（材料加工工程专业论文）等径角挤压工艺ecap对铜银合金性能影响的研究.pdf

摘要 摘要 等径角挤压工艺( e q u a lc h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g ，简称e c a p ) ，是一种剧烈的塑性 变形技术，该技术能有效地制各块状超细晶材料，已成为材料科学研究的热点。铜银合 金作为电气化铁路的接触线材料，其强度和摩擦磨损性能对其使用有很大影响。等径角 挤压工艺可以提高铜银合金的力学性能和耐磨性能。 本实验成功地实现了室温下铜银合金的c 方式e c a p 挤压1 5 道次变形，累积等效应 变达到3 。采用上界定理，根据e c a p 试验剪切变形的实际，在有摩擦的情况下，建立 了试样处于模具转角处的宏观力学模型。通过光学显微镜、扫描电镜、电子拉伸机、摩 擦磨损试验机等试验仪器设备，分析研究试样的显微组织特征及其演变规律，以及力学 性能和摩擦磨损性能。主要研究结果如下： 利用所建的宏观模型，确定了变形力的计算方法，对铜银合金的挤压力进行了计算。 通过对e c a p 挤压后试样进行金相组织分析观察，发现材料组织得到了细化，总结了试 样显微组织在x 、y 和z 平面的演化规律，与c 方式对材料组织影响的理论分析相一 致。铜银合金经5 道次的e c a p 挤压变形后，力学性能发生了很大变化：显微硬度由 原材料的7 3 0 6 h v 增加到1 3 1 6 3 h v ；抗拉强度由原材料的2 5 2 3 3 m p a 增加到4 1 2 0 5 m p a ； 延伸率在e c a p 挤压后有大幅度的下降，由原材料的4 4 4 2 下降到1 道次后的9 1 8 ， 之后趋于稳定。耐磨性能有了很大提高，磨损率由原材料0 0 9 2 3 9 h 减少到0 0 7 4 8 9 h ， 通过对铜银合金磨损试样表面的观察和对磨屑的能谱分析，得出铜银合金的主要磨损形 式为粘着磨损、磨粒磨损和氧化磨损。对铜银合金经e c a p 挤压后的摩擦磨损性能进行 了讨论，主要分析强度和硬度对粘着磨损和磨粒磨损的影响，得出铜银合金耐磨性的增 强主要是由于材料强度和硬度的提高。 关键词：e c a p ；铜银合金；显微组织；力学性能；耐磨性能 大连交通人学工学硕十学位论文 a b s t r a c t e c a p ( e q t r a c h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g ) i sa s e v e r ep l a s t i cd e f o r m f i t i o nt e c h n o l o g y ，w h i c h c a ne f f e c t i v e l yp r o c e s sb u l ku l t r a - f i n eg r a i n s t h e r e f o r e ，e c a ph a sr e c e n t l ya t t r a c t e dm u c h a t t e n t i o nf r o mm a n yr e s e a r c h e r s c u a ga l l o yi su s e da st h ec o n t a c tw i r eo fe l e c t r i z a t i o n r a i l w a y ，i t ss t r e n g t ha n df r i c t i o n - w e a rp r o p e r t i e sh a v eai m p o r t a n ti n f l u e n c eo ni t sa p p l i c a t i o n a tt h es a m et i m e ，e c a pc a np r o v es t r e n g t ha n df r i c t i o n w e a rp r o p e r t i e so fc u a ga l l o y c u - a ga l l o yi sc a r r i e do u ts u c c e s s f u l l yt oat o t a le q u i v a l e n tt r u es t r a i no f 一3b ye c a p i nc m e a na tr o o mt e m p e r a t u r e i nt h ep r o c e s so fa n a l y s i sa n dd e s i g n ，t h eu p p e rb o u n dt h e o r e mi s u s e d ，t h em a c r o s c o p i c a l l ym e c h a n i c a lm o d e l w h i c hi sl o c a t e di nt h ec o m e ro fd i ei s e s t a b l i s h e di ni n s t a n c eo fh a v i n gf r i c t i o n t h em