工藝參數(shù)對(duì)AZ31鎂合金往復(fù)擠壓過程的影響

劉 君，郭學(xué)鋒，張忠明，葉永南

（1西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710048；2河南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作454000）

工藝參數(shù)對(duì)AZ31鎂合金往復(fù)擠壓過程的影響

劉 君1，郭學(xué)鋒2，張忠明1，葉永南1

（1西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710048；2河南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作454000）

鎂合金密度小、比強(qiáng)度高，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、磁屏蔽性、減振性，在航空、航天、電子信息產(chǎn)品及汽車工業(yè)等領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。但由于鎂合金的層錯(cuò)能低，獨(dú)立滑移系少，其塑性變形能力和協(xié)調(diào)能力較差，在一定程度上限制了鎂合金的應(yīng)用，因而迫切需要對(duì)制備集優(yōu)異的強(qiáng)度與良好的塑韌性于一體的鎂合金材料的方法展開深入研究，促進(jìn)鎂合金更為廣泛的應(yīng)用。研究表明［1－5］，通過往復(fù)擠壓可細(xì)化晶粒，顯著提高鎂合金的強(qiáng)度和塑性變形能力。往復(fù)擠壓作為一種大塑性變形工藝，具有強(qiáng)烈的晶粒細(xì)化能力，通過將材料進(jìn)行一次或多次累積反復(fù)的塑性變形，使其獲得相當(dāng)大的累積應(yīng)變，可有效細(xì)化晶粒、第二相雜質(zhì)，并使它們重新均勻分布在基體中，從而提高材料的強(qiáng)度和塑性。往復(fù)擠壓工藝在影響鎂合金變形過程宏觀場變量的同時(shí)，進(jìn)而對(duì)其組織演變和力學(xué)性能產(chǎn)生影響，如何合理優(yōu)化往復(fù)擠壓工藝是實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化，獲得良好組織性能的關(guān)鍵問題之一。為此本工作針對(duì)不同工藝參數(shù)下的AZ31鎂合金往復(fù)擠壓變形過程進(jìn)行了剛黏塑性有限元熱力耦合數(shù)值模擬，研究了初始坯料溫度、擠壓速率和摩擦因數(shù)對(duì)往復(fù)擠壓過程中工件內(nèi)等效應(yīng)變、等效應(yīng)力、溫度場的影響，為優(yōu)化往復(fù)擠壓工藝參數(shù)和探索鎂合金往復(fù)擠壓的變形機(jī)制與組織演變提供理論依據(jù)。

1 往復(fù)擠壓的工作原理

往復(fù)擠壓集擠壓和壓縮于一體，其基本原理如圖1所示。由兩個(gè)擠壓筒、凹模和放置于擠壓筒內(nèi)的沖頭組成，其中凹模型腔形成了兩端圓錐形緊縮區(qū)A區(qū)和中間細(xì)頸區(qū)B區(qū)，兩個(gè)擠壓筒截面積相等，在同一條軸線上，通過中間的凹模連接。擠壓過程中，試樣在一沖頭作用下到達(dá)緊縮區(qū)，發(fā)生正擠壓變形，經(jīng)過B區(qū)流出的試樣在另一沖頭反向作用下發(fā)生鐓粗變形，金屬充滿凹模圓錐形緊縮區(qū)后兩沖頭以相同速率同時(shí)移動(dòng)。然后，另一邊沖頭將試樣按上述過程反向壓回，完成一個(gè)往復(fù)擠壓過程，如此循環(huán)，直到獲得需要的變形量為止。往復(fù)擠壓過程中，推動(dòng)坯料流經(jīng)凹模的沖頭稱為主動(dòng)沖頭，另一沖頭則稱為從動(dòng)沖頭，在整個(gè)往復(fù)擠壓過程中主動(dòng)沖頭和從動(dòng)沖頭相互交替。坯料經(jīng)過往復(fù)多次的擠壓和壓縮，使其獲得很大的累積應(yīng)變，從而達(dá)到細(xì)化材料組織的目的，其累積應(yīng)變量可按式（1）計(jì)算［6］。

式中：n為往復(fù)擠壓循環(huán)次數(shù)；d0為擠壓筒直徑；dm為凹模細(xì)頸區(qū)直徑。

圖1 往復(fù)擠壓原理示意圖Fig.1 The schematic diagram of reciprocating extrusion

2 往復(fù)擠壓過程數(shù)值模擬與可靠性驗(yàn)證

2.1 有限元模型與模擬條件

對(duì)于往復(fù)擠壓過程，由于幾何結(jié)構(gòu)、載荷的對(duì)稱性，為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，提高精度和效率，取結(jié)構(gòu)的1/2建立有限元計(jì)算模型如圖2所示。往復(fù)擠壓坯料直徑為50mm，長度為50mm，坯料作為變形體，采用四節(jié)點(diǎn)四邊形等參單元對(duì)其進(jìn)行離散化，單元數(shù)為220。

