高純鋁多向鍛造大塑性變形過程的數(shù)值模擬及實驗研究

朱慶豐，張 揚，朱 成，班春燕，崔建忠

(東北大學(xué) 材料電磁過程研究教育部重點實驗室，沈陽 110819)

高純鋁多向鍛造大塑性變形過程的數(shù)值模擬及實驗研究

朱慶豐，張 揚，朱 成，班春燕，崔建忠

(東北大學(xué) 材料電磁過程研究教育部重點實驗室，沈陽 110819)

采用多向鍛造的方法研究室溫下鍛造道次對高純鋁組織的影響，并用三維DEFORM軟件對實驗過程進行模擬。結(jié)果表明：經(jīng)3次多向鍛造后，高純鋁試樣橫截面上形成1個X形的細晶區(qū)及4個粗晶區(qū)，隨鍛造道次增至9，細晶區(qū)的面積不斷擴大，粗晶區(qū)的面積不斷縮小，但細晶區(qū)與粗晶區(qū)的晶粒尺寸差異并未消除。當(dāng)高純鋁試樣心部的等效應(yīng)變量達到2.5時，心部再結(jié)晶晶粒尺寸達到70μm，繼續(xù)增加心部的等效應(yīng)變至6.0，心部的晶粒不再隨等效應(yīng)變量的增加而細化，達到晶粒細化的極限。而當(dāng)試樣邊部難變形區(qū)和自由變形區(qū)的等效應(yīng)變量增至4.0時，其再結(jié)晶晶粒仍隨等效應(yīng)變量的增加而細化，未達到晶粒細化極限。這表明局部等效應(yīng)變量及局部變形方式均是影響高純鋁晶粒細化的重要因素。

多向鍛造；高純鋁；組織均勻性；數(shù)值模擬

多向鍛造變形的方法是自由鍛基礎(chǔ)上發(fā)展出的一種大塑性變形方法，這種方法通過在不同方向上對試樣進行依次壓下，實現(xiàn)在保持試樣形狀基本不變的同時，不斷增加試樣的等效應(yīng)變量[1-4]。該方法與其他幾種典型大塑性變形方法如等徑角擠壓[5-10]、高壓扭轉(zhuǎn)[11,12]、累積疊軋[13-15]相比，具有工藝簡單、成本低、使用現(xiàn)有工業(yè)裝備即可制備大塊材料、易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點[16]。這種大塑性變形方法雖有諸多優(yōu)點，但也存在試樣局部變形不均勻及由此導(dǎo)致的變形組織不均勻的缺點。多向鍛造過程中試樣各部分的變形方式、等效應(yīng)變量均不相同。局部等效應(yīng)變量及變形方式如何影響試樣變形組織是一個值得研究的問題。之前的研究發(fā)現(xiàn)，將鍛造道次增至24次仍無法消除因變形不均導(dǎo)致的高純鋁試樣邊部與心部組織差異[4]。這種組織差異產(chǎn)生誘因是局部等效應(yīng)變的差異，還是局部變形方式的不同尚有待深入研究。本工作結(jié)合高純鋁多向鍛造實驗條件，采用三維DEFORM有限元數(shù)值模擬的方法分析了高純鋁多向鍛造過程等效應(yīng)變量的變化特點，探討了局部等效應(yīng)變及變形方式對高純鋁組織演變的影響。

1 實驗

1.1 有限元數(shù)值模擬

采用DEFORM-3D模擬軟件對多向鍛造過程進行數(shù)值模擬。模擬參數(shù)的選擇參照實際多向鍛造過程。坯料尺寸為35mm×50mm×60mm，最終鍛件的尺寸基本保持35mm×50mm×60mm。模擬過程中上下錘頭均設(shè)為傳熱剛體，下錘頭的運動速率為2mm/s。試樣的初始溫度為20℃，環(huán)境溫度為20℃，摩擦因數(shù)為0.12。模擬過程中先將試樣沿長邊(X方向)壓下并壓至35mm，然后將試樣翻轉(zhuǎn)90°沿新生成的長邊(Z方向)壓下并壓至35mm，再將試樣翻轉(zhuǎn)90°沿新生成的長邊(Y方向)壓下并壓至35mm(圖1)。如此反復(fù)實現(xiàn)多向鍛造過程的數(shù)值模擬。

結(jié)合體育場呈東西對稱橢圓形的特性，典型對象選取如下：對吊索取4個典型對象。吊索1為第一批安裝吊索中索力最大的單元；吊索2為第二批安裝吊索中索力最大的單元；吊索3為第三批安裝吊索中索力最大的單元；吊索4為所有吊索中索力最大的單元。其分布如圖2所示。

