為 A 無旋轉(zhuǎn) B 坯料 圖 6 material 變形在等徑角擠壓通過 山東建筑大學畢業(yè)設計外文文獻譯文 7 繞 Z 軸旋轉(zhuǎn) 90 C 坯料繞 Z 軸旋轉(zhuǎn) D 坯料旋轉(zhuǎn) 90與軸旋轉(zhuǎn) 中 長寬相等的方坯 料最受歡迎 因為不論怎樣旋轉(zhuǎn)它們都可在一相同模具中加工 無數(shù)可能的旋轉(zhuǎn)組合產(chǎn)生 不同結(jié)構(gòu) 組織 盡管這個基本路線最簡便 但其它路線可能在一些特例中更有利 其中 一些方法在后面將被提到 3 2 材料的變形 由于兩渠道中接觸摩擦力較小 塑性區(qū)的中心角 小 在這種情況下 通過塑性區(qū)的材料 拉力重要包括邊界 DO 和 AFO 的兩個簡單剪切力 這種集中剪切大致與 z 的沿 0 時 相對應的 0 方案 的滑移線 O1單面剪切相平衡 圖 6 顯示了在剪切力 作用下 正方 形 abcd 沿 O1轉(zhuǎn)變成平行四邊形 1dcba可以看出 隨著剪切力變成流動方向 通過把 進口渠道原始位置 abcd 旋轉(zhuǎn) 90到出口到內(nèi)部 1c位置 就可達到相同的變形 這種 流動方法有益于計算多段等傾角變形 因為對于板材來說 所有變形都發(fā)生在坯料的平面 上 通過保留出口道內(nèi)部材料的位置和在不同路線段應用連續(xù)剪切力 可以簡化這個過程 因為短暫作用不影響元素變形 可以認為 1da由于 i 作用在坯料平行面上 底部被修整 頂部 1cb逐漸過渡 最后的位移是所有先前剪切作用的總和 圖 7 8 顯示了基本路線中 的四段的相應位移和相對于原坐標 x y z 整個材料的變形 在長坯料中 A C 平板流動 和變形相同 類似地 C 和 D 分別在每 2 和 4 到次程序后提供材料恢復所需的循環(huán)載荷 路線 A 可觀察到隨長度增加 Y 向傾角增大 最大變形量的變化情況 路線 B 的變形量比的 小 2倍 在無數(shù) 段后它們都位于偏離 Y 5方向 圖 7 組織的移動路線 A a B b C c 和 D d 山東建筑大學畢業(yè)設計外文文獻譯文 8 圖 8 在四途徑經(jīng)由路線 A B C 和 D 之后 工件的變形 3 3 剪切帶 機加工考慮的因素是簡單剪切變形模式和每段中剪切帶角度 剪切帶在多端等傾角變 形中起重要作用 在第一段 使用小角度 晶核強烈組織了沿 O1方向長度變形 在以下 的工序中 剪切帶內(nèi)部的微觀流動取代了連續(xù)的塑性流動 它們朝同一剪切方向 O1 盡 管 SPD 晶粒細化機制還不是很清楚 仍有無數(shù)試驗可以斷定了對于不同材料和加工條件 溫度 應變率 在等徑角擠壓過程中 剪切帶占據(jù)新角度晶界的最大部分 是晶粒細化 到亞微米和納米尺寸的其他方法包括剪切帶的交匯以及剪切帶與晶界所組成的材料的旋轉(zhuǎn) 因此重新細化的強度和細化為結(jié)構(gòu)形態(tài)取決于加工剪切帶的進展 和材料的大晶界角 在 每個工序中 微觀剪切帶隨相應的宏觀 增加 在隨后的工序中 剪切帶依然是穩(wěn)定形 狀 他雖材料一塊流動 隨坐標改變方向 任何工序中剪切帶位置由下一個工序的變形決 定 例如板材為旋轉(zhuǎn)的第 N 和 N 1 個工序 剪切帶的變形由第 N 1 剪切引起但是板材旋轉(zhuǎn) 90 時 N 1 不影響 N 的剪切帶 因而 在板材的多段加工中 有兩個與 x y 向變形相對 應的兩個獨立系統(tǒng) 圖 10 顯示經(jīng)過四個路線后 剪切帶的位置 1 2 3 4 分別與剪切帶的一 二 三 四段對應 對于 A C 剪切帶的方向與長坯料中類似 7 A B 中 