純鎂粉末坯往復(fù)擠鐓的數(shù)值模擬及實驗研究

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（50974058）

作者簡介：陳振華（1945-），男，江西南昌人，湖南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師

摘要：采用DEFORM-2D有限元軟件對純鎂粉末多道次往復(fù)擠鐓塊體機械冶金過程進行有限元模擬，分析了往復(fù)擠鐓過程中的流場、應(yīng)力場及應(yīng)變場等相關(guān)場量變化規(guī)律模擬結(jié)果表明：擠壓段材料縱向流動，鐓粗段材料橫向流動，流速和流向的不一致形成強烈的交替剪切效應(yīng)，且試樣的主變形區(qū)域處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)試樣的等效應(yīng)變呈不均勻分布，但應(yīng)變的均勻性隨著往復(fù)擠鐓道次的增加而有所改善3道次往復(fù)擠鐓實驗結(jié)果表明：試樣產(chǎn)生顯著的條帶狀組織，主變形區(qū)強烈的剪切力將原鎂粉表面的氧化物和其內(nèi)部的孔隙破碎，形成強烈的致密效應(yīng)，相對密度接近098，組織上達到了良好的冶金結(jié)合

關(guān)鍵詞：鎂粉末；往復(fù)擠鐓；數(shù)值模擬；冶金結(jié)合

中圖分類號：TG376.2文獻標(biāo)識碼：A

鎂合金密度低，比強度和比剛度較高，阻尼減震效果佳，被廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天和家電等領(lǐng)域而鎂的冶煉屬于高能耗型，且鎂合金產(chǎn)品的生產(chǎn)主要是以壓鑄和觸變性為主[1-2]，在成形過程中會產(chǎn)生大量的廢料如流道、澆道以及機加工的切削和邊角料等目前處理這些邊角廢料主要是采用重熔精煉法，缺乏安全性且成本高因此，發(fā)展固態(tài)回收鎂合金廢料的方法具有重要的意義近年來鎂合金固態(tài)回收技術(shù)得到了廣泛的研究[3-7]

日本東京大學(xué)研究開發(fā)出反復(fù)塑性加工的固態(tài)回收方法.該方法是將鎂合金切削料或粉末填充到模具內(nèi)，經(jīng)過單純的壓縮變形后再進行擠壓變形，兩種方式反復(fù)進行，使鎂合金粉末充分攪拌混合和均勻化，在不斷的反復(fù)過程中，粉末固化到一起，晶粒得到細化，最終得到具有微細組織的材料但通常這種方法是在常溫下多道次進行的，鎂合金粉末很難發(fā)生再結(jié)晶，其組織僅僅是機械結(jié)合在一起而并沒有達到冶金結(jié)合為了改善粉末制品的冶金質(zhì)量，本文通過在往復(fù)塑性加工過程中引入一個溫度場，制定了一個往復(fù)擠鐓（CEU）的工藝，其變形過程示意圖如圖1所示但是往復(fù)擠鐓變形過程非常復(fù)雜，是一個涉及幾何非線性、材料非線性和邊界條件非線性的復(fù)雜問題

為此，針對上述問題，本文作者采用DEFORM2D有限元軟件模擬純鎂粉末坯的往復(fù)擠鐓塊體機械冶金過程，分析材料往復(fù)擠鐓過程中的流動行為、應(yīng)力、應(yīng)變等相關(guān)場量分布及變化規(guī)律，旨在為深入研究純鎂粉末坯往復(fù)擠鐓變形工藝提供理論指導(dǎo)和現(xiàn)實依據(jù)

1往復(fù)擠鐓有限元模擬

11粉末體材料的屈服準則限元列式

粉末體是一個非連續(xù)體，但是非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的基礎(chǔ)目前還很不完善，因此目前還是將粉末材料視為“可壓縮的連續(xù)體”，采用連續(xù)體塑性力學(xué)理論來研究粉末的塑性變形

13模擬結(jié)果及討論

131流場

圖3所示為初始粉末坯往復(fù)擠鐓第1道次過程中的流場速度分布圖從圖3（a）～圖3（d）分別是不同階段的金屬流動速度場，其中，圖3（a），圖3（b） 為擠壓階段，圖3（c），圖3（d）為鐓粗階段.從圖3（a）可看出， 初始坯在頂模的壓力作用下開始發(fā)生常規(guī)正擠壓變形，材料縱向流動；頂模運行速度為1 mm/s，由于摩擦的存在，試樣內(nèi)部出現(xiàn)了顯著的流速梯度，中心的流速高于表層的流速，約為27 mm/s.從圖3（b） 可看出，頂模運行至頸縮區(qū)上端面停止，擠壓結(jié)束.從圖3（c）可看出， 頂模固定在A處，底模以1 mm/s向上運行，試樣開始鐓粗，產(chǎn)生橫向分量的流動.從圖3（d）可看出， 隨著底模繼續(xù)運動，試樣繼續(xù)鐓粗并逐漸充滿整個型腔由此可以看出，試樣完成擠鐓1個道次過程中，試樣內(nèi)部產(chǎn)生了交替的縱向和橫向流動，有利于促進材料的均勻變形