1.2 實驗材料及實驗過程

甘肅會寧是中國工農(nóng)紅軍一、二、四方面軍勝利會師的地方，偉大的“會師精神”自然就是我們班級文化建設(shè)一個重要組成部分了。

實驗所用的材料為區(qū)域提純法制備的高純鋁，其純度≥99.9995%(質(zhì)量分數(shù))。高純鋁原始鑄錠的尺寸為φ220mm×500mm，其宏觀組織如圖2所示，高純 鋁的原始晶粒為沿凝固方向生長的粗大柱狀晶，在50mm×60mm的面積內(nèi)看不到一個完整的晶粒，只有2條明顯的晶界。將原始鑄錠鋸切成尺寸為60mm×50mm×35mm的試樣，放在300t油壓機上進行多向鍛造。鍛造過程中利用夾具保持試樣的壓下方向，利用內(nèi)卡鉗控制各道次的壓下量，并將鍛造速率控制在2mm/s。通過改變試樣的鍛造道次獲得不同的多向鍛造試樣，高純鋁試樣在各道次多向鍛造過程中的壓下方向及鍛后尺寸如表1所示。將經(jīng)1，3，6，9次多向鍛造試樣沿末道次錘頭接觸面的長邊中線切開(切開位置如圖1(c)所示)。試樣經(jīng)磨光后，用王水(體積比為HNO3∶HCl=1∶3)對其進行宏觀腐蝕，并觀察不同試樣的宏觀形貌。取試樣典型位置磨光后進行電解拋光及陽極覆膜，用Leica 5000M型偏光顯微鏡觀察多向鍛造試樣的微觀組織，并用截距法測量不同條件下試樣心部晶粒平均尺寸。

從當(dāng)前我國的國家標準中規(guī)定，在高速公路跨度小于50m的情況下，通常要選擇使用標準跨徑裝配式混凝土橋梁，而該種形式的橋梁被大量的應(yīng)用到實踐中，所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益是非常可觀的。

圖1 多向鍛造過程示意圖 (a)1道次；(b)2道次；(c)3道次Fig.1 Schematic diagram of the multi-directional forging (a)1 pass;(b)2 passes;(c)3 passes

圖2 高純鋁原始試樣的宏觀組織Fig.2 Macrostructure of original high purity aluminum

2.2 實驗結(jié)果分析

表1 多向鍛造過程各道次試樣的壓下方向及鍛后形狀變化

2 結(jié)果與分析

將試樣沿豎直中線方向的等效應(yīng)變量分布繪成曲線，如圖4所示。可以看出，各試樣沿豎直中線的等效應(yīng)變量呈拱形對稱分布，試樣中心附近等效應(yīng)變量較大，由中心向上下兩邊遞減。隨著鍛造道次的增加，試樣在豎直中線上的等效應(yīng)變量均增加，但心部的增速大于邊部的增速，邊部與心部等效應(yīng)變量差值增大。經(jīng)6次多向鍛造后，試樣邊部的等效應(yīng)變量達到2.5以上，超過了經(jīng)3道次鍛造試樣心部的等效應(yīng)變量。經(jīng)9次多向鍛造后，整個試樣的等效應(yīng)變量達到了4.0以上。

圖3為不同道次鍛造過程中試樣內(nèi)部豎直縱截面的等效應(yīng)變分布圖?？梢钥吹?，經(jīng)不同道次鍛造試樣的形狀都比較規(guī)整，在每個試樣的側(cè)面均形成了一個“單鼓形”，這與鍛造實驗過程中試樣的形狀相近。圖3(a)為鍛造1道次后試樣內(nèi)部等效應(yīng)變分布圖，可以看出，在與上下錘頭接觸面的幾何中心附近分別存在一個等效應(yīng)變量較小的區(qū)域，其中試樣與上下錘頭接觸面幾何中心附近的應(yīng)變量最小，為0.15，以這個區(qū)域為圓心，應(yīng)變量向試樣內(nèi)部呈半圓形逐漸增大，在豎直中線上距離上下表面6.4mm處等效應(yīng)變量達到0.4左右。試樣心部附近橢圓形區(qū)域內(nèi)的變形量最大，其等效應(yīng)變值可以達到0.7，水平中線方向試樣邊部的應(yīng)變值最小，為0.4。當(dāng)鍛造道次增至3時(圖3(b))，試樣4個端面附近形成了4個等效應(yīng)變量較小的區(qū)域(如虛線框所示)，其應(yīng)變量均在1.0以下；而截面的其他區(qū)域則形成了一個X形的大等效應(yīng)變區(qū)，這個區(qū)域內(nèi)的等效應(yīng)變量均大于1.66，中心區(qū)域等效應(yīng)變量可以達到2.5。隨鍛造道次增至6，試樣內(nèi)部的X形等效應(yīng)變大的區(qū)域依然存在，這個區(qū)域內(nèi)的等效變量值均超過了3.51，而心部應(yīng)變量的最大值可達4.8，試樣4個端面附近的等效應(yīng)變量也隨之增加，其中最小應(yīng)變量也增至2.5以上。隨著鍛造道次增至9，試樣內(nèi)部的X形等效應(yīng)變大的區(qū)域明顯擴大，各部位的等效應(yīng)變值也持續(xù)增加，但試樣內(nèi)部不同區(qū)域的等效應(yīng)變量差值增大。

