正向和反向挤压过程中的摩擦：聚焦润滑状态转变

《Journal of Materials Research and Technology》：Friction during forward and backward extrusion focusing on the lubrication regime change

　　

研究人员对碳钢S20C和铝合金A6061合金在正向和反向挤压（F&BEx）过程中的润滑状态转变（LRC）进行了全面的实验和数值研究。该特定的F&BEx过程被特意设计以最大化其对摩擦学的敏感性。为了将摩擦与材料的流动行为解耦，研究人员使用隐式弹塑性有限元法（FEM）和拉伸试验相结合的方法获得了精确的材料流动曲线。材料-模具界面处材料等效应变的摩擦系数函数由节点处未知摩擦系数定义的分段线性函数描述，并通过优化确定。通过比较F&BEx过程的后向和前向高度的实验和有限元（FE）预测，发现任何传统的恒定摩擦系数和摩擦因子都无法提供可接受的FE预测。然而，优化后的摩擦系数函数（相对于测试材料的表面等效应变表现出摩擦系数的极端变化）在成形载荷和上部（反向挤压）高度与下部（正向挤压）高度之比方面，为S20C和A6061合金都提供了可接受的FE预测。研究还强调，摩擦对宏观响应的影响很大程度上取决于材料的应变硬化。

**论文解读文章**

**1. 研究背景、问题与目的**

在金属成形领域，尤其是冷锻和挤压工艺中，摩擦是影响成形载荷、模具寿命和零件质量的关键因素。然而，传统锻造模拟中，摩擦通常被简化为恒定摩擦系数（Coulomb摩擦定律）或恒定摩擦因子（剪切摩擦定律），这些假设忽略了成形过程中材料-模具界面润滑状态的动态变化。润滑状态转变（LRC）是指随着界面处材料表面应变增加，润滑膜破裂、金属直接接触，导致摩擦系数急剧上升的现象。Wilson等研究者早已指出恒定摩擦模型在描述体积成形中的LRC时存在不足，但长期以来，由于多数钢种具有高应变硬化能力，摩擦对宏观变形的影响被掩盖，恒定摩擦系数的使用被默许。然而，随着轻量化铝合金、镁合金等低应变硬化材料的应用增加，以及高精度模拟需求的提升，传统摩擦模型已无法满足要求。本研究旨在通过专门设计的正向和反向挤压（F&BEx）工艺，定量研究碳钢S20C和铝合金A6061合金在成形过程中的LRC，并建立基于表面等效应变的摩擦系数函数，以验证其优越性。该工作发表在《Journal of Materials Research and Technology》上。

**2. 主要关键技术方法**

研究人员采用以下关键方法：首先，通过隐式弹塑性有限元法（FEM）与拉伸试验相结合的流动表征方法（EP-CFTM），精确获取S20C和A6061合金的流动曲线，将流动行为与摩擦效应解耦。其次，设计对称轴H形F&BEx试件，利用上、下部分表面等效应变的显著差异（最大达3.3）来极端化摩擦敏感性。摩擦系数被定义为材料表面等效应变的分段线性函数，采用实验设计（DOE）法和响应面法（HyperSTUDY）优化未知节点摩擦系数，最小化目标函数（包括成形载荷和挤压高度比）。实验在1000 kN液压机上进行，S20C使用MoS₂润滑，A6061合金使用磷酸盐涂层处理。

**3. 研究结果**

**3.1 传统摩擦模型的不足**

通过对比实验与有限元（FE）预测，研究人员发现无论是Coulomb摩擦定律还是恒定剪切摩擦定律，均无法同时准确预测S20C和A6061合金的成形载荷和挤压高度（h₁、h₂）。使用恒定摩擦系数时，前向挤压量（底部外表面高应变区）被过高预测，而后向挤压量（顶部内表面低应变区）变化甚微；尤其对A6061合金，因应变软化效应，偏差更大。这说明固定摩擦模型无法描述界面润滑状态随表面应变的变化。

**3.2 可变摩擦系数的优化**

基于Lee等的方法，研究人员将摩擦系数视为表面等效应变的分段线性函数，并以未知节点摩擦系数为设计变量进行优化。对于S20C，优化的摩擦系数函数显示LRC发生在临界表面等效应变约2.0处，之后摩擦系数从0.02逐渐增加至最大值0.43；而对于A6061合金，LRC在临界表面等效应变约0.95处急剧发生，摩擦系数从0.01迅速跃升至0.41。采用此优化函数后，FE预测与实验在成形载荷（误差<4.65%）和高度比（误差<0.83%）上高度一致，且变形形状（包括尖端倾斜方向）与实验吻合良好。

