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文|可乐

编辑|可乐

严重塑性变形方法对材料性能的影响一直是材料科学领域备受瞩目的研究方向，其中，等通道角压（ECAP）工艺作为一种重要的严重塑性变形（SPD）方法，已经在各种材料的加工和性能改善中发挥了关键作用。

本文将探讨ECAP工艺对铝合金材料AA5083的影响，以及在锻造领域的应用。

严重塑性变形方法对材料性能的影响

等通道角压（ECAP）工艺是一种严重塑性变形（SPD）方法，它涉及通过模具对材料施加压缩力，该模具由两个几乎相同横截面的通道组成，这两个通道以90 和120 的角度相交。

在ECAP领域的研究中，有人研究了在冷变形过程中出现不良行为的合金的材料流动，包括Ti-6Al-4V钛合金和AISI 4340钢。

我们的的研究探讨了AA5083和AA6061的轧制过程，结果显示其应变值低于经过ECAP处理的材料，在AA5083的加工方面，研究中也有显著发现。

对于我们所选的AA5083合金，发现如果采用90 相对于120 的角度，屈服应力和显微硬度都会增加。

其他重要结论包括，随着应变的增加，硬化效果逐渐减弱，并且晶粒尺寸值在大于300μm时会增加，因此晶界呈现小角度错配。

需要通过增加通道的数量来增加应变，从而增加错配角度，从而减小晶粒尺寸，研究表明，通过将AA6082的C路线迭代次数增加到4次和6次，可以将晶粒尺寸减小至分别为3.8μm和2.4μm。

晶粒的微观结构对锻造过程中的可熔性、之前的热处理和锻造材料的加工过程具有重要影响，然而由于金属流动、摩擦、热量生成和传递以及微观结构与性能之间的复杂关系，预测和分析锻造过程中发生的物理现象仍然具有挑战性。

由于这一变形过程可以显著改善机械性能，锻造已经成为工业中广泛采用的制造过程，有科学家进行了一项比较研究，将冷锻造与温锻造（或称为后向锻造）进行对比。

其中一个最重要的结论是，温锻造结合了冷锻造的优点，如微观结构控制、最终零件的良好性能和更精确的终形状，同时减少了锻造阶段，使得更复杂的形状也可以制造，同时降低了压缩力约20%。

对经退火处理的AA6082铝合金进行了一系列试验，以确定最佳的锻造条件，即降低压实值，同时保持良好的力学性能。

材料流动和机械性能研究

本节描述了齿轮锻造过程中的材料流动，在开始阶段，流动类似于在平面形状的模具之间进行翻滚锻造时产生的情况。

中间部分接触到模具表面，因为在这个区域内的流动速度比两端部分更快，摩擦力使得上部和底部的流动速度变慢。

在这些研究中，有人对不同坯料的AA6082进行了压缩试验，这些圆柱形样品是从进行了1、4和8次C路处理的坯料中提取的，并且它们的纵轴与原始坯料的纵轴相同。

随着通道数的增加，沿着垂直于纵轴方向的屈服应力增加，而单一过程样品的各向异性水平较高。

除此之外他们还对不同AA5083样品进行了压缩试验，这些样品经过了两次C路处理，本研究的新颖之处在于在压缩过程中应用了不同温度，同时进行了与未经处理的样品的比较分析。

在25 C至450 C温度范围内压缩的不同样品所需的锻造力、显微硬度和微观结构，结果突出显示了实验测试和有限元模拟之间的一致性，并且表明了可降解性的改善。

在结合塑性变形过程制造齿轮方面，有人使用经过12次ECAP处理的AA6061纳米结构材料，并在443K和553K下进行了挤压制造微型齿轮。

在这些挤压温度下，制造的齿轮的显微硬度分别接近HV140和HV75，结果显示这种材料对温度非常敏感，可以根据工艺温度制造出复杂的形状。

接下来的研究探讨了通过上述工艺制造的其他类型的机械部件，在所有这些材料中，随着晶粒尺寸的减小，机械性能都有所改善。

从机械性能改善的角度来看，采用SPD工艺和等温锻造要优于不采用SPD工艺或常规锻造。

其他科学家制造了混流式涡轮叶片，观察到纳米结构材料制造的叶片在机械性能上的改善，尽管它是一种非常有限的应变硬化合金。

通过这项研究工作，证明了将SPD工艺与等温锻造相结合，可以制造性能较传统制造工艺有所提高的机械部件。

在本研究中，2和4模组齿轮在不同温度值下由AA5083在两个不同的状态锻造，最初的材料是制成的,因此必须在345时退火。

在每个齿轮上选择四个不同的区域进行研究,这些区域与齿轮中心、牙根、牙心和牙齿上部外部区域相对应，在上述每个区域进行三次随机测量，以便对样品的显微硬度得到更准确的结果。

所考虑的区域是根据从模拟中获得的应变数据进行选择的，在进行等温锻造后，将4模数齿轮的3个齿在250 C下以N2为起始材料进行了测试，以验证机械性能是否发生变化。

观察到，在任何情况下，无论是在齿轮的核心区域还是牙齿区域，都没有观察到裂纹，然而，在所有用退火材料铸造的外壳中，以及在使用N2作为起始材料的情况下，等温锻造齿轮的200秒样品中，都观察到了闪光区域的裂纹。