（a） 擠壓開始

（b） 擠壓結(jié)束

（c） 鐓粗開始

（d） 鐓粗結(jié)束

132應(yīng)力場

圖4所示為試樣往復(fù)擠鐓第1道次過程中的等效應(yīng)力分布圖其中圖4（a）為擠壓階段；圖4（b）為鐓粗階段由圖4可以看出，試樣的擠壓段和鐓粗段都具有強烈的剪切區(qū)強烈的剪切力能有效破碎粉末顆粒表面的氧化物及內(nèi)部孔隙，形成新生的顆粒表面，有利于促進粉末多孔材料的致密化從而達到冶金結(jié)合另外，由圖4（c），圖4（d）還可以看出，在往復(fù)擠鐓過程中，試樣的主變形區(qū)域受到三向壓應(yīng)力，有效抑制裂紋的萌生，這對發(fā)揮粉末多孔材料的塑性成形是非常有利的

133應(yīng)變場

圖5所示為試樣往復(fù)擠鐓第1道次的等效應(yīng)變分布圖由圖5（a），圖5（b）可知，試樣的等效應(yīng)變量由表及里逐漸減小，從中心向兩端也逐漸減小由于材料在流動過程中要受到周圍對其的阻礙作用，而在模壁附近的材料在流動中受到的摩擦阻力最大，因此等效應(yīng)變量最大而鐓粗段試樣中心區(qū)域由于受到較大的靜水壓力作用，也獲得了較大的等效應(yīng)變量（見圖5（b））由圖5（c），圖5（d）可以看出，經(jīng)過往復(fù)擠鐓3道次后，由于較高的累積塑性應(yīng)變量，試樣均勻應(yīng)變區(qū)的長度有所增加由此表明隨著往復(fù)擠鐓道次的增加，試樣內(nèi)部的均勻變形性有所改善[15]

（a） 擠壓階段開始

（b） 鐓粗階段開始

（c） 擠壓階段結(jié)束

（d） 鐓粗階段開始

2往復(fù)擠鐓實驗

實驗所用初始粉末為純鎂切削廢料，如圖6所示，初始鎂粉末的粒度在150 μm左右，采用石墨機油潤滑以減小摩擦，在室溫下壓實，然后在300 ℃下經(jīng)機械壓制成圓柱形壓坯，試樣尺寸為Φ120 mm

×50 mm變形前將模具與試樣均預(yù)熱至450 ℃，保溫05 h，使試樣受熱充分均勻，本實驗在630 t的四柱液壓機上進行圖7所示為往復(fù)擠鐓1道次試樣的光學(xué)顯微組織，從圖7可以看出，試樣內(nèi)部存在少量微孔隙

圖8所示為往復(fù)擠鐓3道次試樣的光學(xué)顯微組織，由圖8（a）可以發(fā)現(xiàn)清晰的擠壓變形流線和條帶組織，擠壓階段，試樣產(chǎn)生正擠壓變形，顆粒沿軸向方向拉長由圖8（b）可以看出，鐓粗階段，顆粒沿徑向方向壓縮試樣在反復(fù)的擠壓剪切和鐓粗壓縮過程中，試樣內(nèi)部的孔隙得到有效的破碎，加速試樣的致密而鎂在空氣中容易氧化，鎂粉表面生成的氧化層將會阻礙粉末間的結(jié)合與進一步的致密[16]由圖8（b）還可以看出，顆粒表面的氧化層在強烈的剪切作用下被擠出變細并形成了外加的第二相均勻分布在顆粒界面上[17]，而新生的顆粒界面逐漸微細化并在鐓粗過程強烈的壓力作用下焊合在一起，形成顆粒間的“吞噬”現(xiàn)象，出現(xiàn)了顆粒的部分長大試樣往復(fù)擠鐓3道次，由于塑性應(yīng)變量的累積，獲得了較高的累積應(yīng)變量從而更進一步促進了組織的致密經(jīng)排水法測得試樣的相對密度達到098，已接近完全致密，達到冶金結(jié)合的效果

（a）擠壓階段

（b）鐓粗階段

3結(jié)論

1）純鎂粉末多道次往復(fù)擠鐓塊體機械冶金是擠壓與鐓粗變形的循環(huán)交替結(jié)合過程，總是存在一對剪切力該剪切力能有效地破碎粉末顆粒表面的氧化層與其內(nèi)部孔隙，形成新生的表面，在壓力作用下，新生的表面重新焊合在一起，從而促進組織的致密

