新型等徑角擠壓工藝下的5052鋁合金變形行為的有限元模擬

董蔚霞，王曉溪，夏華明，朱珍

（徐州工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221018）

隨著材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和加工工藝的日趨完善，塊體超細(xì)晶材料因其具有優(yōu)良的力學(xué)性能和物理性能，特別是在不斷更新?lián)Q代的電子產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用，備受材料界的重視，成為當(dāng)前材料學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一［1—3］。在眾多制備塊體超細(xì)晶材料的工藝方法中，大塑性變形工藝因其能夠制備出大塊、致密材料且無污染、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為是最行之有效的方法［4］。等徑角擠壓（Equal channel angular pressing，ECAP）是一種典型的大塑性變形工藝，它在不改變坯料的橫截面積和截面形狀的前提下［5］，使得坯料在轉(zhuǎn)角處受到劇烈的純剪切變形，從而使晶粒得到細(xì)化。然而，該工藝通常需要多道次重復(fù)擠壓才能獲得更大的累積應(yīng)變量，進(jìn)而使位錯(cuò)重排以得到超細(xì)晶組織［6—7］，如此反復(fù)投放、提取坯料，不僅導(dǎo)致擠壓效率低下、增加成本、不利于工業(yè)上的大批量生產(chǎn)模式，而且使材料的有效利用長度大大降低。

為了彌補(bǔ)ECAP工藝上的不足，文中在傳統(tǒng)ECAP工藝的基礎(chǔ)上，提出了一種更為有效、細(xì)晶能力更強(qiáng)、材料有效利用長度更大的新型大塑性復(fù)合變形技術(shù)，即正擠壓-等徑角擠壓工藝（Forward extrusion-equal channel angular pressing，F(xiàn)E-ECAP），并借助于大型商業(yè)模擬分析軟件DEFORM-3D，對5052鋁合金在室溫條件下的變形行為進(jìn)行模擬分析，獲得了擠壓變形過程中擠壓載荷、等效應(yīng)變、金屬流動速度等場量的分布規(guī)律。以上這些研究將對發(fā)展新型復(fù)合大塑性變形技術(shù)、優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)以及高效率制備塊體超細(xì)晶材料具有重要的指導(dǎo)意義。

1FE-ECAP工藝原理

FE-ECAP工藝綜合了FE和ECAP兩種變形工藝的特點(diǎn)，其工藝原理如圖1所示。在傳統(tǒng)ECAP模具通道入口處增加一段橫截面面積更大的正擠壓入口通道，在外力作用下，坯料從模具的入口通道被擠入，經(jīng)過擠壓?？谶M(jìn)入豎直通道，緊接著通過模具轉(zhuǎn)角，最后從水平通道中平穩(wěn)擠出。在整個(gè)變形過程中，由于坯料首先在擠壓?？谔幇l(fā)生一次劇烈的塑性變形，有效長度大大增加，材料原始晶粒也得到一定程度的細(xì)化。隨后，坯料在模具轉(zhuǎn)角部位發(fā)生第二次劇烈的純剪切變形，組織得到進(jìn)一步細(xì)化。雖然經(jīng)過兩次劇烈的塑性變形，但是坯料并沒有產(chǎn)生破壞，且經(jīng)過兩次塑性變形后累積大量的應(yīng)變量，有利于獲得均勻的超細(xì)晶組織［8—9］。由此可見，F(xiàn)E-ECAP工藝在能夠獲得塊體超細(xì)晶材料的前提下，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了“一次擠壓，兩次變形，有效長度增加”復(fù)合變形的目的。與傳統(tǒng)ECAP工藝相比，F(xiàn)E-ECAP變形工藝擠壓效率高，模具結(jié)構(gòu)簡單，變形復(fù)合連續(xù)，有利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的廣泛應(yīng)用。

