冲头形状ECAP模拟分析研究

宋宇晨，张良学，张泽平，李 成，卢芳园，钟艳梅，汪程鹏（太原理工大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030024）

冲头形状ECAP模拟分析研究

宋宇晨，张良学，张泽平，李 成，卢芳园，钟艳梅，汪程鹏
（太原理工大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030024）

等通道角挤压（ECAP）是剧烈塑性变形制备超细晶材料的一种有效变形方式，常规的ECAP工艺获得组织不够均匀，损伤较大，由此提出了一种新型的ECAP冲头形状的改良研究。本文采用DEFORM-3D有限元模拟分析ECAP工艺变形机理的方案，引入几何参数λ，即理论剪切面与冲头和坯料的交界面之间的顺时针夹角，研究发现相比传统的水平冲头（λ=45°），采用λ=90°形状冲头可提高经一次通道ECAP挤压后坯料的均匀性，采用λ=0°的冲头的ECAP形变平均损伤显著减小。本研究可为ECAP的工艺研究提供理论指导。

等通道角挤压；冲头形状；塑性变形；数值模拟

剧烈塑性变形（SPD）是近年来极具潜力的细化晶粒的一种方法[1]，等通道角挤压（ECAP）是最具有代表性的一种SPD方法，ECAP变形过程不改变材料的横截面面积和截面形状，可实现材料的多道次成形，积累大的应变量，达到细化材料组织的功效[2]。

近些年来，科研工作者一直致力于常规的ECAP工艺研究，然而发现由于ECAP是剪切变形主导的非均匀变形模式，所以其获得组织不够均匀，损伤较大。何运斌[3]对ECAP过程剪切变形前后组织进行定量比对分析；曾许多[4]研究了挤压速率和温度对ECAP可加工性的影响规律；王尧[5]和陈文杰[6]对ECAP变形裂纹萌生机制进行研究，并提出一种最佳ECAP工艺；任国成[7]对不同模具外角对ECAP变形过程的影响进行模拟。

针对ECAP获得材料组织均匀性不高，存在应变损伤的缺陷，本文通过改变ECAP冲头形状，建立相应的数值模型，研究其对ECAP形变的影响。

1 数值模型建立

1.1 材料库建立

本文以纯铜为研究对象，将工业纯铜在PWS-1000拉伸机上进行应变速率为0.01/s的拉伸试验，获得其室温条件下的应力应变曲线，如图1所示。将获得的实验数据导入DEFORM-3D V6.1软件的材料流变应力数据库中，材料的屈服准则原则为Von Mises准则，硬化原则采用各向同性的模型，杨氏模量1.15×105MPa，泊松比0.33，热膨胀1.76×10-5mm/ （mm·℃），热传导 43N/（s·℃），热容量 3.42N/ （mm2·℃），辐射量0.7。

图1 应力应变曲线图

1.2 模型建立

在ECAP中，引入一个新的几何参数λ，即理论剪切面与冲头和坯料的交界面之间的顺时针夹角被定义为λ，λ取0°、45°和90°。λ取45°的圆柱坯料直径10mm，高度60mm，另外两个直径10mm，平均长度60mm，锥角45°，则整体高度为65mm。上模垂直的下压速度V＝1mm/s，压下量取45mm。摩擦条件为剪切摩擦，摩擦系数0.12。模型如图2所示。

2 模拟结果与分析

图2 ECAP模型图

2.1 载荷分析

ECAP变形过程中的载荷变化曲线如图3所示。

对试样进行应力分析发现，ECAP作用下，试样可能从棒料上表面产生垂直的裂纹萌生和扩展，所以如果试样经多次挤压后发生断裂，那么断裂位置是在试样沿出口通道方向的上表面位置，这和我们实际挤压时发生断裂的位置完全吻合。另外可以看到，试样在内转角处的应力集中相当严重，这也是断裂从此表面产生的重要原因。