i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o na n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa r ei n v e s t i g a t e db ym e a n so fo p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) ，s c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e ( s e m ) ，e l e c t r o n i ct e n s i l ee q u i p m e n t a n df r i c t i o na n dw e a rm a c h i n e t h em a i n r e s u l t sa r ef o l l o w e d ： i nt h i sp a p e qt h em e t h o do fc a l c u l a t i o ni sc h o s e nb yt h em a c r o s c o p i c a l l ym e c h a n i c a l m o d e l ，a n dt h ee x t r u s i o nf o r c ei sc a l c u l a t e d m e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r ei sa n a l y z e d ，t h e m i c r o s t r u c t u r ei sf i n e d ，t h ee v o l u t i o nd i s c i p l i n e so fm i c r o s t r u c t u r ei nt h ex ，ya n dzf a c ei s s u m m a r i z e d t h er e s u l t sc o r r e s p o n dw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h ecm e a n t h e p r o p e r t i e sa r ei m p r o v e dg r e a t l ya f t e re c a p t h eh a r d n e s si si m p r o v e df r o m7 3 0 6h v t o 1 3 1 6 3h v t h et e n s i l es t r e n g t hi si m p r o v e df r o m2 5 2 3 3 m p at o4 1 2 0 5 m p a t h ee l o n g a t i o n i sd e c r e a s e dm u c ha f t e re c a p ，w h i c hd e c r e a s e sf r o m4 4 4 2 t o9 1 8 t h ew e a r r e s i s t i n g p r o p e r t yi si n c r e a s e d t h ew e a rr a t ei sd e c r e a s e df r o m0 0 9 2 3 9 ht o0 0 7 4 8 9 h b yo b s e r v i n g t h ec u - a g a l l o yf r i c t i o ns u r f a c ea n da n a l y z i n gt h ea b r a s i v ed u s tb ye d x ，t h em e c h a n i s mo f c u a ga l l o yi sa d h e s i v ew e a l ，a b r a s i v ew e a l a n do x i d a t i v ew e a l t h ew e a l 一r e s i s t i n gp r o p e r t y o fc u - a g a l l o yi sd i s c u s s e d t h ei n f l u e n c eo fs t r e n g t ha n dh a r d n e s st ow e a r r e s i s t i n gp r o p e r t y i sa n a l y z e d t h ei m p r o v e m e n to fs t r e n g t ha n dh a r d n e s si st h er e a s o nf o rt h ei m p r o v e m e n to f 。 