工藝參數對AZ31鎂合金往復擠壓過程的影響

劉 君，郭學鋒，張忠明，葉永南

（1西安理工大學 材料科學與工程學院，西安710048；2河南理工大學 材料科學與工程學院，河南 焦作454000）

工藝參數對AZ31鎂合金往復擠壓過程的影響

劉 君1，郭學鋒2，張忠明1，葉永南1

（1西安理工大學 材料科學與工程學院，西安710048；2河南理工大學 材料科學與工程學院，河南 焦作454000）

鎂合金密度小、比強度高，具有優良的導電性、導熱性、磁屏蔽性、減振性，在航空、航天、電子信息產品及汽車工業等領域具有極其重要的應用價值和廣泛的應用前景。但由于鎂合金的層錯能低，獨立滑移系少，其塑性變形能力和協調能力較差，在一定程度上限制了鎂合金的應用，因而迫切需要對制備集優異的強度與良好的塑韌性于一體的鎂合金材料的方法展開深入研究，促進鎂合金更為廣泛的應用。研究表明［1－5］，通過往復擠壓可細化晶粒，顯著提高鎂合金的強度和塑性變形能力。往復擠壓作為一種大塑性變形工藝，具有強烈的晶粒細化能力，通過將材料進行一次或多次累積反復的塑性變形，使其獲得相當大的累積應變，可有效細化晶粒、第二相雜質，并使它們重新均勻分布在基體中，從而提高材料的強度和塑性。往復擠壓工藝在影響鎂合金變形過程宏觀場變量的同時，進而對其組織演變和力學性能產生影響，如何合理優化往復擠壓工藝是實現晶粒細化，獲得良好組織性能的關鍵問題之一。為此本工作針對不同工藝參數下的AZ31鎂合金往復擠壓變形過程進行了剛黏塑性有限元熱力耦合數值模擬，研究了初始坯料溫度、擠壓速率和摩擦因數對往復擠壓過程中工件內等效應變、等效應力、溫度場的影響，為優化往復擠壓工藝參數和探索鎂合金往復擠壓的變形機制與組織演變提供理論依據。

1 往復擠壓的工作原理

往復擠壓集擠壓和壓縮于一體，其基本原理如圖1所示。由兩個擠壓筒、凹模和放置于擠壓筒內的沖頭組成，其中凹模型腔形成了兩端圓錐形緊縮區A區和中間細頸區B區，兩個擠壓筒截面積相等，在同一條軸線上，通過中間的凹模連接。擠壓過程中，試樣在一沖頭作用下到達緊縮區，發生正擠壓變形，經過B區流出的試樣在另一沖頭反向作用下發生鐓粗變形，金屬充滿凹模圓錐形緊縮區后兩沖頭以相同速率同時移動。然后，另一邊沖頭將試樣按上述過程反向壓回，完成一個往復擠壓過程，如此循環，直到獲得需要的變形量為止。往復擠壓過程中，推動坯料流經凹模的沖頭稱為主動沖頭，另一沖頭則稱為從動沖頭，在整個往復擠壓過程中主動沖頭和從動沖頭相互交替。坯料經過往復多次的擠壓和壓縮，使其獲得很大的累積應變，從而達到細化材料組織的目的，其累積應變量可按式（1）計算［6］。

式中：n為往復擠壓循環次數；d0為擠壓筒直徑；dm為凹模細頸區直徑。

圖1 往復擠壓原理示意圖Fig.1 The schematic diagram of reciprocating extrusion

2 往復擠壓過程數值模擬與可靠性驗證

2.1 有限元模型與模擬條件

對于往復擠壓過程，由于幾何結構、載荷的對稱性，為了節約計算時間，提高精度和效率，取結構的1/2建立有限元計算模型如圖2所示。往復擠壓坯料直徑為50mm，長度為50mm，坯料作為變形體，采用四節點四邊形等參單元對其進行離散化，單元數為220。

圖2 往復擠壓幾何模型Fig.2 Geometry model of reciprocating extrusion

坯料為AZ31鎂合金，其本構關系如式（2）所示［7］：

式中：σ為應力；ε為應變；為應變速率；T為絕對溫度。模擬時坯料的有關熱物理參數如下［8－11］：比熱容c＝0.2441＋0.000105T－2783T－2（kJ·kg－1·K－1）；密度ρ＝1.77×103kg·m－3；導熱系數λ＝96W·m－1·K－1；對流換熱系數k＝2.95W·m－2·K－1；接觸面換熱系數h＝7.5×103W·m－2·K－1。

模擬過程中忽略了沖頭、凹模和擠壓筒的變形，作為剛性接觸體，采用反正切摩擦模型來描述坯料與擠壓筒、凹模接觸邊界上的摩擦。

基于上述模型選取三組不同的工藝參數對AZ31鎂合金往復擠壓過程進行了熱力耦合有限元模擬，其模擬條件和具體方案如表1所示，模擬過程中模具溫度低于相應初始坯料溫度20℃。