图3 载荷随压下量变化图

由图可以发现，在不同λ值的情况下，变形载荷均先以较大速率不断增大，达到最大值后又逐渐降低，降幅较小。这是因为在ECAP挤压过程中，要不断施加坯料通过转角时的剪切变形力。除此之外，载荷还要不断克服坯料与模具型腔之间的摩擦，随着坯料逐渐被挤出，坯料与模腔内壁的正压力减小，因而摩擦力减小，所以挤压力有所降低，且降值较少。同时还可以看到随着λ的增大，最大载荷也随之增大，λ=0°时Fmax最小仅为3.13e+004N，而λ=90°时Fmax=3.20e+004N，为最大。这主要与冲头形状对材料通道内部的摩擦力影响有关。当采用λ=0°冲头时可明显减少通道内部摩擦而采用λ=90°增大了通道内部摩擦，因为材料在ECAP变形时载荷的很大一部分是用来克服摩擦力的，所以摩擦力越大，所需载荷就越大，即λ=90°时，所需载荷最大，λ=45°时次之，而λ=0°时所需载荷最小。

2.2 应力分析

图4为纯铜ECAP后沿试样正中间对称面切开，试样内部的等效应力分布图，从图中可以看到等效应力的最大值主要分布在转角处的剪切变形区，从剪切变形区向试样的头部和尾部，等效应力逐渐减小。同时，试样的内转角处的应力分布要比外转角处更集中。

图4 应力分布图

2.3 应变分析

图5为变形后等效应变分布柱状图和应变分布图。对于应变分布图，总体来看，变形主要发生在剪切变形区，挤压试样头部变形较小，外转角附近与出口通道底部相接触部分应变较大，外转角附近等效应变比内转角附近的大。由等效应变分布柱状图结合应变分布图分析可知，λ=0°和λ=90°两种情况下，坯料都能发生很大的剪切变形，应变值较大，而λ=45°时，坯料很少发生较大剪切变形，应变值较小。从等效应变分布柱状图可以看出，λ=90°时，应变分布相对均匀，而λ=45°时，应变分布就相对不均匀，这将会影响到坯料变形后坯料的分布均匀性。

图5 等效应变分布柱状图和应变分布图

2.4 坯料损伤

由图6中坯料损伤图可以直观地看出三种情况下坯料的损伤区域都主要发生在坯料挤压完成后与通道接触的上边缘区，这主要与应力集中有关。由图6中损伤分布柱状图可知，λ=45°时，坯料损伤最大值最小，而λ=0°时，坯料损伤最大值最大，可以认为，坯料的损伤情况与冲头的形状有很大关系，在λ=0°时，在坯料的上边缘区产生相对较大的应力集中，λ=45°时应力集中相对较小。但我们可以发现，在λ=45°和λ=90°时，坯料的平均损伤值明显比λ=0°时要大。这个结果对于冲头的改良和模具的优化具有一定的指导意义。

2.5 流动速度

图7中上方为纯铜在进入ECAP挤压剪切带前的流动速度矢量图，可以明显地看出，在竖直通道内，坯料的速度流动总体都是竖直向下的，λ=0°时，流动方向略微偏向右，λ=45°时速度流动方向均匀向下，λ=90°时，流动方向略微向左，在坯料进入剪切变形区，即在坯料进入模具转角处，λ=0°时，坯料在模具转角处流动比较平缓，缓慢向右转变，λ=45°时，坯料流动不太平缓，方向剧烈转变向右，而在λ=90°时，有速度分布矢量图中转角处的速度流动可以看出，在靠近模具外转角处，速度流动较为杂乱，速度向右转变的更为剧烈。这是由于冲头形状不同，坯料所受挤压力方向有所不同导致。

