挤压道次对等径道挤压纯铝组织和性能的影响(附件)【字数：16150】
摘 要摘 要等径道挤压（ECAP）是一种通过纯剪切变形来细化晶粒的剧烈塑性变形（SPD）加工方法。该工艺通过对材料进行多道次挤压，使材料获得较大的变形量，在保持材料成分的基础上仅改变其组织来提高材料的性能，极具研究价值。本实验选取1060工业纯铝作为挤压材料，在室温下采用工艺路线A对该材料进行等径道挤压实验，通过金相组织观察、布氏硬度测试、拉伸性能测试和拉伸断口研究，来分析不同挤压道次对材料组织结构以及力学性能的影响。结果表明随挤压道次增加，1060工业纯铝试样晶粒细化。在ECAP变形前的组织为粗大的晶粒，经多道次挤压后晶粒破碎，形成以细小的破碎晶粒为主的组织；随挤压道次增加，试样抗拉强度显著提高，四道次ECAP后试样的抗拉强度由ECAP前的70.8MPa提高到252.9MPa，提升了257.1%；试样的延伸率随挤压道次的增加而减少，四道次挤压后试样延伸率明显下降，从28.8%下降到8.8%；通过扫描电镜对拉伸试样断口形貌进行观察，发现随挤压道次增加断口处的韧窝由深变浅，由典型韧性断裂逐步向韧性-脆性混合断裂转变；试样的硬度随挤压道次的增加而逐渐提高，经过四道次ECAP后试样的布氏硬度值达到69.5HBW，与原始样的硬度值相比提高了72.5%。关键词纯铝；等径道挤压；微观组织；力学性能
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 超细晶材料的制备方法 1
1.2.1 高压扭转法 2
1.2.2 叠轧合法 2
1.2.3 多向锻造工艺 3
1.2.4 连续挤压法 3
1.3 等径道挤压工艺 4
1.3.1 等径道挤压工艺原理 5
1.3.2 等径道挤压工艺特点 5
1.3.3 等径道挤压工艺用途 6
1.4 等径道挤压工艺现状 7
1.4.1 等径道挤压工艺研究现状 7
1.4.2 等径道挤压工艺优化 8
1.5 课题的研究意义及主要研究内容 9
1.5.1 课题的研究意义 9
1.5.2 课题的主要研究内容 10
第二章 实验方案及实施 11
2.1 技术路线 11
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
2.2 实验材料及设备 11
2.2.1 实验材料 11
2.2.2 等径道挤压模具的设计 12
2.1.3 实验仪器及设备 13
2.3 等径道挤压实验 13
2.3.1 等径道挤压实验过程 13
2.3.2 挤压试样形貌 14
2.4 用于研究的试样制备 15
2.4.1 金相分析及硬度测试试样 15
2.4.2 拉伸试样 15
2.5 试样组织与性能研究 16
2.5.1 金相组织观察 16
2.5.2 硬度试验 16
2.5.3 拉伸试验 17
2.5.4 断口形貌分析实验 18
第三章 实验结果分析 19
3.1 金相实验结果 19
3.2 硬度试验结果 20
3.3 拉伸试验结果 21
3.3.1 抗拉强度 22
3.3.2 延伸率 23
3.4 断口形貌分析实验结果 24
3.5 分析与讨论 26
结 论 28
致 谢 29
参考文献 30
第一章 绪论
1.1 研究背景
铝及铝合金是有色金属中应用最广泛的轻金属之一。铝的产量巨大，仅次于钢铁的产量，在有色金属中占首位。铝材之所以在工业和生活中被广泛应用，除了归功于其丰富的蕴藏量(约占地壳质量的8.2%，为地壳中分布最广的金属元素)和冶炼较为简便外，最重要的是铝及铝合金所具有的一系列优良特性。它具有密度小、重量轻、导电性好、耐腐蚀性强、散热性好、易于加工等一系列优异特点，已经在各行各业和我们的生活中大量应用。由于铝材具有的这些优良性能，已经引起了人们的广泛关注。