实验中分别显示了在不同试验和每个齿轮带中的微硬度的平均值和标准偏差，“m”参数代表齿轮的模数，“z”参数代表齿轮的齿数，“e”参数代表齿轮的厚度。

获得的结果展示了齿轮显微硬度值随温度和起始材料变化的趋势，对于使用N2材料锻造的4模数齿轮，在最佳情况下（在200 C下进行锻造），硬度相对于原材料增加了超过50%，其中硬度对EPC加工的AA5083增加了1.6倍。

维克斯的微硬度值也与本研究中获得的值相符，在150 C下制造的两个模块齿轮的最大硬度值接近HV140。

通过仿真获得了最佳的锻造模具几何形状，在锻造过程中，经常会出现一个常见问题，即模腔填充不完全。

在这种情况下，除了厚度最大的两个模块齿轮外，所有情况下的问题都被最小化，这表明正确填充模腔对于锻造过程至关重要。

我们使用了3D有限元模拟，并优化了几何参数，以确保正确填充模腔，通过这一优化过程，证明了制造之前通过完全冷锻造处理的SP5083齿轮所需的力为2700 N。

力学性能分析

在不同参数研究下，获得的应变数据没有显著差异，研究展示了锻造过程结束时的应变分布，并详细查看了齿轮齿的应变分布。

可以看到，没有考虑到闪光带的情况下，应变值在齿轮的上部齿侧向带较高，这对于这些齿轮的机械性能可能是有利的。

伤害值的计算使用了科克克罗夫特-拉瑟姆的模型，结果显示了齿轮上的损伤情况，最大损伤发生在闪光区。

正如之前提到的，在所有由退火材料锻造的案例和使用N2起始材料进行的热铸造案例中，都观察到了闪光区的裂纹，因此可以认为AA5083的ECAP处理提高了等温锻造的可降解性。

将ECAP工艺与等温锻造相结合，可以降低锻造温度，而不是不进行ECAP预处理。

在其他研究中也强调了这一观点，他们论证了使用ECAP和等温锻造制造的混流涡轮叶片在中等锻造温度下的可行性，其机械性能比仅采用传统锻造工艺制造的叶片更好。

随着锻造温度的升高，显微硬度标准偏差减小，在锻造齿轮时，观察到硬度在从齿轮中心向外移动时降低，这是由于ECAP过程引入的先前应变值所致。

在所有情况下，使用N2原材料的齿轮的显微硬度都高于使用N0原材料的齿轮，对于4模数齿轮，在200 C的温度下，硬度增加了12.5%；在250 C时，硬度增加了13.8%；在300 C时，硬度增加了8.6%。

随着锻造温度的升高，显微硬度在所有考虑的情况下都会降低，值得一提的是，使用N2原材料的齿轮的硬度均匀性随着温度的升高而增加，这与使用退火材料制造的齿轮相反。

最佳情况是使用先前经ECAP处理的材料，在200 C下锻造的齿轮，因为它们既没有裂纹，而且其硬度最高，相对于原材料增加了50%。

对于2模数齿轮，值得一提的是，在150 C锻造时，硬度最高，这表明锻造温度对显微硬度变化的影响很大。

其中AA6061经过ECAP加工后，在170 C和280 C下挤压制造的微型齿轮，他们发现显微硬度随着齿轮位置和挤压温度的不同而变化。

在这种情况下，齿轮的厚度对显微硬度变化没有显著影响，另外从结果可以看出，不同齿的平均显微硬度之间存在显著差异，但考虑到标准偏差，不同牙齿获得的结果是相似的。

对于退火材料（N0），我们通过扫描电子显微镜观察到，在200 C时，微观结构更加均匀，晶粒尺寸在3μm至10μm之间；在300 C时，晶粒尺寸范围在5μm到20μm之间，晶界也不那么清晰。

在ECAP处理材料的情况下，观察到的均匀性明显高于用退火材料制造的齿轮，均匀性水平随着锻造温度的升高而增加，在300 C时达到最大值，此外，随着锻造温度的升高，晶粒尺寸也增大。

对于之前经过ECAP处理的材料（N2），在200 C时的晶粒尺寸小于1μm。在250 C时，晶粒尺寸约为1μm，而在300 C时，由于材料再结晶，晶粒尺寸在3μm至5μm之间变化。

这些晶粒尺寸远小于通过退火材料锻造获得的晶粒尺寸，约小了200倍，这表明显微组织和机械性能得到了显著改善。

ECAP处理材料的晶粒尺寸随着锻造温度的升高而减小，这与Luis等人的研究结果一致，他们观察到通过ECAP处理的AA5083在较低温度下锻造的环中存在亚微米级的晶粒尺寸。

本研究探讨了AA5083型等通道角压等温锻造超细晶粒齿轮的设计和力学性能分析，我们测试了齿轮锻造的潜力，使用经过ECAP预变形的材料（N2）和传统退火材料（N0）进行制备，并比较了它们的微观结构和显微硬度。

结果表明，ECAP预变形材料在可蚀性和显微硬度方面取得了显著改善，晶粒尺寸得到了有效降低，为进一步工艺优化和应用提供了重要的基础。