w e a l - r e s i s t i n gp r o p e r t y k e y w o r d s ：e c a p ；c u a ga l l o y ；m i c r o s t r u c t u r e ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；w e a r r e s i s t i n g p r o p e r t y 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太董塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蓬塞通太堂，本人保证毕业离校后? 发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太蓬銮通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太羹塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：重魄花毫 导师签名： 么钦幕如么教系却 日期：z 汐。7 年多月g 日 日期：7 年多月舻日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 电话： 邮编： 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整塞通态堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：圣缸亳i 老 曰期：7 o o1 7 r 年占月扩日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 接触线研究现状 接触线( 俗称电车线) 是一种传输电的裸线电缆，通过受电弓将电传送给受电设备， 广泛应用铁路、公交、煤矿、冶金等系统，其中绝大部分是用于电气化铁路的建设l l j 。 接触线是电气化铁路接触网中最总要的组成部分，随着车流密度的增加，列车牵引质量 的上升，电力机车功率的提高以及车速的加快，对接触线的性能提出了更高的要求。一 方面，电车线要有较高的导电率，以减少电流在传导过程中在电车线内的热损耗及电压 降；另一方面，电车线要有较高的机械强度，以适应大跨度敷设及减小敷设费用的需要。 此外，为了延长电车线的使用寿命，电车线必须具有一定的耐磨、耐蚀性能。 1 1 1 电气化铁路对接触线材料的性能要求 随着中国经济的快速发展，铁路向高速、重载方向发展已成必然。“十一五”期间， 我国将投资1 2 5 万亿元进行铁路建设，其中铁路电气化投资占比就达到1 1 左右。今 后1 0 年的铁路电气化建设，将使我国的电气化铁路里程仅次于俄罗斯，跃居世界第二 位；而且，在电气化率、电气化复线率、电气化铁路承担的铁路运量比重、电气化铁路 技术装备水平、电气列车运行速度等方面都将进入世界先进行列。 为实现电气化列车的高速化，必须在受电弓沿接触线高速滑行的过程中达到稳定的 受流状态。根据国外高速电气化列车实际的运行经验，当列车的运行速度在波动传播速 度的7 0 以下时，可以达到稳定的受流状态。电力机车受电弓沿接触线高速滑动时，引 起接触线上、下振动的横波，其波动传播速度y c 与接触线的架线张力和线密度( 单位长 度的重量) 有关，即： v 。以6 居 式中：y c 接触线的波动传播速度k i n h ； r 接触线的线张力n ； p 接触线的线密度l 【g m 一。 由上式可以看出要提高列车的运行速度，必须提高接触线的强度或者降低接触线的 重量。如果列车车速达到3 5 0 - - - 4 0 0 k m h ，波动传播速度约为5 0 0 , - 一5 6 0 k m h ，假设接触 导线的线密度是l k g m ，导线的张力应是1 9 3 - - 2 4 2 k n ，若选用密度约为8 9 的铜合金 作为线材，导线的截面积应是1 0 0 m m 2 。当截面积的磨损限度为8 0m m 2 ，且安全系数为 人连交通人学i ：学硕士学位论文 2 2 时，其抗拉强度应大于5 3 0 - - 6 6 5 m p a ；另外新型导线的电阻必须小于0 2 0 k m ，也 即导电性必须大于7 8 i a c s ( 国际退火铜标准) 。 高速列车电力牵引用接触线是通过与电力机车受电弓滑板滑动摩擦直接接触向电 力机车输送电流的导线【2 1 。它除正常的磨耗外，还会常常受到非正常的机械冲击负荷和 故障及大电流的影响而发生各种弓网故障，甚至会出现拉断或者熔断事故。由于列车速 度的提高，尤其在受电弓通过定位点、分相、接头及接触线高度变化处时，易形成离线 而产生电弧，使接触线温度升高、机械强度下降、电烧蚀损耗和机械磨耗增加，因而要 求提高接触线的耐高温性能、耐磨性能和平直度。电气化列车要具有高速和重载的能力， 接触线必须提高载流能力。接触线的载流量与线的导电率、截面积、环境条件和最高工 作温度有关。它也直接影响接触网在长期使用条件下接触线的抗拉强度、疲劳性能和蠕 变性能。提高接触线的导电率和增加截面可增加载流量，但对金属而言：铜、铜合金、 铝和钢的导电率是依次下降的，而且往往导电率和抗拉强度是相互矛盾的，只有复合金 属接触线可调整两种金属的面积比，并在一定范围内可调节它的强度和导电率。 