圖2 往復(fù)擠壓幾何模型Fig.2 Geometry model of reciprocating extrusion

坯料為AZ31鎂合金，其本構(gòu)關(guān)系如式（2）所示［7］：

式中：σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變；為應(yīng)變速率；T為絕對(duì)溫度。模擬時(shí)坯料的有關(guān)熱物理參數(shù)如下［8－11］：比熱容c＝0.2441＋0.000105T－2783T－2（kJ·kg－1·K－1）；密度ρ＝1.77×103kg·m－3；導(dǎo)熱系數(shù)λ＝96W·m－1·K－1；對(duì)流換熱系數(shù)k＝2.95W·m－2·K－1；接觸面換熱系數(shù)h＝7.5×103W·m－2·K－1。

模擬過程中忽略了沖頭、凹模和擠壓筒的變形，作為剛性接觸體，采用反正切摩擦模型來描述坯料與擠壓筒、凹模接觸邊界上的摩擦。

基于上述模型選取三組不同的工藝參數(shù)對(duì)AZ31鎂合金往復(fù)擠壓過程進(jìn)行了熱力耦合有限元模擬，其模擬條件和具體方案如表1所示，模擬過程中模具溫度低于相應(yīng)初始坯料溫度20℃。

表1 模擬條件與方案Table 1 Simulation conditions and projects

2.2 模擬可靠性驗(yàn)證

物理模擬實(shí)驗(yàn)是一種以相似理論為基礎(chǔ)與實(shí)驗(yàn)密切結(jié)合的實(shí)驗(yàn)科學(xué)。為了驗(yàn)證有限元模擬的正確性與可靠性，進(jìn)行了物理模擬實(shí)驗(yàn)，采用彩色陶土塑泥作為模擬材料，將三種不同顏色的塑泥分層制坯后放入自制的模具中進(jìn)行多道次往復(fù)擠壓，擠壓完成后，取出沖頭，用細(xì)絲沿著成形件的軸線方向進(jìn)行剖分，觀察塑泥在不同區(qū)域的變形情況。將物理模擬實(shí)驗(yàn)獲得的直觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比如表2所示。表2中分別為物理模擬實(shí)驗(yàn)下的塑泥流動(dòng)狀態(tài)情況和通過有限元模擬獲得的往復(fù)擠壓過程中金屬流動(dòng)速度場分布。通過對(duì)二者的比較，可以看出材料的流動(dòng)變化是一致的，即中心軸部位的金屬材料的變形速度大，靠近凹模和擠壓筒內(nèi)壁的金屬變形速度較慢，由內(nèi)向外呈圓弧層狀分布。物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬結(jié)果的良好吻合，驗(yàn)證了所建立的有限元模型的正確性以及往復(fù)擠壓過程模擬所得結(jié)果的正確性與可靠性。

表2 有限元模擬與物理模擬結(jié)果的對(duì)比Table 2 Result comparison of FEM simulation and physical modeling

3 往復(fù)擠壓過程的場變量分析

圖3所示為初始坯料溫度為350℃、模具溫度為330℃、擠壓速率為1mm/s、摩擦因數(shù)為0.2的工藝條件下第2道次變形80%時(shí)的場變量分布圖?？梢钥闯鏊俣葓龇植家园寄＜?xì)頸區(qū)B區(qū)中心速度最大，到凹模B區(qū)內(nèi)壁呈層狀遞減，貼近擠壓筒和凹模內(nèi)壁處金屬流動(dòng)速度很小，在從動(dòng)沖頭一側(cè)的擠壓筒與A區(qū)交接處存在一流動(dòng)“死區(qū)”，數(shù)值上其數(shù)量級(jí)為10－4，該處金屬幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)。溫度場分布大致以B區(qū)中心為圓心，從高到低呈圓形向外擴(kuò)散，在工件內(nèi)形成溫度梯度，高溫區(qū)主要分布在B區(qū)中心區(qū)域。由于此區(qū)域金屬變形比較劇烈，變形熱效應(yīng)溫升作用顯著，而且沖頭和擠壓筒對(duì)坯料冷卻溫降作用小，致使該區(qū)域溫度較高。大變形區(qū)主要集中在B區(qū)靠近凹模內(nèi)壁處和從動(dòng)沖頭一側(cè)A區(qū)中靠近圓錐形緊縮區(qū)內(nèi)壁的區(qū)域。由于坯料受到主動(dòng)沖頭作用經(jīng)過B區(qū)流出后，受到從動(dòng)沖頭反向作用而發(fā)生橫向流動(dòng)，同時(shí)由于坯料與凹模內(nèi)壁摩擦力的作用，使得該區(qū)域的變形較大。在靠近主動(dòng)沖頭一側(cè)的A區(qū)與B區(qū)交接區(qū)域的應(yīng)力較大。