圖1 FE-ECAP工藝原理Fig.1 Principle of FE-ECAP

2 5052鋁合金FE-ECAP變形過程的有限元模擬

2.1 有限元模型的建立

在三維造型軟件Pro/E中完成實(shí)體建模并經(jīng)完整裝配，導(dǎo)入到DEFORM-3D中進(jìn)行模擬。坯料原始尺寸為φ30 mm×20 mm，材料為5052鋁合金，變形溫度為室溫（20℃），變形速度為2 mm/s。本次模擬網(wǎng)格劃分采用四面體單元，劃分單元數(shù)量為15 000。圖2為有限元網(wǎng)格劃分示意圖，為防止變形過程中因網(wǎng)格發(fā)生嚴(yán)重畸變而破壞坯料、阻止變形，將網(wǎng)格設(shè)置成自動重劃分模式［10—12］。模具和沖頭都設(shè)為剛性材料，兩者之間除了在變形中因接觸而產(chǎn)生摩擦外并不發(fā)生塑性變形，接觸摩擦設(shè)為常剪切摩擦，摩擦因子為0.12。模具的內(nèi)、外轉(zhuǎn)角角度分別為φ=90°，ψ=90°;入口通道為 φ30 mm×20 mm，豎直通道為 φ15 mm×30 mm，水平通道為 φ15 mm×100 mm。

圖2有限元網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh in FEM

2.2 FE-ECAP模擬結(jié)果及分析

2.2.1 擠壓載荷分析

圖3是室溫條件下5052鋁合金在FE-ECAP工藝復(fù)合擠壓變形過程中的擠壓載荷-行程曲線?？梢钥闯稣麄€(gè)變形過程分為4個(gè)階段，即快速增加階段Ⅰ、快速增加階段Ⅱ、急劇下降階段Ⅲ、穩(wěn)定變形階段Ⅳ，圖4是FE-ECAP變形過程示意圖。

圖3 擠壓載荷-行程曲線Fig.3 The extrusion load-stroke curve

圖4 FE-ECAP變形過程示意Fig.4 Deformation process of FE-ECAP

1）快速增加階段Ⅰ:該階段在外力的作用下坯料依次通過擠壓模口，擠壓載荷隨著行程的增加而增大，擠壓行程接近20 mm時(shí)載荷達(dá)到262 kN，第一個(gè)峰值出現(xiàn)。這是因?yàn)榕髁显跊_頭的的作用下首先發(fā)生鐓粗變形，向四周膨脹直至與擠壓筒內(nèi)壁完全接觸，此后，坯料受到來自沖頭和擠壓筒內(nèi)壁的三向壓應(yīng)力，開始不斷進(jìn)入到豎直通道中，并在模口部分發(fā)生劇烈塑性變形。

2）快速增加階段Ⅱ:該階段入口通道內(nèi)的坯料逐漸減少，坯料所受的三向壓應(yīng)力和摩擦力也隨之減小，因此在極短行程內(nèi)擠壓載荷出現(xiàn)下降現(xiàn)象。然而，由于坯料逐漸通過模具轉(zhuǎn)角時(shí)受到劇烈的剪切作用力，擠壓載荷很快又隨著行程的增加而逐漸增大，直到第2個(gè)擠壓載荷峰值的出現(xiàn)，此時(shí)的峰值為347 kN，也是整個(gè)擠壓過程載荷最大值。

3）急劇下降階段Ⅲ:隨著變形的繼續(xù)，坯料逐漸離開擠壓?？谶M(jìn)入豎直通道和水平通道，此時(shí)坯料所受的三向壓應(yīng)力和摩擦力不斷減小，擠壓載荷隨著行程的增加而不斷下降。

4）穩(wěn)定變形階段Ⅳ:此時(shí)坯料已完全離開擠壓?？谶M(jìn)入豎直通道和水平通道，僅發(fā)生ECAP變形，相比前3個(gè)階段，坯料此時(shí)受力較均勻，變形較穩(wěn)定，由于摩擦力的存在，擠壓載荷呈現(xiàn)微小波動，基本保持不變。