图6 坯料损伤图和分布柱状图

图7 进入剪切带时前和挤压结束时的速度矢量图

图7中下方为ECAP挤压结束时的流动速度矢量图，从图中可以清楚地看到试样上各点的瞬时流动方向。从速度分布图可以看出试样在出口通道中的速度比较均匀，在入口通道中靠近内转角的部分，流动速度分布不太均匀，越靠近中间剪切变形区，流动速度越不同步，在靠近外转角的区域，试样的流动速度最慢。

2.6 流动网格

图8为三种冲头挤压方式下流变网格图，正方形的小网格代表坯料的初始状态，经过剪切变形后，总体来看，三种情况的小网格都发生了不同程度的变形，而且λ=0°、λ=45°和λ=90°三种小网格变形区别不是很大。因此，我们对坯料的横截面进行分析，变形前和变形后的状态如图9所示，变形前为圆形，变形后为近似椭圆形，仔细分析会看出，λ=90°时，变形后椭圆更加扁平，λ=0°时次之，由此可以得出，λ= 90°时，坯料的应变更加剧烈，应变值更大些。

图8 流变网格图

图9 横截面分析图

3 结论

本文采用有限元数值模拟分析对ECAP工艺进行了研究，研究了三种不同类型冲头（λ=0°，λ=45°，λ=90°）对ECAP结果的影响，得到如下主要结论：

（1）采用λ=90°，比λ=0°和λ=45°更能提高经一次通道ECAP挤压后坯料的均匀性。λ=0°时的ECAP获得的坯料组织平均损伤较另外两种更小。

（2）ECAP工艺中，λ角的使用主要改变了内转角的摩擦力和塑性流动模式，λ=90°时可以把材料推挤到内转角通道的角落间隙里。因此，消除角落间隙可采用λ=90°冲头，这样可以使坯料得到更大的剪切变形。

[1]汪程鹏，李付国，陆红亚，等.剧烈塑性变形制备微纳米材料的变形细化机理[J].金属热处理，2012，（2）：14-19.

[2]汪程鹏，李付国，陈 波，等.块状超细晶材料的剧烈塑性变形制备技术（英文）[J].稀有金属材料与工程，2012，（6）：941-946.

[3]何运斌，潘清林，刘晓艳，等.镁合金等通道转角挤压过程中的晶粒细化机制[J].中国有色金属学报，2011，（8）：1785-1793.

[4]曾许多，张阳明，胡方勤，等.Zn-22Al合金ECAP变形行为及对显微组织的影响[J].热加工工艺，2013，23：20-23+27.

[5]王 尧.ECAP技术对不同组织结构的LY12铝合金高温压缩变形与损伤行为影响的研究[D].沈阳：东北大学，2009.

[6]陈文杰.ECAP工艺对6061铝合金性能的影响[D].南京：南京航空航天大学，2011.

[7]任国成，赵国群，徐淑波，等.AZ31镁合金等通道转角挤压变形均匀性有限元分析[J].中国有色金属学报，2011，（4）：848-855.

ECAP simulation and analysis research of the punchshape

SONG Yuchen,ZHANG Liangxue,ZHANG Zeping,LI Cheng, LU Fangyuan,ZHONG Yanmei,WANG Chengpeng
（College of Materials Science and Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,Shanxi China）

The DEFORM-3Dfinite element has been adopted to simulate and analyze the proposal of the process deformation mechanism for ECAP in the text.Anew geometric para meter λ(the clockwise angle between theoretical shearing surface and the interface of punch and billet)has been introduced.By Comparing with conventional horizontal punch(λ=45°),the uniformity of billet after extrusion by one-time ECAP channel has been improved by adopting the beveled punch (λ=90°).Whilethe average damage has been significantly reduced by adopting the beveled punch (λ=0°).It will provide theoretical guidance for process research of ECAP.

Equal-channel angular extrusion;Shape of punch;Plastic deformation;Numerical simulation

TG376

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.02.020

1672-0121（2017）02-0066-04

2016-12-09；

2017-02-04

宋宇晨（1995-），男，主攻材料成形与控制工程研究。

E-mail：llsyc@126.com