圖3 第2道次變形80%時(shí)的場變量分布（a）速度場；（b）溫度場；（c）等效應(yīng)變場；（d）等效應(yīng)力場Fig.3 Distribution of field variable at 80%deformation in the second pass（a）velocity field；（b）temperature field；（c）equivalent strain field；（d）equivalent stress field

4 工藝參數(shù)對(duì)往復(fù)擠壓過程的影響

采用表1所示模擬方案，針對(duì)AZ31鎂合金在不同工藝參數(shù)條件下的往復(fù)擠壓過程進(jìn)行了有限元熱力耦合數(shù)值模擬，研究表明［12］，擠壓速率、初始坯料溫度對(duì)往復(fù)擠壓過程中等效應(yīng)變速率場、等效應(yīng)變場分布的影響很?。辉诓煌Σ翖l件下，等效應(yīng)變速率場、等效應(yīng)變場、等效應(yīng)力場以及溫度場的分布規(guī)律大體一致；但不同工藝參數(shù)均會(huì)影響到各場變量的大小，從而對(duì)往復(fù)擠壓過程產(chǎn)生影響。

4.1 擠壓速率的影響

圖4所示為初始坯料溫度為350℃、摩擦因數(shù)為0.2、不同擠壓速率對(duì)各道次往復(fù)擠壓變形80%等效應(yīng)變速率、等效應(yīng)變峰值的影響。從圖4可以看出，在各道次中，隨著擠壓速率的增大，等效應(yīng)變速率峰值近似于呈直線增加，但等效應(yīng)變峰值的變化很小。因而在往復(fù)擠壓過程中，不應(yīng)通過提高各道次的擠壓速率來獲得大的應(yīng)變，而應(yīng)重點(diǎn)考慮通過適當(dāng)增加往復(fù)擠壓次數(shù)，獲得較大的累積應(yīng)變量。

不同擠壓速率對(duì)往復(fù)擠壓過程溫度場分布及大小均有一定的影響如圖5所示。隨著擠壓速率的增大，溫度分布越不均勻，位于細(xì)頸區(qū)B區(qū)的高溫區(qū)向從動(dòng)沖頭方向偏移，且擠壓速率越高，偏移程度越大。其原因主要是由于擠壓速率增大，與擠壓筒相接觸的低溫區(qū)因受模具冷卻作用較小，且材料與擠壓筒的摩擦引起熱效應(yīng)致使低溫區(qū)最小溫度變化很?。坏S著擠壓速率的增大，高溫區(qū)材料變形劇烈，產(chǎn)生大量的變形熱，且來不及通過模具向外傳遞熱量，導(dǎo)致高溫區(qū)最高溫度近似于呈直線上升趨勢如圖6所示，從而造成溫度場分布不均勻程度增大，同時(shí)高溫區(qū)向從動(dòng)沖頭方向偏移。

圖6 擠壓速率對(duì)溫度峰值的影響Fig.6 Influence of extrusion velocity on the peak value of temperature

圖7所示為不同擠壓速率對(duì)各道次往復(fù)擠壓變形80%等效應(yīng)力峰值的影響。隨著擠壓速率的增大，等效應(yīng)力峰值先升后降。其原因是變形熱效應(yīng)引起的軟化機(jī)制與變形加工硬化機(jī)制綜合作用的結(jié)果，擠壓速率較小時(shí)，由于塑性變形引起加工硬化效應(yīng)使得應(yīng)力峰值較高；隨著擠壓速率增大，變形熱效應(yīng)增強(qiáng)，工件內(nèi)溫度升高明顯，而較高的變形溫度有利于軟化機(jī)制的進(jìn)行，致使動(dòng)態(tài)再結(jié)晶等引起的軟化效應(yīng)更為顯著，應(yīng)力峰值有所下降，但仍高于擠壓速率最小時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力峰值。

圖7 擠壓速率對(duì)等效應(yīng)力峰值的影響Fig.7 Influence of extrusion velocity on the peak value of equivalent stress

