模具圓心角對AZ31鎂合金劇烈塑性變形的影響

劉婷++盧壽麗

【摘 要】模具圓心角對ECAP工藝過程有顯著的影響。本文通過有限元模擬軟件Deform-2D進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬，研究了模具圓心角對試樣變形分布的影響。分析結(jié)果表明， 當(dāng)模具圓心角為30°時，工件的等效應(yīng)變分布更加合理，這些結(jié)果為優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，獲得性能優(yōu)良的鎂合金提供了有效可靠的指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形；有限元模擬；模具圓心角

1.引言

ECAP是由兩個橫截面積相同的通道相交而成，其中內(nèi)交角用Φ來表示，外交角Ψ用來表示。它具有不改變材料橫截面積和橫截面形狀的特點(diǎn)，在擠壓過程中，材料經(jīng)過多次剪切變形后累積較大的變形量，從而使晶粒細(xì)化到微米、亞微米和納米級尺寸.當(dāng)忽略邊界條件如摩擦等的作用是，Iwahashi[1]等人通過純剪切幾何變換法推導(dǎo)得出等通道彎角擠壓變形過程的等效應(yīng)變累積公式（1），由此公式可以看出，等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形，可以通過多道次擠壓來累積足夠的應(yīng)變量以達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。

（1）

公式中，N是擠壓道次數(shù)，是累積等效應(yīng)變，隨模具拐角Φ和模具圓心角Ψ的增大而減少。由公式可以看出，當(dāng)Φ=90°，Ψ=0°時，為最大值1.15，當(dāng)Φ=90°，Ψ=90°時，為最小值0.907。

雖然科研人員對等通道轉(zhuǎn)角擠壓進(jìn)行了大量的研究，但研究對象主要集中在銅[2，3]、鋁、鈦及其合金上，很少有對鎂及鎂合金的研究。鎂及鎂合金是密排六方結(jié)構(gòu)，在室溫下無法獲得較高的塑性，但經(jīng)等通道彎角擠壓工藝后，鎂及鎂合金的晶粒的到了明顯的細(xì)化，性能也得到了改善。

本文的主要目的是通過有限元模擬軟件Deform-2D對鎂合金AZ31的ECAP過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析在不同模具圓心角下，鎂合金劇烈塑性變形的變形機(jī)理，為獲得合理的模具結(jié)構(gòu)，擠壓出性能良好的鎂合金，為ECAP實(shí)驗(yàn)進(jìn)行理論指導(dǎo)。

2.有限元數(shù)值模擬

本文采用方形等通道轉(zhuǎn)角擠壓模具對鎂合金AZ31的ECAP工藝進(jìn)行大量的數(shù)值模擬，研究不同的工藝參數(shù)對試樣變形分布的影響。在模擬過程中，擠壓過程為平面變形問題，假設(shè)模具為剛性，材料為剛塑性，且在常溫下符合應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[4]，其中C=205MPa，應(yīng)變硬化指數(shù)m=0.114，n=0.044， 模具拐角90°，摩擦因子0.15，擠壓件的幾何形狀為12mm×12mm×60mm， 網(wǎng)格單元劃分?jǐn)?shù)是800。

模擬過程中的參數(shù)變化： 模具圓心角Ψ分別取0°、30°、60°和90°三種情況。此外，截取擠壓件的橫截面進(jìn)行分析，要獲得擠壓件擠壓過程中各場量的演化規(guī)律，取初始時擠壓件中心處5個點(diǎn)進(jìn)行分析. 觀察不同參數(shù)下試樣的變形分布等情況.總結(jié)AZ31的等通道轉(zhuǎn)角擠壓的規(guī)律。

3.模擬結(jié)果與分析

圖1不同模具圓心角所對應(yīng)的的等效應(yīng)變分布圖：（a） Ψ=0°（b） Ψ=30°（c） Ψ=60° （d） Ψ=90°

圖1中（a）、（b）、（c）、（d）分別表示模具拐角為90°時，模具圓心角分別為0°、30°、60°、90°時，工件的等效應(yīng)變分布圖。由圖可知，隨著模具圓心角的增大，工件最大等效應(yīng)變值與最小等效應(yīng)變值在減小 ，但變形的均勻化程度不同，基本上呈現(xiàn)（b）>（c）>（a）>（d）的情況，模具拐角是90°，模具圓心角是30°時，工件變形優(yōu)于其他條件。由于ECAP工藝屬于劇烈塑性變形，所以選擇圓心角時，變形對模具的影響不可忽略，綜合考慮各種條件和模擬結(jié)果，模具圓心角選在30°附近較為合理。圖2表示模具拐角為90°時，模具圓心角分別為0°、30°、60°、90°時，擠壓件A-B處各點(diǎn)的等效應(yīng)變演化曲線。從圖中可以看出在試樣的第二部分等效應(yīng)變隨模具圓心角的增大而減小。模具圓心角越小，等效應(yīng)變越均勻。

圖2不同模具圓心角的擠壓件在擠壓過程中等效應(yīng)變演化曲線：（a） Φ=60°（b） Φ=90°（c） Φ=120°（d） Φ=150°

4.結(jié)論

通過有限元軟件De-form2D模擬了鎂合金AZ31的ECAP變形過程，分析了模具圓心角對變形過程的影響，為優(yōu)化模擬，獲得性能良好的工件提供了可靠有效的理論指導(dǎo)：模具圓心角增大，工件的等效應(yīng)變是在減小的，當(dāng)模具圓心角為30°時，工件的變形是更為均勻的。

參考文獻(xiàn)：

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