随着电气铁路运行向中、高速发展，首先要求加大接触线的悬挂张力，提高接触网 的稳定性、波动传播速度，改善机车受流质量，因此要求接触线在具有良好导电性的同 时，还应具有高的机械强度，尤其是在受热后不软化。各国的电气化铁路尚处于发展时 期，高速接触网用接触线的材质及品种繁多，也同样处于发展的试验和试用阶段，现今 所用接触线基本都是铜和铜合金。综观接触线的发展态势，从国内外情况看，应用品种 有铜、铜合金、钢铝复合、钢铜复合等的接触线，目前接触线向铜合金化和复合金属化 发展已成为世界接触线发展的总趋势，但要高速运行且达到好的综合性能主要还是铜合 金型接触线。 1 。1 2 国内外接触线材料的应用现状 。目前，从使用材料来看，电气化铁路接触网用接触导线主要有四大类，分别是：纯铜 接触线( 硬铜接触线) 、铜合金接触线和复合接触线1 3 制。 1 1 2 1 纯铜接触线 纯铜接触导线的导电性优异、耐腐蚀性好，在我国成都、贵阳等酸雨严重的地区上 还未发现严重腐蚀，因而得到广泛应用。纯铜接触线的抗拉强度一般为3 5 0 m p a ，导电 率为9 7 5 i a c s 。它是无氧铜杆拉拔成型后使用的接触导线，其强化仅仅依靠加上硬化 来实现。纯铜接触导线强度低，易发生断线，弓网故障高；抗软化温度低，耐热性能差。 此外，纯铜接触导线暴露出来的主要缺点是耐磨性差，在高速、重载线路上随着牵引电 2 第一章绪论 力机车功率增大，电气磨耗随之增大，使其寿命大大缩短。因此，在高速、重载线路上， 纯铜接触导线无法满足要求，只适合在速度低于2 0 0k m h 1 的低速铁路上使用。 1 1 2 2 铜银合金接触线 铁路要实现全面提速，已成为铁道部的既定方针。为此，速度将从过去的常速运行 ( 1 0 0 - - 1 2 0 k r n h ) 状态，在合适的铁路上提高到中速( 1 2 0 - - 1 6 0 k m h ) 、准高速( 1 6 0 - 2 0 0 k m h ) ，甚至高速( 2 0 0 - 4 0 0 k m h ) ，在这样的使用条件下，采用较高抗拉强度( 拉 断力) ，导电性能几乎和铜一样，且相对于纯铜接触线的较高的软化温度( 3 5 0 ) 的 铜银接触线，就成了现在和将来的首选之一。该合金接触线国内制备工艺已较为成熟， 无论连铸法或是连铸连轧法，这两种生产方法在国内外都适于生产铜银接触线，而且国 产化的铜银合金接触线已达到了国外同类产品的水平，这种接触线在国内现有的电气化 铁路中使用较多，近年来国内新建和新改造的电气化铁路上多使用此类接触线。但是银 对接触线的强化效果不明显，因此，也不能用于中、高速电气化铁路。这类线根据德国 在r e 2 5 0 型接触网中使用，时速可达2 5 0 k i n 。 1 1 2 3 镁铜合金接触线 这种合金由德国首先研制成功，具有强度高( 达5 0 0 m p a ) 的优点。它是能满足列 车高速行驶要求的接触线，主要应用在准高速、高速铁路线上。但是这种接触线的导电 性不够好，导电率只有6 2 i i a c s 。镁铜合金对技术和设备的要求都很高，合金难以熔 炼和铸造。 1 1 2 4 铝包钢接触线 铝包钢接触线是一种钢和铝两种材料的复合线材。由于其引入了钢材，所以强度很 高，可以实现大跨度架设，能承受高原地区冰霜堆积的压力，并且有较好的防腐蚀能力。 我国早期的电气化铁路主要采用这种接触线，目前在国内主要应用于襄樊、银川、兰州 等供电段。但是由于其导电性差，对于电气化铁路的长距离输电会造成很大的电损耗。 因此新架设和改造的电气化铁路都不采用这类接触线，铝包钢接触线正逐渐被淘汰。 1 1 ，2 5 铜包钢接触线 铜包钢接触线是利用包覆技术，在钢线外包覆紫铜而制备成的一种高强度、高导电 性、耐软化、耐磨损的异型线材。相对铝包钢接触线而言，铜包钢强度和导电率都高。 但是在小截面时优势不明显，而大截面接触线线密度大，使加大悬挂张力以提高波动传 播速度的效果受到了限制。且铜包钢接触线的加工较为困难，成形工艺较为复杂，对技 术要求很高，成本很高，对它的大范围应用的条件还不够成熟。目前仅日本在其铁路线 上应用此类接触线。 3 火连交通人学t 学硕十学位论文 1 1 3 铜合金主要强化方式 2 , 7 8 1 1 1 3 1 加工硬化 冷变形加工是强化金属材料的一个重要方法，在高强度高导电性铜合金的研究与开 发中得到应用。由于冷变形引起的导电率下降与杂质分布无关，因而导电率下降不大， 而且在使用过程中，可能由于受热在发生回复或再结晶过程中得到部分或全部的恢复。 但是，材料在冷变形加工强化的同时，其塑性和韧性显著降低。因此，仅通过冷变形强 化来提高铜合金的强度有相当的局限性，一般采用与合金化、时效强化等方法结合获得 良好的综合力学和物理性能。 1 1 3 2 冷变形+ 时效强化： 铜合金固溶处理后经过冷变形+ 时效处理强化效果好，主要是由于合金经过强烈地 冷变形后晶体内部位错、层错、空位、晶界、亚晶界等晶体缺陷增多，合金内能增高。 在时效过程中，这些在冷变形过程中形成的大量晶体缺陷成为第二相形核的核心，第二 相析出快，且分布更加弥散、细小，钉扎位错，使位错的运动更加困难，并延缓合金回 复和再结晶的过程，使合金的强度、硬度升高，随着第二相的弥散析出，合金的过饱和 度下降，晶格畸变得到恢复，合金导电率也显著提高。 