圖3 鍛造后試樣橫截面內(nèi)的等效應(yīng)變分布 (a)1道次；(b)3道次；(c)6道次；(d)9道次Fig.3 Equivalent strain distribution in the cross section of the forged sample (a)1 pass;(b)3 passes;(c)6 passes;(d)9 passes

2.1 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖4 試樣末道次壓下方向中線上等效應(yīng)變分布Fig.4 Equivalent strain distribution along the center line of the final forging direction

高純鋁經(jīng)1，3，6，9次多向鍛造后沿縱截面的宏觀組織如圖5所示。可以看出，當(dāng)試樣經(jīng)1道次鍛造后(圖5(a))，高純鋁并未發(fā)生再結(jié)晶，試樣截面上可以清楚看到高純鋁凝固組織的原始晶界及一些由于變形產(chǎn)生的變形帶。經(jīng)3次鍛造后(圖5(b))，試樣截面上出現(xiàn)了大量再結(jié)晶晶粒，這些晶粒按尺寸大小可以分為5個區(qū)域，即在心部附近的X形的細晶區(qū)，以及在4個側(cè)面附近的粗晶區(qū)，試樣截面上的這種組織分布特點與圖3中的模擬結(jié)果相近。當(dāng)鍛造道次增至6時(圖

挑戰(zhàn)盛典現(xiàn)場，一臺臺曾經(jīng)或者正在改變世界家電史的創(chuàng)新產(chǎn)品，串聯(lián)起了海爾33年不斷挑戰(zhàn)自我、不斷戰(zhàn)勝極限的歷史。隨后，由凈界自清潔空調(diào)、F＋冰箱、防干燒燃氣灶以及直驅(qū)洗衣機組成的“挑戰(zhàn)戰(zhàn)隊”，與天才美女速算大師李順實、國際特技記憶大師黃勝華、“黃金舌”中國烹飪大師楊海明、平衡大師韓遂寧夫婦、平衡家庭鐘榮芳一家完成了一項項看起來不可能的挑戰(zhàn)。

圖6(a)，(b)，(c)，(d)為圖5(a)，(b)，(c)，(d)虛線框?qū)?yīng)位置的偏光照片。這些微觀組織可以更清楚看出高純鋁多向鍛造過程中的組織演變過程。高純鋁試樣經(jīng)1道次鍛造后未發(fā)生明顯的再結(jié)晶，一些顏色不同的變形帶清晰可見(圖6(a))。當(dāng)鍛造道次為3，6，9道次時，試樣均發(fā)生了再結(jié)晶，再結(jié)晶晶粒尺寸由邊部向心部逐漸減小。隨著鍛造道次由3增至6和9，心部細晶區(qū)的平均晶粒尺寸分別為70.7，68.9，85.5μm，再結(jié)晶晶粒的尺寸隨應(yīng)變量增加變化不大，但心部細晶區(qū)的面積不斷擴大；錘頭附近粗晶區(qū)的面積不斷減小，粗晶區(qū)的晶粒尺寸不斷變小。當(dāng)鍛造道次達到9道次后，邊部粗晶區(qū)和心部細晶區(qū)的晶粒尺寸差異并未完全消除。

圖5 鍛造后高純鋁試樣橫截面上的宏觀組織 (a)1道次；(b)3道次；(c)6道次；(d)9道次Fig.5 Macrostructure in the cross section of the forged high purity aluminum (a)1 pass;(b)3 passes;(c)6 passes;(d)9 passes

5(c))，試樣截面上X形的細晶區(qū)和粗晶區(qū)仍然存在，細晶區(qū)的面積有所擴大，粗晶區(qū)的晶粒面積和晶粒均有所減小。當(dāng)鍛造道次增至9時(圖5(d))，試樣X形大變形區(qū)的面積繼續(xù)擴大，試樣粗晶區(qū)的面積和晶粒尺寸繼續(xù)減小，但邊部粗晶區(qū)與心部細晶區(qū)的晶粒尺寸差異并未消除。

