等通道轉(zhuǎn)角擠壓數(shù)值模擬.pdf

1、超細(xì)晶材料具有很多優(yōu)異的性能，近年來(lái)受到很多學(xué)者的關(guān)注。等通道轉(zhuǎn)角擠壓(EqualChannelAngularPressing，ECAP)方法是制備超細(xì)晶材料最有前途的方法之一，它是通過(guò)強(qiáng)烈塑性變形而獲得亞微米甚至納米級(jí)微觀結(jié)構(gòu)均勻、致密的三維大尺寸塊體材料的一種技術(shù)，對(duì)該技術(shù)制備工藝的研究是十分必要的。本文以純鋁為研究對(duì)象，采用二維和三維有限元模型對(duì)不同通道形狀(圓形和方形通道)的ECAP變形過(guò)程進(jìn)行一系列模擬及分析。 運(yùn)用有

2、限元分析軟件ANSYS對(duì)單道次ECAP二維變形過(guò)程進(jìn)行模擬，研究摩擦及模具幾何形狀對(duì)變形的影響。從等效應(yīng)變分布規(guī)律和載荷-時(shí)間曲線關(guān)系得出，ECAP變形過(guò)程可分為四個(gè)階段：開始階段、過(guò)渡階段、穩(wěn)定階段和終了階段；摩擦對(duì)ECAP變形是不利的因素，它使變形試樣網(wǎng)格發(fā)生畸變，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)變分布不均，應(yīng)采取有效措施盡量減小摩擦；隨著摩擦的增大，試樣與模具外轉(zhuǎn)角之間產(chǎn)生的“間隙”逐漸減小甚至?xí)?；從模具角度φ和ψ?duì)等效應(yīng)變的影響程度來(lái)看，φ起主導(dǎo)

3、作用。 由于二維模型無(wú)法得到試樣沿寬度方向的應(yīng)變分布及摩擦對(duì)變形的影響，所以采用三維模型進(jìn)行模擬是非常必要的。運(yùn)用MSC.SuperForm有限元分析軟件，對(duì)方形通道、φ=90°、ψ=0°、不同摩擦系數(shù)條件下，單道次ECAP變形進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得到金屬試樣變形后沿寬度方向金屬網(wǎng)格的變形情況、變形試樣的接觸情況、金屬流動(dòng)速度及試樣內(nèi)部的等效應(yīng)變分布規(guī)律。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)：金屬在通道的轉(zhuǎn)角處發(fā)生剪切變形，沿寬度方向的Z面由于受到剪切變

4、形作用，方形網(wǎng)格變?yōu)槠叫兴倪呅尉W(wǎng)格，Y軸下表面網(wǎng)格發(fā)生嚴(yán)重的拉長(zhǎng)，Y軸上表面網(wǎng)格沒有發(fā)生很大變化；單道次變形后，試樣與模具通道之間有2處間隙：Y軸上表面和外轉(zhuǎn)角，試樣與模具通道之間的“間隙”隨著摩擦的增大而減??；金屬試樣在變形過(guò)程中，轉(zhuǎn)角內(nèi)側(cè)金屬流動(dòng)較慢，外側(cè)流動(dòng)較快，摩擦的存在阻礙了已變形試樣金屬的流動(dòng)；等效應(yīng)變?cè)谠嚇拥谋砻婧托牟考案鱾€(gè)方向截面上分布不均，隨著摩擦的增大，穩(wěn)定區(qū)域的最大等效應(yīng)變值從Y軸上表面向下表面集中，并且梯度增大。

5、在ECAP變形過(guò)程中，圓形試樣變形后總的變形規(guī)律與方形試樣相似，但由于圓形試樣圓滑過(guò)渡而方形試樣有棱邊，圓形試樣比方形試樣與模具接觸的相對(duì)面積要大，即與模具通道之間的“間隙”要小；圓形試樣變形后可以分為三個(gè)區(qū)域，即載荷分為三個(gè)階段：初始階段、穩(wěn)定階段和終了階段；圓形試樣變形后等效應(yīng)變分布穩(wěn)定區(qū)域的要比方形試樣大。 -Ⅱ-文中對(duì)方形通道、φ=90°、ψ=37°、無(wú)摩擦條件下進(jìn)行了多道次模擬與分析。通過(guò)比較二道次和四道次不同變形方式

6、的等效應(yīng)變分布規(guī)律，模擬優(yōu)化得到較好的變形方式。對(duì)各種變形方式進(jìn)行多道次模擬分析，結(jié)果表明：A方式多次變形會(huì)帶來(lái)很大的不均勻分布，變形方式不理想，在實(shí)驗(yàn)中不宜采用；BA方式不適合多道次變形；BC和C兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，BC方式能夠獲得均勻的等軸晶組織，而C方式獲得的應(yīng)變值較大，所以在具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可根據(jù)不同的需求選取不同的變形方式。同時(shí)對(duì)圓形試樣二道次和連續(xù)的B方式的ECAP變形進(jìn)行模擬，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)：采用大壓下的方法實(shí)現(xiàn)二道