1 1 2 3 固溶强化 固溶强化是通过合金元素溶入铜基体产生晶格畸变，由晶格畸变产生的应力场与周 围的弹性应力场产生交互作用，阻碍位错运动，从而提高合金强度的强化手段。此外异 类原子溶入基体可能改变基体键合力也有可能产生不利的影响。由于合金元素进入铜基 体后，因原子尺寸与铜不同，从而引起点阵畸变，点阵畸变对电子的运动有强烈的散射 作用，从而使合金的导电率下降。由文献知，固溶元素会使材料的导电率呈直线下降， 因此在高导电铜合金中，固溶状态元素含量都较低，般控制在1 以下。 1 1 3 4 细晶强化 细晶强化是铜合金主要强化手段之一，其依据是h a l l p c t c h 公式： 1 仃一o o + k d 2 式中的s 表示金属屈服强度，s o 、k 都是常数，d 是晶粒的平均尺寸。晶粒尺寸减 小使合金强度提高，同时由于晶粒细化仅产生晶体缺陷，因而对导电率影响不大。细晶 强化的突出优点是在提高材料强度的同时还可以提高材料的塑性，这是由于晶粒细化 后，材料变形时晶界处位错塞积所造成的应力集中可以得到有效缓解，推迟了裂纹的萌 生，因此材料断裂前可以实现较大的变形量。晶粒细化也正是由于这一优点而得到了广 泛的应用。为了得到超细晶粒组织，有几种方法可以采用： 4 第一章绪论 ( 1 ) 改变结晶过程中的凝固条件，一方面尽量增加冷却速度，另一方面调节合金 的成分以提高液体金属适应过冷的能力，使结晶从转变一开始就有相当大的成核速度， 进而取得细小的初生晶粒组织； ( 2 ) 进行冷变形，同时严格控制随后的回复和再结晶过程以取得细小晶粒组织； ( 3 ) 通过加入某种微量合金元素来细化晶粒。 1 1 3 5 时效强化： 此种方法适于高温与低温在铜中固溶度相差较大的合金元素，如f e ，c r ，z r ，t i 等。经固溶、时效处理后析出的弥散相能有效地阻止位错与晶界的移动，从而提高了合 金的强度。时效强化的优点是在大幅度提高材料强度的同时，还可以提高合金的导电率， 因此在高强度、高导电铜合金中获得了广泛应用。 1 1 3 6 弥散强化： 弥散强化法是指在合金中通过粉末冶金的方法在铜基体形成稳散分布的氧化物颗 粒。有人认为获得最佳强度和导电率的匹配是通过时效强化的方法，而弥散强化可能对 达到这一目标更为有利，这是由于完全非共格可以使固溶原子从基体中充分析出。弥散 颗粒应细小、坚硬且分布较为紧密，这些弥散分布的氧化物颗阻止了位错和晶界的移动， 从而提高了合金的抗软化温度。弥散强化在高温( 3 0 0 ) 尤为显著，但低温时则不明 显。因而将两种机制复合使用，可以以获得较高的中低温性能。 1 2 等径角挤压( e q 心) 法的研究现状 1 2 1 剧烈塑性变形( s p d ) 法 剧烈塑性变形( s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ，s p d ) 是一种通过金属材料的剧烈塑性变 形细化其晶粒尺寸获得超细晶或纳米晶材料的工艺技术。最早奠定剧烈塑性变形技术基 础的是b r i d g e m a n 在二十世纪四、五十年代的相关工作。它使人们对金属材料在高压和 剧烈变形状态下的行为有了初步认识。二十世纪八十年代后期，经改进的b r i d g e m a n 模 具首次被用于制备超细晶粒结构【9 1 。等径角转角挤压( e q u a lc h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g ， e c a p ) 技术的发明人s e g a l 及其合作者的工作标志着s p d 技术的诞生。v a l i e v 等的经典 论文【1 0 】极大推动了e c a p 与相关技术的发展。2 0 0 0 年，v a l i e v 等的最新的综述文章【3 】 展示了s p d 相关研究的广度、深度与美好前景，有力促进了s p d 基础理论与相关技术 的快速发展。近年来，由于纳米科学技术的发展，纳米材料研究成为材料科学与技术领 域最热点的课题之一【1 l j 。s p d 法作为纳米金属材料制备方法之一，可以制得块体大尺 寸的超细晶( ( 1 肛m 晶粒尺寸 1 0 0a m ) 和纳米晶( 晶粒尺寸 1 0 0n m ) 材料，因而受到各国 研究者的重视1 1 2 以4 j 。 5 叁丝塑! 叁兰! ；兰堡= ! ；：兰主堡兰 近年来出现的剧烈塑性变形技术主要包括等径角挤压法i 】”( e q u a lc h a n n e la n g u l a r p r e s s i n g ，简称e c a p ) 、高压扭转变形洼( s e v c r ep l a s t i ct o r s i o ns t r a i n i n gu n d e rh i 曲 p r c s s i i r c ，简称s p t s ) 、叠轧浊( a c c u m a i a t i v cr o l lb o n d i n g ，简称a r b ) 、反复折皱一 垭直法阻e p e d t i v ec o r r u g a t i o na n ds t r a i g h t e n i n g ，简称r c s ) 、多次锻造法( m u l t i p l e f o 哂n g ，简称m f ) 以及由e c a p 衍生出来的旋转模等通道侧向挤压法( r o l a r y d i e e c a p ，简称r d e c a p ) 、多级连续等通道挤压法( m u l t i p a s se c a p ，简称m p e c a p ) 、 板材连续剪切变形泌c 2 s 2f c o n t i n u o u sc o n f i n e ds t r i ps h e a f i n g ) 、卷取式连续等通道转角 挤压方法( e c a p c o n f o r m ) 、连续剪切变形( c o n s h c 州n g ) 等。