纯铝的性能与其晶粒的尺寸有直接的关系，经过不同的加工过程材料的晶粒尺寸会有很大的差异。随材料晶粒尺寸的减小，纯铝强度增加，塑性和韧性得到提高，改善了铝材的力学性能。因此通过细化晶粒来提高纯铝材的性能已经成为了一个重要的方法，这也是近年来科研工作者研究的重点。目前国际上采用高压扭转法、反复折皱压直法、多次锻造法、反复压轧法、等径道挤压法等塑性变形法来制备超细晶材料。与其他方法相比等径道挤压法具有其明显的优势，在改善其他剧烈塑性变形方法制备试样时所导致的孔洞、致密性差、大尺寸胚体较难生产等问题时效果显著。同时使用等径道挤压所生产的材料具有一系列特有的性能，因此极具研究价值。
1.2 超细晶材料的制备方法
超细晶材料制备方法可以分为两类：
第一类，对原子、分子、离子及纳米材料等超微粉体进行致密化。采用包括气相冷凝法、电沉积法及高能球磨法等来制备超微粉体。但是像致密化后的残留孔洞、制粉过程中带入的杂质等问题是这类方法存在的一个难题，有待解决。
第二类，剧烈塑性变形法(Severe Plastic Deformation,SPD)[1,2]，是利用大塑性变形的方法来获得稳定的超细晶组织。SPD法在某些方面具有其他方法所不可替代的优点，如在制备过程中材料的成分稳定，不发生变化，很少带入杂质；适用于制备大体积试样，在制备过程中对材料的限制较少，可以广泛运用于工业中。目前常用的SPD法主要有高压扭转法、多向锻压法、叠轧合技术、反复褶皱压直法、反复膜压变形法以及等径道挤压法等。接下来介绍一下几种常用SPD法：
1.2.1 高压扭转法
高压扭转法(High Pressure and Torsion,简称HPT)[3]。一种新型的大塑性变形技术，已经被运用于固化粉末材料中。通过HPT制备的超细晶块体材料性能优良，产生的杂质和空隙较小。高压扭转变形法采用在室温下，在试样上施加高压，在冲头的转动下试样发生扭转。在高压以及高速旋转的冲头下由摩擦力和剪切力同时作用形成超细晶组织，发生了较为简单的压缩和扭转变形。当发生简单压缩变形时，材料内的应力与应变关系很简单，在变形过程中很稳定且计算和分析相对较为简便，随变形过程进行变形量逐渐累积，所以可以采用高压扭转法来获得剧烈塑性变形。目前高压扭转法已逐渐成为一种适用较广的新型超细晶材料制备方法，所制得的试样通常为圆片状，试样直径控制在10mm至20mm之间，厚度控制在0.2mm到0.5mm之间。高压扭转法只能获得较为细小的超细晶材料，同时需要较高的压力。高压扭转法如图11所示。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 超细晶材料的制备方法 1
1.2.1 高压扭转法 2
1.2.2 叠轧合法 2
1.2.3 多向锻造工艺 3
1.2.4 连续挤压法 3
1.3 等径道挤压工艺 4
1.3.1 等径道挤压工艺原理 5
1.3.2 等径道挤压工艺特点 5
1.3.3 等径道挤压工艺用途 6
1.4 等径道挤压工艺现状 7
1.4.1 等径道挤压工艺研究现状 7
1.4.2 等径道挤压工艺优化 8
1.5 课题的研究意义及主要研究内容 9
1.5.1 课题的研究意义 9
1.5.2 课题的主要研究内容 10
第二章 实验方案及实施 11
2.1 技术路线 11
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
2.2 实验材料及设备 11
2.2.1 实验材料 11
2.2.2 等径道挤压模具的设计 12
2.1.3 实验仪器及设备 13
2.3 等径道挤压实验 13
2.3.1 等径道挤压实验过程 13
2.3.2 挤压试样形貌 14
2.4 用于研究的试样制备 15
2.4.1 金相分析及硬度测试试样 15