4.2 初始坯料溫度的影響

圖8所示為摩擦因數(shù)為0.2、擠壓速率為1mm/s、不同初始坯料溫度對(duì)各道次往復(fù)擠壓變形80%等效應(yīng)變與等效應(yīng)力峰值的影響。不同道次下初始坯料溫度對(duì)等效應(yīng)變峰值的影響有所不同，第1道次中等效應(yīng)變峰值隨初始坯料溫度升高而增大，而第2，3道次中等效應(yīng)變峰值先增大隨后則變化不大，甚至有所下降。因而在往復(fù)擠壓過程中，通過提高初始坯料溫度獲取變形材料較大應(yīng)變的效果并不顯著。等效應(yīng)力峰值隨初始坯料溫度的升高呈直線趨勢迅速減小。這是因?yàn)殡S著初始坯料溫度的升高，金屬原子動(dòng)能增加，原子熱振動(dòng)加劇，位錯(cuò)的活動(dòng)能力提高，晶間切變抗力降低，晶界的強(qiáng)度下降，晶界的滑移易于進(jìn)行，滑移系增多，金屬容易流動(dòng)；同時(shí)變形所需的激活能降低，回復(fù)和再結(jié)晶軟化機(jī)制容易進(jìn)行，使得變形金屬的加工硬化得到一定程度的消除，金屬塑性較好，等效應(yīng)力峰值下降。

圖8 初始坯料溫度對(duì)等效應(yīng)變峰值（a）和等效應(yīng)力峰值（b）的影響Fig.8 Influence of initial temperature of blank on the peak value of equivalent strain（a）and stress（b）

4.3 摩擦因數(shù)的影響

圖9所示為初始坯料溫度為350℃、擠壓速率為1mm/s、不同摩擦因數(shù)對(duì)各道次往復(fù)擠壓變形80%溫度、等效應(yīng)變以及等效應(yīng)力峰值的影響，摩擦因數(shù)對(duì)溫度峰值幾乎沒有影響。在第2，3道次擠壓過程中，當(dāng)摩擦因數(shù)大于0.2后，等效應(yīng)變峰值隨摩擦因數(shù)增大變化很小。等效應(yīng)力峰值隨摩擦因數(shù)的增大而增大，這是由于工件與模具接觸表面的摩擦條件惡化，導(dǎo)致工件表層金屬的流動(dòng)性下降，致使變形力增大。

圖9 摩擦因數(shù)對(duì)場變量峰值的影響（a）摩擦因數(shù)對(duì)溫度峰值的影響；（b）摩擦因數(shù)對(duì)等效應(yīng)變峰值的影響；（c）摩擦因數(shù)對(duì)等效應(yīng)力峰值的影響Fig.9 Influence of friction factor on the peak value of field variable（a）influence of friction factor on the peak value of temperature；（b）influence of friction factor on the peak value of equivalent strain；（c）influence of friction factor on the peak value of equivalent stress

5 結(jié)論

（1）在往復(fù)擠壓過程中，擠壓速率對(duì)等效應(yīng)變峰值影響不大；隨著擠壓速率的增大，工件內(nèi)溫度峰值直線上升，溫度分布不均勻程度增大，應(yīng)力峰值先增大后有所下降。

（2）隨初始坯料溫度升高，等效應(yīng)力峰值呈直線趨勢減小。在往復(fù)擠壓第1道次中等效應(yīng)變峰值隨初始坯料溫度升高而增大，而第2，3道次中等效應(yīng)變峰值先增大隨后則變化不大。

（3）摩擦因數(shù)對(duì)溫度峰值的影響很小，隨著摩擦因數(shù)的增大，等效應(yīng)變峰值先上升然后趨于平穩(wěn)，等效應(yīng)力峰值增大，且增大幅度隨摩擦因數(shù)增大而減小。

（4）在往復(fù)擠壓過程中，初始坯料溫度的提高對(duì)獲取變形材料較大應(yīng)變的作用不明顯，通過提高各道次的擠壓速率來獲得大的應(yīng)變非但不顯著，還會(huì)造成坯料內(nèi)溫度分布不均勻且應(yīng)力較大，影響所制備材料的組織均勻性。應(yīng)重點(diǎn)考慮通過適當(dāng)增加往復(fù)擠壓次數(shù)，來獲得較大的累積應(yīng)變量，有效消除材料初始組織的各種缺陷，從而獲得細(xì)小、等軸的細(xì)晶材料。

［1］郭學(xué)鋒，楊文朋，宋佩維.往復(fù)擠壓Mg－4Al－2Si合金的高溫拉伸性能［J］.中國有色金屬學(xué)報(bào)，2010，20（6）：1032－1038.