图1 1 给出了各种方法的 原理。其中s p t s 法和e c a p 法是能提供大塑性变形并能形成细晶结构最常用的s p d 法。 移鲁 码鍪丞矽 u帅t d c l b 、 i w 韩 i l 1 w i 晶 j d ) 旱 墨萄 霎当一 h 1 圈l l 常片js p d 法示意凹 a ) 等径角挤压法b ) 高压井 转变形法曲叠轧台法d ) 反复折皱压直法 e ) 多次锻造法0 旋转模等通道转角挤压法曲多级连续等通道挤压法 h ) 板材连续剪切变形法1 ) 卷取式连续等通道转角挤压方法j ) 连续剪切变形 f 嘻1 1s c h e m a t i c i l l u s t r a t i o n o f s p d a ) e q u a l c h a n n e l a n g u l a r p r e s s i n g ”s e v e np l a s t i c t o r s i o n s t r a i n i n gu n d e r h i g hp r e s s u r e c ) a c c u m u l a t i v e r o l l b o n d i n gd ) r e p e t i t i v e c o r r u g a t i o na n ds t r a i g h t e n i n g e ) m u t i p l ef o r g i n g o r o t a r y d i e e c a p g ) m u m - p e g s e c a ph ) c o n t i n u o u s c o n f i n e ds t r i ps h e a r i n g o e c a p c o n f o r mf ) c o n s h c a r i n g j22 等径角挤压( e c a p ) 等径角挤压法( e q u a l c h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g ，e c a p ) 是2 0 世纪7 0 和8 0 年代前苏 联科学家s e g a l 教授和他的同事们”f 作的基础上发展起来的，e c a p 法最初的目的是在 不改变材料横截面积的情况下产e 大的塑性变形。从而使材料的重复变形成为可能。在 2 0 世纪9 0 年代初期，这种方法被进步发展和完善，成为s p d 法的一种新工艺，其成 型工艺及变形机制理论正r 趋完善，而且有越来越多的人力物力都投入此项研究当中， 实验方法和实验设备都比较成熟。 人连交通人学一i ：学硕十学f 穆论文 1 。2 3 等通道径角挤压法基本原理n 硼 e c a p 法的基本原理是将材料放入一个具有转角为v 的通道的模具内，两通道的横 截面积相等，挤压时材料在挤压凸模的作用下从垂直通道挤进另一个通道，在转角处材 料内部发生近似理想的纯剪切变形。材料从第二个通道挤出之后，其截面形状与毛坯基 本相同，即不同于以往的材料变形方式( 截面大小或形状改变) 。采用等通道转角挤压 方法使材料经过挤压后其横截面尺寸与形状基本不变，这样材料可以经过多次反复挤 压，而每次挤压产生一定的剪切变形，这样逐次累积而得到很大的塑性变形。如图1 2 所示为e c a p 原理图，包括两个横截面形状完全相同，两通道在模具内交叉的内角为f ， 外角为v 。 图1 2 等通道转角挤压的原理 f i g1 2t h ep r i n c i p l eo fe c a p 1 2 4 影响e c a p 变形的因素 在进行e c a p 变形的过程中，有许多的因素影响着试样的微观结构和力学性能。主 要可以分为以下三个方面：( a ) 模具的影响，主要有模具内径角角度v ，外径角角度f ； ( b ) 变形条件的影响，主要有挤压路径、挤压温度、挤压速度、挤压道次；( c ) 挤压试样的 原始组织的影响。 1 2 4 1 、i ，和f 对e c a p 变形的影响 8 第一章绪论 在进行e c a p 变形的过程中，应变的大小主要取决于挤压模具的、l ，和f 。如图所示 主要分为三种情况【1 7 1 ，图1 3 0 ) 、( b ) 分别是在、i ，= o 和、i ，= p f 条件下进行变形，图3 ( c ) 中o 。 、i ， ( p f ) 。应变的大小在摩擦力为零的条件下进行估算。 