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等徑彎曲通道變形(equal channel angular pressing，簡(jiǎn)稱ECAP)是一種利用純剪切變形獲得塊狀超細(xì)晶材料的加工方法。ECAP的優(yōu)點(diǎn)是在擠壓變形過(guò)程中，材料截面尺寸不會(huì)改變，可進(jìn)行多道次擠壓，累積大量應(yīng)變，而且可將晶粒尺寸細(xì)化至亞微米級(jí)甚至納米級(jí)，使材料具有優(yōu)異的物理性能和力學(xué)性能。在金屬材料發(fā)生ECAP變形時(shí)，其形變主要發(fā)生在取向有利的滑移系和孿生系上，因此研究金屬材料ECAP變形織構(gòu)的演變規(guī)律是分析ECAP變形材料物理性能和力學(xué)性能的重要方法。
純鈦具有低密度、耐高溫、耐蝕性好等優(yōu)異的性能，具有廣闊的發(fā)展前景。然而純鈦是一種密排六方結(jié)構(gòu)(hexagonal close packing，簡(jiǎn)稱hcp)金屬，其塑性變形機(jī)制復(fù)雜，一階和二階錐面滑移系、柱面滑移系以及孿晶系在變形過(guò)程中都發(fā)揮作用，而且各滑移系、孿晶系的臨界剪切應(yīng)力均不相同，同時(shí)擠壓道次、摩擦、模具通道夾角、溫度、擠壓速度等因素對(duì)滑移系以及孿晶系的開(kāi)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生影響。完全通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)純鈦ECAP進(jìn)行研究，就需要大量的時(shí)間進(jìn)行許多重復(fù)性的實(shí)驗(yàn)，耗費(fèi)巨大，且變形過(guò)程中材料的變形規(guī)律也難以把握，而采用數(shù)值模擬可大幅度提高其研究效率。在數(shù)值模擬中，應(yīng)用較多的是Taylor模型和VPSC模型，Jung等基于Taylor模型對(duì)純鋁在ECAP變形下的織構(gòu)均勻性進(jìn)行了模擬，Starosel-sky和Anand基于VPSC模型模擬了鎂合金AZ31B熱軋變形下的織構(gòu)演變。但這些模型不能計(jì)算晶粒內(nèi)滑移系的開(kāi)動(dòng)以及晶粒間的相互作用。而晶體塑性有限元分析模型是將晶體塑性變形本構(gòu)方程與有限元理論相結(jié)合，不僅考慮了各晶粒自身的宏觀邊界條件和不同晶粒間的相互作用，而且在構(gòu)造模型過(guò)程中引入晶粒尺寸、晶粒取向以及滑移系等信息，近年來(lái)發(fā)展勢(shì)頭迅猛。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在對(duì)材料ECAP變形下的織構(gòu)演變進(jìn)行模擬時(shí)，多采用通道夾角為90°的模具，鮮有考慮模具通道夾角對(duì)織構(gòu)的影響。因此本文采用晶體塑性有限元模型對(duì)純鈦單道次室溫ECAP變形織構(gòu)演變進(jìn)行模擬，通過(guò)對(duì)比模具通道夾角為90°時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果，在驗(yàn)證模型可靠的條件下，研究不同模具通道夾角(90°，120°，135°)對(duì)純鈦單道次室溫ECAP變形織構(gòu)演變規(guī)律的影響。由于純鈦室溫ECAP變形過(guò)程復(fù)雜，研究時(shí)假設(shè)純鈦?zhàn)冃我曰茷橹鳎也豢紤]摩擦的影響。
在晶體塑性有限元模型中，單晶體彈塑性變形時(shí)的變形梯度基于極分解定理分解為彈性變形和塑性變形兩部分，而且彈性部分分解為對(duì)稱的左彈性拉伸張量和正交旋轉(zhuǎn)張量。
本文利用有限元分析軟件ABAQUS建立ECAP模型，軟件提供的用戶自定義材料參數(shù)的UMAT實(shí)現(xiàn)有限元模型建立的本構(gòu)方程，進(jìn)而模擬多晶純鈦試樣在90°，120°，135°通道夾角時(shí)的單道次ECAP變形。有限元數(shù)值模型的可靠性通過(guò)對(duì)比純鈦在通道夾角為90°時(shí)室溫ECAP模擬得到的織構(gòu)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)后得到的織構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。圖2為ECAP變形過(guò)程示意圖，ED為擠出方向，ND為法線方向，TD為橫向。擠壓試樣采用可變形實(shí)體，模具采用離散剛性體，試樣兩側(cè)采用邊界條件進(jìn)行控制，通道夾角分別為90°，120°，135°，模型的具體參數(shù)如表所示，擠壓速度ν=1mm·s-1。單晶純鈦的材料參數(shù)如表所示，參數(shù)通過(guò)子程序UMAT調(diào)用完成，并定義每個(gè)單元由500個(gè)隨機(jī)取向的晶粒組成。
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