特別是，預(yù)約中心與入院準備中心緊密合作，利用患者辦理入院手續(xù)到入住病床的時間差，完成主要檢查。宣姝姝指出，這為醫(yī)院縮短術(shù)前等待時間、降低平均住院床日奠定了基礎(chǔ)。

3 討論

多向鍛造的每次壓下都相當(dāng)于一次自由鍛過程，在此過程中試樣在上下錘頭壓力作用下向水平方向流動，錘頭與試樣表面的摩擦阻礙了金屬向水平方向移動，在試樣側(cè)面形成了一個“單鼓形”，如圖3(a)所示。此時，按變形量的不同可將試樣分為3個區(qū)域，即心部變形量大的易變形區(qū)，試樣與上下錘頭接觸面附近的難變形區(qū)(變形量最小)，以及不與錘頭接觸的試樣4個端面附近變形量居中的自由變形區(qū)。隨鍛造道次增加及壓下方向改變，試樣的難變形區(qū)與自由變形區(qū)發(fā)生交替變化，等效應(yīng)變量持續(xù)增加。而試樣大變形區(qū)的位置基本不隨壓下方向改變而變化，其等效應(yīng)變的增速遠高于試樣邊部的另兩個區(qū)。當(dāng)鍛造道次為3時，試樣的3個方向分別經(jīng)歷了一次壓下，在這3次壓下過程中，試樣6個側(cè)面附近的區(qū)域分別“擔(dān)當(dāng)”了1次難變形區(qū)和2次自由變形區(qū)，此時在各側(cè)面附近形成了一個變形量小的區(qū)域，而在試樣心部形成了一個大的X形等效應(yīng)變區(qū)域，如圖3(b)所示。隨著鍛造道次的進一步增加，變形量大的X形大變形區(qū)的面積不斷擴大，等效應(yīng)變量不斷增加，但側(cè)面變形量較小的區(qū)域依然存在，且兩個區(qū)域內(nèi)的等效應(yīng)變量的差值越來越大，如圖4所示。

在等效應(yīng)變持續(xù)增加的多向鍛造過程中，高純鋁變形組織的演變經(jīng)歷加工硬化、回復(fù)、再結(jié)晶等幾個階段。高純鋁的這個組織演變過程與高純鋁純度、等效應(yīng)變量、變形速率、變形溫度、變形方式等多個因素有關(guān)。純度高于99.9995%的純鋁，其成分接近于純金屬，基體內(nèi)缺少阻礙位錯移動和晶界擴張的質(zhì)點，變形過程中極易發(fā)生再結(jié)晶及晶粒長大，有報道指出高純鋁在室溫下即可發(fā)生再結(jié)晶[17]。本實驗采用的變形速率、變形溫度等工藝條件基本不變，多向鍛造過程中的組織演變主要與等效應(yīng)變量和變形方式有關(guān)。

當(dāng)鍛造道次為1時，由于等效應(yīng)變量不大(小于0.7)，高純鋁試樣并未發(fā)生明顯的再結(jié)晶。當(dāng)鍛造道次為3時，模擬結(jié)果表明試樣各個部位的等效應(yīng)變值均超過了1，整個試樣均發(fā)生了明顯的再結(jié)晶，但各區(qū)域再結(jié)晶晶粒尺寸明顯不同，心部X形易變形區(qū)(等效應(yīng)變量超過1.6)的晶粒相當(dāng)細小，邊部效應(yīng)變量小的難變形區(qū)和自由變形區(qū)的晶粒比較粗大。這表明局部等效應(yīng)變量的不同會導(dǎo)致再結(jié)晶晶粒尺寸的不同。