图1 3e c a p 模型中模具内径角角度f ，外径角角度1 l ，三种情况的示意图 f i g 1 3p r i n c i p l eo fe c a pw h e r efi st h ea n g l eo fi n t e r s e c t i o no ft h et w oc h a n n e l sa n d 、i ， i st h ea n g l es u b t e n d e db yt h ea r co fc u r v a t u r ea tt h ep o i n to fi n t e r s e c t i o n 在f = o 的情况下，经过e c a p 变形，如图3 ( a ) 所示，理论剪切面a b c d 变成平行四 边形状的a b c j d ，其剪切应变丫可以用下式进行计算。 闩似( 善)1 ) 利用相同的方法计算图3 ( b ) 中的情况，得到： y5 矽 ( 1 2 ) 对于图3 ( c ) 可以得出剪切应变丫为： y2 2 c o t ( 差+ 警) + 缈c o s ，( 芝+ 警) ( 1 3 ， 在e c a p 条件下，经过n 次变形的等效应变f 可以用下式计算： 旷去卜( 钱) s 嚣( 键) )4 ) 为具体研究模具角度对e c a p 超细化组织结构及性质的影响，n a k a s a h i m a 等人利用 f 位于9 0 , - - , 1 5 7 5 0 之间的不同模具在室温下进行e c a p 试验【1 8 】。试验结果表明，尽管试 样可以通过具有大角度f 值的模具压制几次后达到较大的塑性应变值，但是通常并不能 产生一系列的超细晶粒组织；相反，在f 值接近9 0 。时，每一道次挤压都对试样施加了 一个较大的塑性变形，且最容易得到具有大角度晶界超细晶结构。其他研究 1 9 , 2 0 1 也表明， 9 大连交通大学工学硬士学位敝 在f = 9 0 。时，角度因索最优，即在获得相同应变大小的情况下，其晶粒细化效果要比 大角度模具时好；同时其变形难度也最大，对设备和模具的要求也最高。 1 2 4 2 挤压路径的影响 e c a p 的剪切特征与试棒在挤压时的旋转方式有关。图1 4 给出了e c a p 过程中试 棒的四种旋转方式。方式a ：料棒每次挤压后不旋转；方式b a ：料棒每次挤压后绕其 轴线顺时针9 0 。和逆时针9 0 。交替旋转；方式b c ：料棒每次挤压后绕其轴线按同一方向 旋转9 0 。：方式c ：料棒每次挤压后绕其轴线旋转1 8 0 。采用路径c ，由于相邻两次的 剪切的方向相反，剪切应变减弱的程度最大，所以这种路径的晶粒细化效果最差；路径 b a 和路径b c 由于相邻两次挤压剪切不是反向，而是间隔反向的，虽然也有剪切应变减 弱效应但比路径c 小得多故晶粒细化效果要好于路径c ；路径b a 和b c 与a 相比， 相邻两次的剪切相互垂直，剪切过程中每个剪切面只经历单次挤压中的一半的剪切应变 强度，故效果不如a ；此外，b a 比b c 效果要差，因为的剪切只集中在两个方向上， 虽不存在剪切应变减弱效应，但是晶粒细化并不充分，效果不如b c 好。因此晶粒细化 效果最好的是路径a ，其次是路径b c ，路径b a ，最后是路径c 。 f u r u k a w a 等人 2 1 j 的观点则认为：以路径b c ，c 分别挤压4 n ，2 次以后单元的立方 体可以恢复原状，变形均匀，而以工艺路径a 和b a 挤压则会不断她加剧畸变；而b c 比c 更有效的原因是由于路径b c 在挤压过程没有使z 面变形( 如图1 5 ) 因此当v 9 0 0 时路径b c 具有更有效的晶粒细化的效果。 四l 圈四型 建a 一 日式h 醇匿晖l p | 矗t，l 矗。 吲14 艺路线示意图 f i 9 1 4s c h e m a t i c i l l u s t r a t i o no f p r o c e s s f o u 第一章绪论 挤压道次 方式面 o l 2345 6 78 x口口r to - 一一 走y c z 7 三芦矿- 口一_ 一一一 z口口口。口。口口口 xnr - t ，、，、， 、， b y 口：7 占，矿目一 一 z 口口飞一一 x口r a 0a 口矿 口凸 ynz 7z 7 口口z 7 z 芦口口 z 口口矿z 芦口口彳尹z 7 口 x0t - t 口a 口。口口口 cy口z 7a 口z 7 口z 7 口 z口。口口口口口口口 图1 5 剪切特征图 f i g1 5c h a r a c t e r i s t i cp a t t e r no fs h e a rp l a n e 1 2 4 3 挤压道次的影响 根据累积等效应变公式，随着挤压次数的增加，累积的剪切应变量越大。c h a n g 等 人1 2 2 j 用9 9 9 9 试样在同一条件下挤压不同的道次，结果表明，在经过4 次挤压之后， 晶粒的平均尺寸已经小于0 趴m ，纵横比大约是2 8 。此后随着挤压次数的增加，晶粒 的几何尺寸和纵横比基本上保持不变，但是晶粒间的位向差，随挤压次数增加而增大， 大角度晶界逐渐增加。 