2.2.2 等效應(yīng)變的分析

等效應(yīng)變的大小和分布狀況能夠反映出材料塑性變形的累積效果，在一定程度上它與材料內(nèi)部細(xì)化和變形均勻的程度密切相關(guān)［13—15］。圖5為不同變形階段坯料中心縱截面的等效應(yīng)變分布圖。從圖5可以看出，F(xiàn)E變形階段，在來自沖頭和通道內(nèi)壁的三向壓應(yīng)力的作用下，使得坯料在擠壓?？谔幠芨玫匕l(fā)生劇烈的塑性變形，變形較均勻，等效應(yīng)變呈現(xiàn)出較小的梯度分布，應(yīng)變值由外到內(nèi)依次遞減。在FEECAP變形階段，坯料通過模具轉(zhuǎn)角，在模具轉(zhuǎn)角的剪切作用下，坯料頭部變形出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象。此時(shí)，在轉(zhuǎn)角附近的等效應(yīng)變呈現(xiàn)明顯的層狀分布，并且等效應(yīng)變值從上到下依次減小。隨著變形的繼續(xù)，已完成FE和FE-ECAP變形的坯料進(jìn)入完整的ECAP變形階段，此階段坯料變形相對平穩(wěn)，如圖5c所示，變形坯料的等效應(yīng)變梯度明顯減小，坯料整體變形均勻性得到顯著提高，內(nèi)部形成了一個(gè)大而均勻的主要變形區(qū)，坯料內(nèi)部所累積的平均等效應(yīng)變約為2.27。

圖5 各階段變形坯料的等效應(yīng)變分布Fig.5 The distribution of the equivalent strain of the deformed billets at different stages

為了更清楚地表示坯料內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)在FE-ECAP過程中的變形效果，在最終變形坯料的主要變形區(qū)內(nèi)，分別沿AB，CD，EF截取中心橫截面的9個(gè)不同節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，如圖6中心橫截面的放大圖所示，3個(gè)截面上各跟蹤點(diǎn)等效應(yīng)變的大小如圖7所示。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，3個(gè)截面上，9個(gè)節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)變值變化趨勢基本一致，變化曲線在多個(gè)點(diǎn)處出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，由此可見，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在不同截面上其值變化不大，從而形成了一個(gè)大而均勻的主要變形區(qū)。

圖6 橫截面（放大）跟蹤點(diǎn)的選取Fig.6 The tracking point on the cross section（enlarged）

圖7 各點(diǎn)等效應(yīng)變大小Fig.7 The equivalent strain of the tracking points

縱觀這9個(gè)節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)變值，最大值（P1）為2.85，最小值（P2）為2.29，兩者相差甚微。由此可見，經(jīng)過FE-ECAP變形后，等效應(yīng)變大量累積，使得主要變形區(qū)達(dá)到了高度均勻的變形狀態(tài)。為保證所獲取的超細(xì)晶材料組織穩(wěn)定、性能優(yōu)越，并具有工業(yè)使用價(jià)值，應(yīng)盡可能地提高坯料變形的均勻性。

2.2.3 速度場的分析

由圖8可以看出，坯料在擠壓?？诟浇乃俣瘸拭黠@的梯狀分布，速度值由上到下依次增加。而坯料在轉(zhuǎn)角處的速度呈較小的梯狀分布，并且內(nèi)轉(zhuǎn)角處的速度值明顯小于外轉(zhuǎn)角處的速度值，靠近轉(zhuǎn)角部位的坯料在豎直通道內(nèi)與在水平通道內(nèi)的速度值相等，大小分布非常均勻，由此可見，此時(shí)坯料的變形較穩(wěn)定。由圖9中的表面速度矢量圖可以看出，金屬質(zhì)點(diǎn)在不同部位速度方向發(fā)生微小變化，在擠壓模口向豎直通道過渡階段，坯料尾部的速度方向各異，但是從整體來看，速度方向基本與主流方向一致。

圖8 中心縱截面速度分布Fig.8 Velocity distribution on longitudinal section

圖9 坯料表面速度矢量分布Fig.9 Outer surface-velocity distribution on longitudinal section

3 結(jié)論

1）將5052鋁合金在室溫條件下的FE-ECAP擠壓變形過程劃分為4個(gè)階段，即快速增加階段Ⅰ、快速增加階段Ⅱ、急劇下降階段、穩(wěn)定變形階段。

2）在模具轉(zhuǎn)角的剪切作用下，坯料頭部變形出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象，在最后的ECAP變形階段，變形坯料的等效應(yīng)變梯度明顯減小，坯料整體變形均勻性得到顯著提高，內(nèi)部形成了一個(gè)大而均勻的主要變形區(qū)。

3）金屬流動速度與坯料所處位置有關(guān)，擠壓?？趦?nèi)部金屬流動速度較外表面的大，且分布不均，坯料在轉(zhuǎn)角處的速度呈層狀分布，并且內(nèi)轉(zhuǎn)角處的速度值明顯小于外轉(zhuǎn)角處的速度值，但是整體上速度與主流方向是保持一致的。

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