隨著鍛造道次進一步增至6和9，試樣各部分的等效應(yīng)變量均增加，但心部易變形區(qū)的增速快，邊部難變形區(qū)、自由變形區(qū)的增速慢。當(dāng)試樣心部的等效應(yīng)變量達到2.5(鍛造3道次)之后，試樣心部晶粒尺寸不再隨等效應(yīng)變量的增加而細化，這說明試樣心部晶粒尺寸隨等效應(yīng)變的增加存在一個細化極限。而隨著邊部難變形區(qū)、自由變形區(qū)的效應(yīng)變量增至4.0(鍛造9道次)，該區(qū)域的晶粒不斷細化。當(dāng)試樣難變形區(qū)、自由變形區(qū)的等效應(yīng)變量超過2.5(心部達到細化極限時的應(yīng)變量)時，試樣難變形區(qū)、自由變形區(qū)的晶粒仍未達到細化極限。這表明高純鋁變形過程的晶粒細化程度，除了與等效應(yīng)變量有關(guān)，還與局部區(qū)域變形特點有關(guān)。多向鍛造過程中不同方向交替壓下時，試樣心部與邊部的變形特點不同。每次單道次壓下過程中，試樣心部區(qū)域的變形量大(金屬流動距離大)，且各道間應(yīng)變方向(金屬流動方向)幾乎垂直交叉；而試樣邊部區(qū)域單道次變形量小(金屬流動距離短)，且各道次應(yīng)變方向變化不明顯。這種局部區(qū)域的變形特點差異可能是導(dǎo)致高純鋁試樣邊部與心部晶粒尺寸差異的另一個重要原因。這使得通過簡單增加鍛造道次難以消除高純鋁多向鍛造過程中粗晶區(qū)與細晶區(qū)的組織差異。

4 結(jié)論

(1)室溫下高純鋁試樣經(jīng)3道次多向鍛造后，在試樣橫截面上形成1個X形的細晶區(qū)和4個粗晶區(qū)，隨鍛造道次增至9，細晶區(qū)的面積不斷擴大，粗晶區(qū)的面積不斷縮小，但細晶區(qū)與粗晶區(qū)的晶粒尺寸差異并未消除。

(2)高純鋁在室溫下進行多向鍛造時，試樣心部的等效應(yīng)變量達到2.5(鍛造3道次)后，心部再結(jié)晶晶粒尺寸達到70μm，繼續(xù)增加心部的等效應(yīng)變至6.0，心部的晶粒不再隨等效應(yīng)變量的增加而細化，達到晶粒細化的極限。

式中:y()為氣樣中C6及更重組分加和峰的摩爾分數(shù)，%;y(C5)為氣樣中異戊烷與正戊烷摩爾分數(shù)之和，%;A)為氣樣中C6和更重組分加和峰的峰面積，μV·s;A(C5)為氣樣中異戊烷和正戊烷的峰面積之和，μV·s;M(C5)為戊烷的相對分子質(zhì)量，取值為72;M()為C6和更重組分加和峰的相對分子質(zhì)量，取值為92。

(3)隨著鍛造道次增至9，高純鋁試樣邊部的難變形區(qū)和自由變形區(qū)的晶粒持續(xù)細化；試樣難變形區(qū)和自由變形區(qū)的等效應(yīng)變量達到4.0時，晶粒依然沒有達到細化極限。

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(本文責(zé)編：王 晶)

Numerical Simulation and Experimental Investigation on Multi-direction Forging Behaviors of High Purity Aluminum

ZHU Qing-feng,ZHANG Yang,ZHU Cheng,BAN Chun-yan,CUI Jian-zhong

(The Key Laboratory of Electromagnetic Processing of Materials(Ministry of Education),Northeastern University,Shenyang 110819,China)

The effect of forging pass on the deformation structure of high purity aluminum at room temperature during multi-direction forging process was investigated by experiment. The multi-direction forging process was analyzed by using software of DEFORM-3D. The results show that an X-shape fine grain zone (in the center of the sample) and four coarse grain zones (near the end surface of the sample) are initially formed on the cross section of the sample as forging passes increase to 3. With a further increasing the passes to 9, this X-shape zone tends to spread the whole sample. However, the grain difference between the coarse grain zone and fine grain zone still exists on the sample forged by 9 passes. Limitation in the structural refinement is observed in the center of the sample with the increment of equivalent strain. The grains size in the center is refined to a certain size (about 70μm) as equivalent strain reaches 2.5, and no further grain refinement in the center with increasing the equivalent strain to 6.0. However, the grains size in the area near the surface is continuously refined with the increasing the equivalent strain to 4.0. This indicates that the local deformation state and the equivalent strain are two important factors that affect the grain size.

multi-directional forging;high purity aluminum;structure uniformity;numerical simulation

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000401

TG146.21

A

1001-4381(2017)04-0015-06

國家自然科學(xué)基金資助項目(51204053，51374067)；中央高?；究蒲匈Y助項目(N130409005，N130709001，N130209001)

2015-04-10;

2016-08-25

朱慶豐(1979-)，男，副教授，博士，從事鋁合金的制備工藝及相關(guān)理論方面的研究工作，聯(lián)系地址：遼寧省沈陽市和平區(qū)文化路3-11東北大學(xué)314信箱(110819)，E-mail:zhuqingfeng@epm.neu.edu.cn