AZ31鎂合金無縫管擠壓動(dòng)態(tài)再結(jié)晶數(shù)值模擬研究

莊海華，楊柱*，劉運(yùn)騰,2，周吉學(xué),3，馬百常，王金偉

(1.山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌), 山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014；3.山東省汽車輕量化鎂合金材料工程技術(shù)研究中心, 山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014)

AZ31鎂合金無縫管擠壓動(dòng)態(tài)再結(jié)晶數(shù)值模擬研究

莊海華1，楊柱1*，劉運(yùn)騰1,2，周吉學(xué)1,3，馬百常1，王金偉1

(1.山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌), 山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014；3.山東省汽車輕量化鎂合金材料工程技術(shù)研究中心, 山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014)

通過熱壓縮實(shí)驗(yàn)得出溫度在300～450 ℃，應(yīng)變率為0.01～1 s-1時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，建立了AZ31鎂合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型。該模型用于AZ31鎂合金無縫管擠壓過程中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程的數(shù)值模擬，并通過金相觀察得以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，在擠壓速度確定的情況下，擠壓溫度對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)的影響最為明顯。隨著擠壓溫度的升高，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)明顯增大。預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。

AZ31鎂合金；無縫管擠壓；動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；數(shù)值模擬

Abstract∶Based on the stress-strain curves obtained by hot compression tests at temperature of 300 ～ 450 ℃ and at strain rate of 0.01 ～ 1 s-1, the empirical dynamic recrystallization models for the semi-continuous AZ31 magnesium alloy were developed. The model was applied to the numerical simulation of dynamic recrystallization evolution during seamless tube extrusion of AZ31 magnesium alloy, and was verified by metallographic observation. The results showed that, at certain extrusion speed, the influence of the extruding temperature on the dynamic recrystallization fraction was the most significant. With the increase of the extruding temperature, the volume fraction of dynamic recrystallization increased obviously. The predicted volume fraction of dynamic recrystallization was in excellent agreement with the experimental results.

Key words∶AZ31 magnesium alloy; seamless tube extrusion; dynamic recrystallization; numerical simulation

鎂合金是目前最輕的金屬材料，其密度低、比強(qiáng)度高，由這種合金制成的車輛將會(huì)消耗更少的燃料，節(jié)約資源[1]，適合于新能源車輛的發(fā)展。目前，國內(nèi)已制造出以鎂合金為車體框架的新型電動(dòng)客車，其中許多結(jié)構(gòu)部件，比如管狀扶手等，都是變形鎂合金的擠壓型材構(gòu)成。材料的組織決定力學(xué)性能，為了得到高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)件，理解熱擠壓過程中的鎂合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶(dynamic recrystallization，DRX)尤為重要[2-3]，通過有限元分析法結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究鎂合金擠壓過程中的組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變是一種有效的方法[4]。

目前，國內(nèi)外對(duì)鎂合金熱變形過程中的組織轉(zhuǎn)變進(jìn)行了大量研究。主要圍繞溫度和應(yīng)變比對(duì)流動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為的影響及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型方面展開。Sani等[5]分析出元素Sr對(duì)AZ61鎂合金中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的影響，AZ61+Sr中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶比AZ61鎂合金中的更加明顯，因?yàn)镾r可以增加晶界以及使動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒形核得到擴(kuò)展。Quan等[6]研究了AZ80鎂合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，提出了改進(jìn)的Avrami模型，并且預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)通過金相組織得以驗(yàn)證。Roostaei等[7]通過熱壓縮實(shí)驗(yàn)研究了Mg-3Gd-1Zn鎂合金的熱變形行為，發(fā)現(xiàn)平均動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸會(huì)隨著應(yīng)變率的增加而減小。Suresh等[8]探究了Ca對(duì)AZ31鎂合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為的影響，發(fā)現(xiàn)更高的應(yīng)變比下，在AZ31鎂合金中三分之一的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)域在含Ca合金相圖中會(huì)消失。Qin等[9]探究了ZK60中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)問題，構(gòu)建了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為。大量基礎(chǔ)研究主要是在鎂合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為方面，在鎂合金擠壓工藝中的應(yīng)用較少。目前鎂合金擠壓方面的研究工作集中在工藝特性上，在組織方面的研究較少。Liang等[10]通過數(shù)值方法研究了AZ31鎂合金的擠壓過程，詳細(xì)地分析了不同的工藝條件并且獲得了合適的擠壓載荷。Lee等[11-12]研究了鎂合金后橋擠壓工藝，根據(jù)流動(dòng)曲線，在擠壓期間采用有限元法通過擠壓載荷和溫度來確定初始變形溫度和擠壓速度，并且通過實(shí)驗(yàn)得以驗(yàn)證。Li等[13]分析了擠壓過程中管材的最大應(yīng)力分布，確定了合適的載荷。Li等[14]通過有限元法研究了AZ31鎂合金X形輪廓擠壓過程，分析了擠壓速度和變形溫度對(duì)擠壓力的峰值的影響。Zhang等[15]通過有限元模擬方法研究了AZ31鎂合金等溫?cái)D壓工藝，基于比例-積分-微分控制原理建立了一個(gè)等溫?cái)D壓工藝模型。