剪切帶逐漸旋轉(zhuǎn)到積壓方 向 隨著 段增加 剪切帶愈加難以辨認 通過旋轉(zhuǎn)細分 內(nèi)截面結(jié)構(gòu)將很薄而且很長 山東建筑大學畢業(yè)設計外文文獻譯文 9 對于來說 在各個階段中 剪切帶與剪切面一致 可以預計在這種情況下 多種循環(huán)會使 變形恢復及等量變形旋轉(zhuǎn) 但是微觀結(jié)構(gòu)比 A B 粗糙 類似的 在經(jīng)過第四道 D 時 材 料便行為 0 剪切帶與剪切面及循環(huán)載荷旋轉(zhuǎn)一致 B 和 D 提供了兩相互交匯的剪切帶 有 助于三維立體結(jié)構(gòu)的發(fā)展 然而 對于 B 路線來說 兩個多雨的剪切帶可得到更精細的結(jié) 構(gòu) 應當指出板材經(jīng)過 B 和 D 的等徑角擠壓 剪切帶方向不同 可能細化效果比不上相同 路徑的長坯料的等徑角擠壓 這個分析不能應用于大接觸摩擦或者帶有寬塑性帶 0 的遠角渠道 在這些情況下 沿圓弧滑移線的簡單剪切應力起重要作用 剪切帶沿 x y 方向 如圖 6 示 這是在有高效潤滑劑典型坯料固定出口道的等徑角擠壓加工過程 3 4 其它加工路線 基本路線包括僅繞 z 軸旋轉(zhuǎn) 這些路線不提供近直角剪切帶的三維系統(tǒng) 它對于細長 軸結(jié)構(gòu)發(fā)展是必需的 在這些情況下 坯料的上下表面不變 多段加工積累非均勻應變和 殘余應力 同樣 特殊表面缺陷也可能在坯料表面上出現(xiàn) 通過使用一種增加 x y 軸旋 轉(zhuǎn)的復雜路線即可消除這些缺點 像 E 這樣的路線包括 8 段 前 4 段是像路線 D 一樣 繞 Z 軸旋轉(zhuǎn) 90到與下一步同向 在這個階段 拌料沒有變形 有兩個剪切帶和大晶界交匯 區(qū) 接著坯料繞 y 或 x 軸旋轉(zhuǎn) 180 這樣改變了剪切帶的方向 也將坯料上下邊面交換 后 4 步經(jīng)過 D 恢復變形 在第一個剪切帶方向產(chǎn)生兩個新的交匯區(qū) 因此 E 路線產(chǎn)生四個 交匯區(qū) 為結(jié)構(gòu)重新細化及性能同化提供了理想路線 圖 11 沖床印記在坯料頂端表面路線 D a 和 F b 另一種加工路線 F 消除了坯料上表面如沖床痕跡等個別不規(guī)則結(jié)構(gòu) 這些痕跡是由于流 動方向大角度形成的痕跡 多段加工通過 D 和 B 交匯成奇異的 A 區(qū) 此處塑性流動轉(zhuǎn)換 成三個方向 導致強度減弱和微裂紋 路線 F 包括第二次繞 Z 軸旋轉(zhuǎn) 90 每段之后轉(zhuǎn)換 山東建筑大學畢業(yè)設計外文文獻譯文 10 方向 這樣在坯料反面產(chǎn)生印記 不相交 因而變形和剪切帶方向仍然與普通路線 D 類似 在特殊情況下 也可使用其它路線 特別是 可以明顯看出 B 的兩種改動路線與 E F 相似 4 技術(shù)應用 任何技術(shù)發(fā)展的最終目標都是實際應用 等徑角擠壓的商業(yè)化 在 7 14 15 中已經(jīng) 討論了 的主要特點是對簡單幾何形狀坯料的成型 這種方法適于半成品的加工 這種半 成品可在競爭成本下簡單轉(zhuǎn)化成成品 從上述中可看出 等徑角擠壓可能應用于大規(guī)模冶 金中 然而長坯料的等徑角擠壓仍存在一些問題有效加工長坯料需要一個復雜工具將一個 移動墻轉(zhuǎn)化成兩個 非常長的 的坯料比相同截面的普通擠壓坯料長度要大的多 在這種 情況下 選擇設備的標準是擠壓力 而不是承載能力 這樣對于特長坯件 就需要用大擠 壓力和昂貴的工具 同樣也難以消除各段中及將長坯料轉(zhuǎn)化成成品中出現(xiàn)的坯料修剪 