**3.3 应变硬化能力的影响**

通过对比两种材料的优化摩擦系数函数及参数化研究，研究人员发现：S20C（高应变硬化）的LRC出现较晚（临界应变高）且摩擦系数上升较平缓；而A6061合金（低应变硬化）的LRC出现早且更剧烈。这表明应变硬化能力强烈影响摩擦对宏观变形的抑制作用：应变硬化能促进塑性变形均匀化，延缓界面处润滑膜破裂，从而抑制LRC的突然发生。因此，低应变硬化材料对摩擦更敏感，LRC更易显现。

**4. 讨论与结论**

**讨论部分总结：** 先前研究（如Lee等、Hamid等）已报道低应变硬化铝合金中的LRC，本研究首次通过实验和数值手段证明，高应变硬化材料（如S20C）同样经历LRC，但表现更为缓和。尽管两种材料的润滑剂不同（MoS₂ vs 磷酸盐），但优化摩擦系数函数的定性趋势清晰揭示了应变硬化与LRC的相互作用。研究结果还指出，传统恒定摩擦模型在多数钢锻件应用中失效，正是因为其忽略了LRC，而随着低应变硬化材料的广泛应用，采用可变摩擦模型（如基于表面应变的分段函数）已成为高精度模拟的必要条件。

**结论部分翻译：** 本研究通过实验与分析相结合的方法，研究了高应变硬化能力S20C和低应变硬化能力A6061合金在F&BEx测试过程中的润滑状态转变（LRC）。该F&BEx测试过程旨在产生底部内外径小于顶部的H形轴对称试件，以最大化上下部分的有效应变分布差异，从而专门针对LRC。测试过程包括一个下降的上冲头、一个固定的下冲头和一个支撑外壁的固定模具。摩擦现象分为LRC发生前后两个阶段：初始阶段摩擦系数变化小，而后阶段摩擦系数急剧变化，经历典型的LRC。为确保FE预测的可靠性，通过拉伸试验和基于FEM的反向工程方法获得流动信息，并外推断裂点后的大有效应变范围内的流动曲线，从而消除摩擦与流动现象的耦合。对S20C和A6061合金摩擦影响塑性变形的参数化研究表明，低应变硬化能力的A6061合金的F&BEx测试过程受摩擦影响更大。此外，摩擦系数被处理为表面等效应变的分段线性函数，由优化确定的表面采样等效应变处的摩擦系数表征，结果显示出明显的LRC。对于S20C，LRC始于相对较高的有效应变（2.0），但摩擦系数增长相对平缓，最大值（0.43）相对较大；而对于A6061合金，LRC在相对较低的有效应变（0.95）处突然发生，最大摩擦系数（0.41）也相当高。尽管由于材料和润滑剂不同，这种比较在定量意义上有限，但结合使用相同摩擦系数的参数化研究结果，可以完全赋予关于应变硬化能力与LRC相互作用的定性意义。即，应变硬化的强弱极大地影响摩擦对材料宏观变形的作用。截至目前，研究结果已报道低应变硬化铝材中出现LRC；本研究通过实验和数值证明，高应变硬化材料如S20C同样发生LRC。然而，基于优化摩擦系数函数可以认为，尽管两种材料摩擦条件不完全相同，但A6061合金的LRC出现得更快、更剧烈。这是因为应变硬化明显促进了材料塑性变形的均匀性，从而抑制了界面处LRC的突然发生。因此，可以得出结论：应变硬化能力越弱，摩擦的影响越大，LRC发生的可能性越高。许多研究者已发表各种研究，表明包括锻造在内的金属成形过程中摩擦条件变化显著，但在研究和工业环境中仍维持恒定摩擦系数的使用。这被默许的原因是，由于材料优异的应变硬化能力，摩擦效应并非主要影响因素。然而，随着包括轻量化材料在内的具有不同应变硬化能力的非铁金属成形需求增加，以及模拟技术依赖性的增强，研究强调必须采用灵活的摩擦模型及相关摩擦常数，以满足当代对高精度模拟结果的要求。