［2］郭學(xué)鋒.細(xì)晶鎂合金制備方法及組織與性能［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

［3］王渠東，林金保，彭立明，等.往復(fù)擠壓變形對(duì)ZK60鎂合金力學(xué)性能的影響［J］.金屬學(xué)報(bào)，2008，44（1）：55－58.

［4］LEE S W，WANG H Y，CHEN Y L，et al.An Mg－Al－Zn alloy with very high specific strength and superior high－strain－rate superplasticity processed by reciprocating extrusion［J］.Advanced Engineering Materials，2004，6（12）：948－952.

［5］陸勇軍，王渠東，李德江，等.往復(fù)擠壓工藝制備超細(xì)晶材料的研究與發(fā)展［J］.材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，24（1）：152－155.

［6］RICHERT J，MARIA RICHERT，KRAKóW.A new method for unlimited deformation of metals and alloys［J］.Aluminum，1986，62（8）：604－607.

［7］張先宏，崔振山，阮雪榆.鎂合金塑性成形技術(shù)—AZ31B成形性能及流變應(yīng)力［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，37（12）：1874－1877.

［8］輕金屬材料加工手冊編寫組.輕金屬材料加工手冊［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1979.

［9］曾正明.實(shí)用工程材料技術(shù)手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［10］張家榮，趙廷元.工程常用物質(zhì)的熱物理性質(zhì)手冊［M］.北京：新時(shí)代出版社，1987.

［11］美國金屬學(xué)會(huì).金屬手冊：第二卷［M］.9版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1979.

［12］葉永南.AZ31鎂合金往復(fù)擠壓成形熱力耦合模擬研究［D］.西安：西安理工大學(xué)，2007.

Influences of Processing Parameters on Reciprocating Extrusion Process of AZ31Magnesium Alloy

LIU Jun1，GUO Xue－feng2，ZHANG Zhong－ming1，YE Yong－nan1
（1School of Materials Science and Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China；2School of Materials Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，Henan，China）

運(yùn)用剛黏塑性有限元法對(duì)不同工藝參數(shù)下的AZ31鎂合金往復(fù)擠壓過程進(jìn)行了熱力耦合數(shù)值模擬，研究了不同初始坯料溫度、擠壓速率和摩擦因數(shù)對(duì)往復(fù)擠壓過程中等效應(yīng)變、等效應(yīng)力及溫度場的影響。結(jié)果表明：在往復(fù)擠壓過程中，擠壓速率對(duì)等效應(yīng)變峰值影響不大，隨著擠壓速率的增大，工件內(nèi)溫度峰值直線上升，溫度分布不均勻程度增大，應(yīng)力峰值先增加后減小；隨著初始坯料溫度升高，等效應(yīng)力峰值呈直線趨勢減?。荒Σ烈驍?shù)對(duì)溫度峰值的影響很小，隨著摩擦因數(shù)的增大，等效應(yīng)變峰值先增大然后趨于平穩(wěn)，等效應(yīng)力峰值增大，其增大幅度減小。

往復(fù)擠壓；工藝參數(shù)；AZ31鎂合金；數(shù)值模擬

The rigid visco－plastic finite element method was used for the study on the coupling thermalmechanical numerical simulation of reciprocating extrusion process of AZ31magnesium alloy.The influence of initial temperature of blank，extrusion velocity and friction factor on the equivalent strain，equivalent stress and temperature field of reciprocating extrusion process was investigated.The results show that the extrusion velocity has little effect on the peak value of equivalent strain，with the increasing of the extrusion velocity，the peak value of temperature within the workpiece ascends linearly，the temperature distribution becomes more inhomogeneous，while the peak value of stress first increases and then decreases.With the increasing of initial blank temperature，the peak value of equivalent stress decreases linearly；and the friction factor has little effect on the peak value of temperature；with the increasing of friction factor，the peak value of equivalent strain first increases and then remains stable，and the peak value of equivalent stress increases with decreasing amplitude.

reciprocating extrusion；processing parameter；AZ31magnesium alloy；numerical simulation

TG376

A

1001－4381（2012）05－0070－06

教育部博士點(diǎn)基金（20070700003）；河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（102102210031）；陜西省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2010K10－08）；河南省教育廳自然科學(xué)項(xiàng)目（2010A430008）

2011－03－29；

2011－11－15

劉君（1976－），女，博士研究生，講師，從事塑性成形技術(shù)及數(shù)值模擬研究工作，聯(lián)系地址：陜西省西安市金花南路5號(hào)西安理工大學(xué)材料學(xué)院（710048），E－mail：xixyu@163.com