s h i n 等【2 3 】用纯铜、f e r r a s s e 等1 2 4 】用6 0 6 1 铝合金以及其他许多学者的试验都证明了 这个结论。出现这种结果，这和塑性变形过程中位错的增殖、湮灭及回复作用是分不开 的。变形不大时，位错密度较小，金属内积累的内能也较小，这时期位错涅灭速度要小 于增殖速度，回复作用不是很明显，从总的效果看位错在增加，位错密度增大，晶粒细 化作用较明显。当变形量达到一定程度后，位错的增殖和涅灭达到动态平衡，同时随着 内能的增加，回复作用逐渐明显，再挤压时晶粒的大小和纵横比基本上不再变化。但在 变形的过程中由于相邻晶粒间的相互作用，晶粒还要发生转动，因此晶粒间的取向差会 继续增大，大角度晶界数量继续增加。 1 2 4 4 挤压速度的影响 b e r b o n 等人【2 5 】研究了挤压速度在1 0 。2 一- - 1 0 m m s 范围内时，挤压速度对材料晶粒细 化的影响。9 9 9 9 a 1 在不同速度下挤压后的晶粒平均尺寸为1 犁m ，a 1 1 m g 在不同 速度下挤压后的晶粒尺寸为0 和m 。这表明挤压速度对晶粒的尺寸没有多大的影响。然 而挤压速度却对挤压后晶粒的均匀分布有些影响，他们发现在较低速度下挤压，变形过 人连交通人学工学硕十学何论文 程中的回复作用时间较长，因此更多的位错可以被晶界吸收掉，这使得材料的微观结构 就更加均匀。 l e e 等人f 2 6 l 在8 3 m l a a s 的速度下挤压纯铝也得到了超细晶组织。这些都和b e r b o n 的 结论相吻合，证明了挤压速度不会对晶粒的细化带来太大的影响。 1 2 4 5 挤压温度对e c a p 微观组织的影响 在e c a p 挤压中，挤压温度对微观组织也有一定的影响。s h i n 等人【2 7 】用低碳钢在不 同的温度下进行挤压试验都得出随挤压温度的升高，晶粒的尺寸有明显的增大，且大角 度晶界减少，材料的屈服应力也随温度的升高而降低。主要原因在于，挤压温度较高时， 变形过程中回复更容易发生，位错相消限制了亚晶界对位错的吸收，使得位错消失速度 大大加快，不利于大角度晶界的形成。故在较高的温度下，挤压后晶界主要是小角度晶 界且晶粒尺寸比较大，表现在宏观力学性能上就是屈服应力随挤压温度的升高而降低。 研究表明【2 8 1 ，对纯铝、a i 一3 m g 和a 1 3 m g 0 2 s c 合金从室温到5 7 3 k 范围内进 行e c a p 试验，经e c a p 加工后晶粒尺寸随加工温度的升高而有加大的趋势。此外， a 1 3 m g 0 2 s c 在试验温度内均有大角度晶界；而a i 3 m g 除了5 7 3 k 以外也均有大 角度晶界；纯铝在4 7 3 k 以下具有大角度晶界，而a i 3 m g 除了5 7 3 k 以外也均有大角 度晶界，纯铝则在4 7 3 k 以下具有大角度晶界。高温加工条件下，a i 一3 m g 及的晶 粒只有小角度错向晶界。 1 2 5e c a p 法对材料性能的影响 1 2 5 1 材料组织性能的变化 大量研究表明，经e c a p 挤压后材料可以获得很高的强度。这主要是因为e c a p 过程中的大塑性变形增加了材料内部的位错密度，同时细化了材料的晶粒。h a l l - - p e t c h 的关系式很好地说明了材料的屈服强度和晶粒大小的关系，当晶粒细化程度很高时，细 晶强化的效果非常显著。郑立静等人【2 9 1 的研究表明：纯铝的强度随着e c a p 次数增加而 增加。e c a p 挤压纯铝，其抗拉强度随挤压次数的增加而增加，在8 道次左右增加趋势 趋于饱和，随后抗拉强度随挤压次数的增加变化不大；与未挤压前相l t - 抗拉强度提高 了9 5 ，在3 - - 4 道次达到饱和，其后基本不再变化而伸长率在一道次挤压后降低5 0 ， 然后基本保持不变。又如低碳钢晶粒尺寸从5 , t m 细化到眦m ，可以增加2 6 0m p a 的屈 服强度【3 0 1 。普通低碳钢等通道转角挤压4 道次后，晶粒被细化到0 2 t m ，屈服强度、抗 拉强度分别从3 0 7 m p a 、4 5 0 m p a 提高到9 0 0 m p a 和9 4 0 m p a i 3 卜3 3 1 。含有微量t i 、v 的低 碳钢一道次挤压便可使屈服强度、抗拉强度分别从4 7 7 m p a 、6 9 0 m p a 提高到6 5 0 m p a 、 1 0 3 2 m p a l 3 4 1 。 第一章绪论 1 2 5 2 超塑性 材料的超塑性是指材料在一定应力作用下，在一定温度一定应变速率下变形时，具 有伸长率高达1 0 0 - - 1 0 0 0 的现象。晶粒尺寸是超塑性材料的最重要的结构参数，通 常当材料的晶粒尺寸小于1 0 9 m ，变形温度为0 5 - - 一0 7t m 时才能实现。由于e c a p 材 料容易获得小于1 0 , t m 的晶粒尺寸，故在超塑性加工方面具有很大的优势。因此很多 学者研究中发现许多e c a p 材料在应变速率具有很好的超塑性，具体情况如表1 1 所示。 特别e c a p 超细晶a i 1 4 2 0 ( a 1 5 5 m g 2 2 l i 0 1 2 z r ) 合金在高温下不但具