本文旨在通過熱壓縮實(shí)驗(yàn)得到AZ31鎂合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進(jìn)而獲得動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合擠壓工藝模擬， 預(yù)測(cè)擠壓過程中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶轉(zhuǎn)變。

1 實(shí)驗(yàn)與有限元模型

本文所用材料為AZ31鎂合金半連續(xù)鑄錠，在420 ℃均勻化退火20 h。通過輝光放電光譜儀測(cè)得其化學(xué)成分見表1。擠壓實(shí)驗(yàn)采用了800噸擠壓機(jī)。本實(shí)驗(yàn)擠壓模具由H13模具鋼制成，鑄錠的直徑為110 mm，長度為200 mm。無縫鎂管內(nèi)徑和外徑分別是23 mm和32 mm。擠壓筒直徑為125 mm，擠壓比為27.5。鑄錠和擠壓模具的初始溫度分別是300、400 ℃和250、350 ℃。擠壓桿速度為0.5 m/min。工件和模具材料的物理性質(zhì)見表2[16-17]。熱壓縮實(shí)驗(yàn)通過Gleeble-3500熱模擬完成，在4個(gè)不同的溫度(300、350、400、450 ℃)與3個(gè)不同的應(yīng)變比(0.01、0.1、1 s-1)下進(jìn)行。壓縮工件沿著鑄錠擠壓方向被切割，工件直徑和高度分別是10 mm和15 mm，變形量體積分?jǐn)?shù)60%。真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。

表1 AZ31 鎂合金化學(xué)成分

用Defrom-2D軟件進(jìn)行有限元分析。工件和模具的示意圖和有限元模型如圖2所示，模型是軸對(duì)稱的，擠壓模具由推桿、模具和芯軸組成。模具模型是熱剛塑性的，不劃分網(wǎng)格。在出口處的工件網(wǎng)格細(xì)化，網(wǎng)格最小為0.3 mm，工件模型被認(rèn)為是熱粘塑性。采用剪切式摩擦模型，工件與模具的摩擦系數(shù)是0.4。擠壓的管材沿著平行于擠壓方向切割試樣，并拋光和腐蝕，進(jìn)行金相實(shí)驗(yàn)。

表2 工件與模具的物理性能

圖1 AZ31鎂合金在不同變形溫度和應(yīng)變比的流變曲線Fig.1 Flow curves of the AZ31 magnesium alloy under different deformation temperatures with strain rates

a示意圖 b有限元模型 圖2 工件和模具的示意圖和有限元模型Fig.2 Schematic diagram and FEM model of the workpiece and tools

2 結(jié)果和討論

2.1動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型建立

如圖1所示，流動(dòng)應(yīng)力隨著溫度的降低顯著增大，并且隨應(yīng)變率的增加而逐漸增大。采用Arrhenius公式(1)描述溫度、應(yīng)變率和流動(dòng)應(yīng)力之間的關(guān)系，并建立Z參數(shù)與流動(dòng)應(yīng)力之間的關(guān)系(2)[18]。

(1)

(2)

式中，A(s-1)，α(MPa-1)分別是材料常數(shù)；R是氣體常數(shù)(8.314 J·mol-1·K-1)；n和Q是應(yīng)力指數(shù)和激活能，是表征變形難易度的重要物理參數(shù)；T是絕對(duì)溫度(K)；σ是給定應(yīng)變的最大流動(dòng)應(yīng)力(MPa)。本文采用線性回歸分析方法計(jì)算各個(gè)參數(shù)，其中α值為0.015 96 MPa-1，Q值為266.120 kJ/mol，n值為7.7，A為3.528 5×1019，最后把A，α，n,Q帶入到公式1，可得：