2）試樣往復(fù)擠鐓過程中，擠壓階段等效應(yīng)變量由表及里逐漸減小；鐓粗階段由中心向兩端逐漸減小，隨著擠鐓道次的增加，其應(yīng)變均勻性得到有所改善

3）往復(fù)擠鐓工藝強烈的交替剪切效應(yīng)對粉末多孔材料具有強烈的致密效果，能極大的焊合內(nèi)部孔隙純鎂粉末多孔材料在450 ℃往復(fù)擠鐓3個道次后，相對密度達到098，接近完全致密，達到冶金結(jié)合的效果

參考文獻

[1]陳振華鎂合金[M]北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：430-435

CHEN Zhenhua Magnesium alloy [M] Beijing： Chemical Industry Press， 2004：430-435（In Chinese）

毛衛(wèi)民，閆時建.半固態(tài)AZ91D鎂合金的觸變性[J] 金屬學(xué)報，2005，41（2）：191-195

MAO Weimin， YAN Shijian Thixotropic properties of semisolid AZ91D magnesium alloy [J] Acta Metallurgical Sinica， 2005，41（2）：191-195 （In Chinese）

YASUMASA C， MAMOR U M， GEN I The solid regenerative circulation of leftover bits and pieces of magnesium alloy[ J]Materia， 2004， 43（4）：270-273

[4]CHINO Y， KISHIHARA K， SHIMOJIMA K， et al Superplasticity and cavitation of recycled AZ31 magnesium alloy fabricated by solid recycling process[J] Mater Trans， 2002， 43： 2437-2442

WANG Jianyih， LIN Yingnan， CHANG Tienchan， et al Recycling the magnesium alloy AZ91D in solid state[ J] M ater Trans， 2006， 47： 1047-1051

CHINO Y， HO SHIKA T， LEE J S， et al Mechanical properties of AZ31 Mg alloy recycled by severe deformation[J] J Mater Res， 2006， 21： 754-760

KONDOH K， LUANGVARANUNT T， AIZAWA T Morphologyfree processing of magnesium alloys[J]Mater Trans， 2001，42：1254-1257

吉澤升日本鎂合金研究進展及新技術(shù)[J]中國有色金屬學(xué)報，2004，14 （12）：1977-1984

JI Zesheng Research process and new technology of magnesium alloy in Japan[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals， 2004，14 （12）：1977-1984 （In Chinese）

KNDOH K， AIZAWA T Environmentally benign fabricating process of magnesium alloy by cy clical plastic working in solid state[ J]Mater Trans， 2003， 44（7） ： 1276-1283

[10]周明智，薛克敏，李萍，等粉末多孔材料等徑角擠壓熱力耦合有限元數(shù)值分析[J]中國有色金屬學(xué)報，2006，16（9）：1510-1516

ZHOU Mingzhi， XUE Kemin， LI Ping， et al Coupled thermomechanical finite element analysis of metal with porosities during equal channel angular pressing process[J] The Chinese Journal of Nonferrous Metals， 2006， 16（9）： 1510-1516 （In Chinese）

[11]劉心宇，張繼忠，占美燕，等 粉末體成形的有限元數(shù)值模擬[J]中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1999，30（3）：199-202

LIU Xinyu， ZHANG Jizhong， ZHAN Meiyan， et alThe finite element numerical simulation of the powder [J] J Cent South Univ Technol， 1999，30（3）：199-202 （In Chinese）

DORAIVELU S M， GEGEL H L， GUNASEKERA J S， et al A new yield function for compressible P/ M material[J] Int J Mech Sci， 1984， 26（ 9/ 10）：527-535

[13]AVEDESIAN M M ASM specialty handbookmagnesium and magnesium alloys[C]//Metals Park， OH， USA： ASM，1999：1

[14]榮莉，聶祚仁，杜文博，等中國鎂業(yè)發(fā)展高層論壇專題報告文集[R]北京：中國有色金屬工業(yè)協(xié)會鎂業(yè)分會，2004：122

RONG Li， NIE Zuoren， DU Wenbo， et al Dissertation corpus of forum for china magnesium industry development[R] Beijing： Chinese Magnesium Association， 2004： 122 （In Chinese）

[15]LIN Jinbao，WANG Qudong，PENG Liming， et al Study on deformation behavior and strain homegeneity during cyclic extrution and compression[J]Mater Sci，2008（43）：6920-6924

[16]LIU Ying， LI Yuanyuan， ZHANG Datong， et al Microstructure and properties of AZ80 magnesium alloy prepared by hot extrusion from recycled machined chips[J] Trans Nonferrous Met Soc China， 2002，12（5）：882-885

[17]吉澤升 固相合成AZ91D鎂合金的組織和性能[J] 中國有色金屬學(xué)報，2006，16（12）：2010-2014

JI Zesheng Microstructure and properties of AZ91D magnesium alloy by solidstate recycling[J]The Chinese Journal of Nonferrous Metals， 2006，16（12）：2010-2014 （In Chinese）