等通道弯角挤压过程有限元分析与挤压模具优化设计

徐淑波，孙化鑫，任国成，景财年，李婷婷

(山东建筑大学材料科学与工程学院，山东济南 250101)

1 前言

材料的内在微观结构对外在宏观特性具有重要影响，根据Hall-Petch 公式，一般情况下材料晶粒平均几何尺寸越小其屈服强度和硬度越高[1-3]，因此，寻求可有效细化晶粒材料的工艺具有重要的应用前景。大塑性变形等通道挤压（ECAP）是制备高性能块体超细晶材料中发展最快的变形技术之一[4-7]。目前，变形材料以镁、铝、铜和锌及其合金为主,用钢铁材料进行ECAP 变形的试验较少[8-10]。这一过程是目前制备块状超细晶粒材料最有工业前景的工艺之一，其细化晶粒的机理在于使挤压件通过一个具有一定拐角的等横截面管道的模具反复挤出，从而在不改变挤压件横截面几何形状的基础上，使挤压件累积较高的应变达到晶粒细化，从而制备出无疏松孔洞的块体超细材料[11-13]。

如图1 所示，两个截面交叉角Φ 称为模具拐角，拐角圆弧的中心角ψ 称为模具圆心角，与模具圆心角半径r 一一对应，由于ECAP 过程主要是通过挤压累积等效应变有效地细化晶粒，因此，模具拐角Φ、中心角ψ 和中心角半径r 对挤压模具的晶粒细化等几何参数有重要影响。目前，对铝及铝合金、镁及镁合金、铜、钛、低碳钢等金属材料的研究主要采用ECAP 法[14]。结果表明，ECAP 处理后的晶粒较挤压前细化，强度、塑性、抗疲劳性能等综合性能得到提高。本文对等通道弯角挤压过程进行了大量的数值模拟分析，得出了上述工艺参数对挤压过程变形的影响，为优化模具形状、获得挤压件所需的变形分布提供了大量有效的结果和规律。……