(3)

在熱變形條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線反映動(dòng)態(tài)再結(jié)晶轉(zhuǎn)變，采用Avarami 方程描述動(dòng)態(tài)再結(jié)晶轉(zhuǎn)變的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。當(dāng)應(yīng)變率是常數(shù)時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶轉(zhuǎn)變的體積分?jǐn)?shù)可以用應(yīng)變的函數(shù)來表達(dá)，即：

(4)

式中，K和n是材料常數(shù)，εc是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶初始狀態(tài)的臨界應(yīng)變，ε*是軟化率最大時(shí)的應(yīng)變。材料常數(shù)k和n可通過θ(θ=dσ/dε，應(yīng)變硬化率)和σ的關(guān)系擬合得出。本文中，n=1.1854,k=1.3165，因此動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)規(guī)律為：

(5)

εc值和ε*值分別被描述為無量綱參數(shù)函數(shù)，Z/A：

|εc|=0.0660(Z/A)0.0584；

(6)

|ε*|=0.0970(Z/A)0.1562。

(7)

2.2無縫管熱擠壓的有限元模擬

基于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型和擠壓參數(shù)，對(duì)AZ31鎂合金無縫管熱擠壓過程進(jìn)行有限元分析。擠壓溫度是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，直接影響擠壓管動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)。圖3顯示了擠壓溫度對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的影響。從圖中可以看出，在300 ℃的低擠壓溫度以及0.5 mm/s的擠壓速度下(圖3a)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶并不能完全進(jìn)行，在變形管中再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)為95%。當(dāng)溫度升高時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)增加，最終接近100%(圖3b)。

a 300 ℃, 0.5 mm/s; b 400 ℃, 0.5 mm/s。圖3 不同擠壓條件下動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的分布Fig.3 Distribution of dynamic recrystallization volume fraction under different extrusion conditions

圖4顯示了在不同擠壓條件下擠壓管垂直擠壓方向的微觀組織，晶粒尺寸均勻，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)接近100%。這是接近預(yù)測(cè)結(jié)果的，因此動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型對(duì)半連續(xù)鑄造AZ31鎂合金的擠壓過程的模擬是有效的。

a 300 ℃, 0.5 mm/s;b 400 ℃, 0.5 mm/s。圖4 不同擠壓條件下擠壓管的微觀組織Fig.4 Microstructures in the extruded tubes under different extrusion conditions

3 結(jié)論

在本文中，基于熱壓縮實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，建立了半連續(xù)鑄造AZ31鎂合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型。AZ31鎂合金無縫管擠壓過程中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶轉(zhuǎn)變通過建立模型的熱力耦合有限元法和實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行模擬，并且將預(yù)測(cè)的微觀組織結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果相比較。

(1)隨著擠壓溫度的升高，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行得更充分，所以動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的體積分?jǐn)?shù)增加。無縫管擠壓過程的溫度應(yīng)該高于300 ℃。

(2)預(yù)測(cè)的擠壓后的微觀組織與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分吻合，進(jìn)一步證實(shí)了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型的有效性和可行性。

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Numerical simulation study on dynamic recrystallization of AZ31magnesium alloy during seamless tube extrusion

ZHUANG Hai-hua1，YANG Zhu1*，LIU Yun-teng1,2，ZHOU Ji-xue1,3, MA Bai-chang1, WANG Jin-wei1

(1. Advanced Materials Institute，Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China; 2. Shandong Provincial Key Laboratory of High Strength Lightweight Metallic Materials (in preparation), Advanced Materials Institute ，Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China; 3. Shandong Engineering Research Center for Lightweight Automobiles Magnesium Alloys, Advanced Materials Institute ，Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China)

TG146.2

A

1002-4026(2017)05-0045-05

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.05.008

2017-05-04

山東省自然科學(xué)基金(ZR2017PEE007)

莊海華(1977—)，男，助理工程師，研究方向?yàn)殒V合金加工。

*通信作者, 楊柱(1990—)，男，碩士，研究方向?yàn)殒V合金加工。 E-mail:191852811@qq.com