改 造及預熱等操作 板材的等徑角擠壓解決了其中的大部分問題 對于相同長度和 L T 的坯料 板材的重量同 壓力的長坯料重 4 8 倍 這些參數(shù)與擠壓的特性相符 它提供了 載荷的優(yōu)化應用 這顯著降低了壓力 和工具尺寸的要求 在現(xiàn)有設備基礎(chǔ)上為 大規(guī)模冶金坯料的成型提供了條件 另外 可 以使用帶有一個滑動面出口渠道的工具 5 結(jié)論 接觸摩擦力是等徑角擠壓加工中的關(guān)鍵因素 對于矩形坯料這取決于鋼坯的比例 即使材料較軟 用好的潤滑劑 即壓力也不允許太高 對于 L T 4 的進口渠道 適當?shù)?擠壓力 Y 1 的坯料來說這種影響不顯著 可以應 山東建筑大學畢業(yè)設計外文文獻譯文 11 用簡單固定進口渠道 板材的基本加工路線會導致像長方坯料的材料變形 然而 伴有空間塑性流動的路線 不如長坯料效果好 其它的加工路線 類似可在特殊情況下應用 參考文獻 1 V M Segal Sc D Thesis Physical Technical Institute Minsk 1974 2 V M Segal U S Patent No 5 850 755 1998 3 M Kamachi M Furukawa Z Horita T G Langdon Mater Sci Eng A361 2003 258 4 S Ferrasse V M Segal S R Kalidindi F Alford Mater Sci Eng A 368 2004 28 5 S Ferrasse V M Segal F Alford Mater Sci Eng A 372 2004 235 6 V M Segal Mater Sci Eng A 345 2003 36 7 V M Segal Mater Sci Eng A 386 2004 269 8 R Hill The Mathematical Theory of Plasticity Oxford 1950 9 A Mishra V Richard F Gregori R J Asaro M A Meyers Mater Sci Eng A 410 411 2005 290 10 A J M Spencer J Mech Phys Solids 9 1961 279 12 V M Segal in S L Semiatin Ed ASM Handbook Metalworking Bulk Forming 14A ASM 2006 p 528 13 A P Zhilyaev K Oh ishi G I Raab T R McNalley Mater Sci Forum 503 504 2006 65 14 T C Lowe Y T Zhu in M Zehetbauer R Z Valiev Eds Nanomaterials by Severe Plastic Deformation NANOSPD2 Vienna Wiley 2004 15 L Oleinik A Rosochowski Bull Pol Acad Sci Tech Sci 53 2005 413 16 S Ferrasse V Segal F Alford S Strothers J Kardokus S Grabmeier J Evans in B S Altan Ed Severe Plastic Deformation Toward Bulk Production of Nanostructured Materials Nova New York 2006 17 H J Cui R E Goforth K T Hartwig JOM e 50 1998 1