2.4.2 拉伸试样 15
2.5 试样组织与性能研究 16
2.5.1 金相组织观察 16
2.5.2 硬度试验 16
2.5.3 拉伸试验 17
2.5.4 断口形貌分析实验 18
第三章 实验结果分析 19
3.1 金相实验结果 19
3.2 硬度试验结果 20
3.3 拉伸试验结果 21
3.3.1 抗拉强度 22
3.3.2 延伸率 23
3.4 断口形貌分析实验结果 24
3.5 分析与讨论 26
结 论 28
致 谢 29
参考文献 30
第一章 绪论
1.1 研究背景
铝及铝合金是有色金属中应用最广泛的轻金属之一。铝的产量巨大，仅次于钢铁的产量，在有色金属中占首位。铝材之所以在工业和生活中被广泛应用，除了归功于其丰富的蕴藏量(约占地壳质量的8.2%，为地壳中分布最广的金属元素)和冶炼较为简便外，最重要的是铝及铝合金所具有的一系列优良特性。它具有密度小、重量轻、导电性好、耐腐蚀性强、散热性好、易于加工等一系列优异特点，已经在各行各业和我们的生活中大量应用。由于铝材具有的这些优良性能，已经引起了人们的广泛关注。
纯铝的性能与其晶粒的尺寸有直接的关系，经过不同的加工过程材料的晶粒尺寸会有很大的差异。随材料晶粒尺寸的减小，纯铝强度增加，塑性和韧性得到提高，改善了铝材的力学性能。因此通过细化晶粒来提高纯铝材的性能已经成为了一个重要的方法，这也是近年来科研工作者研究的重点。目前国际上采用高压扭转法、反复折皱压直法、多次锻造法、反复压轧法、等径道挤压法等塑性变形法来制备超细晶材料。与其他方法相比等径道挤压法具有其明显的优势，在改善其他剧烈塑性变形方法制备试样时所导致的孔洞、致密性差、大尺寸胚体较难生产等问题时效果显著。同时使用等径道挤压所生产的材料具有一系列特有的性能，因此极具研究价值。
1.2 超细晶材料的制备方法
超细晶材料制备方法可以分为两类：
第一类，对原子、分子、离子及纳米材料等超微粉体进行致密化。采用包括气相冷凝法、电沉积法及高能球磨法等来制备超微粉体。但是像致密化后的残留孔洞、制粉过程中带入的杂质等问题是这类方法存在的一个难题，有待解决。
第二类，剧烈塑性变形法(Severe Plastic Deformation,SPD)[1,2]，是利用大塑性变形的方法来获得稳定的超细晶组织。SPD法在某些方面具有其他方法所不可替代的优点，如在制备过程中材料的成分稳定，不发生变化，很少带入杂质；适用于制备大体积试样，在制备过程中对材料的限制较少，可以广泛运用于工业中。目前常用的SPD法主要有高压扭转法、多向锻压法、叠轧合技术、反复褶皱压直法、反复膜压变形法以及等径道挤压法等。接下来介绍一下几种常用SPD法：
1.2.1 高压扭转法
高压扭转法(High Pressure and Torsion,简称HPT)[3]。一种新型的大塑性变形技术，已经被运用于固化粉末材料中。通过HPT制备的超细晶块体材料性能优良，产生的杂质和空隙较小。高压扭转变形法采用在室温下，在试样上施加高压，在冲头的转动下试样发生扭转。在高压以及高速旋转的冲头下由摩擦力和剪切力同时作用形成超细晶组织，发生了较为简单的压缩和扭转变形。当发生简单压缩变形时，材料内的应力与应变关系很简单，在变形过程中很稳定且计算和分析相对较为简便，随变形过程进行变形量逐渐累积，所以可以采用高压扭转法来获得剧烈塑性变形。目前高压扭转法已逐渐成为一种适用较广的新型超细晶材料制备方法，所制得的试样通常为圆片状，试样直径控制在10mm至20mm之间，厚度控制在0.2mm到0.5mm之间。高压扭转法只能获得较为细小的超细晶材料，同时需要较高的压力。高压扭转法如图11所示。
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