表1 模擬條件與方案Table 1 Simulation conditions and projects

2.2 模擬可靠性驗證

物理模擬實驗是一種以相似理論為基礎與實驗密切結合的實驗科學。為了驗證有限元模擬的正確性與可靠性，進行了物理模擬實驗，采用彩色陶土塑泥作為模擬材料，將三種不同顏色的塑泥分層制坯后放入自制的模具中進行多道次往復擠壓，擠壓完成后，取出沖頭，用細絲沿著成形件的軸線方向進行剖分，觀察塑泥在不同區域的變形情況。將物理模擬實驗獲得的直觀實驗結果與有限元模擬結果進行對比如表2所示。表2中分別為物理模擬實驗下的塑泥流動狀態情況和通過有限元模擬獲得的往復擠壓過程中金屬流動速度場分布。通過對二者的比較，可以看出材料的流動變化是一致的，即中心軸部位的金屬材料的變形速度大，靠近凹模和擠壓筒內壁的金屬變形速度較慢，由內向外呈圓弧層狀分布。物理模擬實驗結果與有限元模擬結果的良好吻合，驗證了所建立的有限元模型的正確性以及往復擠壓過程模擬所得結果的正確性與可靠性。

表2 有限元模擬與物理模擬結果的對比Table 2 Result comparison of FEM simulation and physical modeling

3 往復擠壓過程的場變量分析

圖3所示為初始坯料溫度為350℃、模具溫度為330℃、擠壓速率為1mm/s、摩擦因數為0.2的工藝條件下第2道次變形80%時的場變量分布圖。可以看出速度場分布以凹模細頸區B區中心速度最大，到凹模B區內壁呈層狀遞減，貼近擠壓筒和凹模內壁處金屬流動速度很小，在從動沖頭一側的擠壓筒與A區交接處存在一流動“死區”，數值上其數量級為10－4，該處金屬幾乎處于靜止狀態。溫度場分布大致以B區中心為圓心，從高到低呈圓形向外擴散，在工件內形成溫度梯度，高溫區主要分布在B區中心區域。由于此區域金屬變形比較劇烈，變形熱效應溫升作用顯著，而且沖頭和擠壓筒對坯料冷卻溫降作用小，致使該區域溫度較高。大變形區主要集中在B區靠近凹模內壁處和從動沖頭一側A區中靠近圓錐形緊縮區內壁的區域。由于坯料受到主動沖頭作用經過B區流出后，受到從動沖頭反向作用而發生橫向流動，同時由于坯料與凹模內壁摩擦力的作用，使得該區域的變形較大。在靠近主動沖頭一側的A區與B區交接區域的應力較大。

圖3 第2道次變形80%時的場變量分布（a）速度場；（b）溫度場；（c）等效應變場；（d）等效應力場Fig.3 Distribution of field variable at 80%deformation in the second pass（a）velocity field；（b）temperature field；（c）equivalent strain field；（d）equivalent stress field

4 工藝參數對往復擠壓過程的影響

采用表1所示模擬方案，針對AZ31鎂合金在不同工藝參數條件下的往復擠壓過程進行了有限元熱力耦合數值模擬，研究表明［12］，擠壓速率、初始坯料溫度對往復擠壓過程中等效應變速率場、等效應變場分布的影響很小；在不同摩擦條件下，等效應變速率場、等效應變場、等效應力場以及溫度場的分布規律大體一致；但不同工藝參數均會影響到各場變量的大小，從而對往復擠壓過程產生影響。

4.1 擠壓速率的影響

圖4所示為初始坯料溫度為350℃、摩擦因數為0.2、不同擠壓速率對各道次往復擠壓變形80%等效應變速率、等效應變峰值的影響。從圖4可以看出，在各道次中，隨著擠壓速率的增大，等效應變速率峰值近似于呈直線增加，但等效應變峰值的變化很小。因而在往復擠壓過程中，不應通過提高各道次的擠壓速率來獲得大的應變，而應重點考慮通過適當增加往復擠壓次數，獲得較大的累積應變量。

不同擠壓速率對往復擠壓過程溫度場分布及大小均有一定的影響如圖5所示。隨著擠壓速率的增大，溫度分布越不均勻，位于細頸區B區的高溫區向從動沖頭方向偏移，且擠壓速率越高，偏移程度越大。其原因主要是由于擠壓速率增大，與擠壓筒相接觸的低溫區因受模具冷卻作用較小，且材料與擠壓筒的摩擦引起熱效應致使低溫區最小溫度變化很小；但隨著擠壓速率的增大，高溫區材料變形劇烈，產生大量的變形熱，且來不及通過模具向外傳遞熱量，導致高溫區最高溫度近似于呈直線上升趨勢如圖6所示，從而造成溫度場分布不均勻程度增大，同時高溫區向從動沖頭方向偏移。

圖6 擠壓速率對溫度峰值的影響Fig.6 Influence of extrusion velocity on the peak value of temperature

圖7所示為不同擠壓速率對各道次往復擠壓變形80%等效應力峰值的影響。隨著擠壓速率的增大，等效應力峰值先升后降。其原因是變形熱效應引起的軟化機制與變形加工硬化機制綜合作用的結果，擠壓速率較小時，由于塑性變形引起加工硬化效應使得應力峰值較高；隨著擠壓速率增大，變形熱效應增強，工件內溫度升高明顯，而較高的變形溫度有利于軟化機制的進行，致使動態再結晶等引起的軟化效應更為顯著，應力峰值有所下降，但仍高于擠壓速率最小時所對應的應力峰值。

圖7 擠壓速率對等效應力峰值的影響Fig.7 Influence of extrusion velocity on the peak value of equivalent stress

4.2 初始坯料溫度的影響

圖8所示為摩擦因數為0.2、擠壓速率為1mm/s、不同初始坯料溫度對各道次往復擠壓變形80%等效應變與等效應力峰值的影響。不同道次下初始坯料溫度對等效應變峰值的影響有所不同，第1道次中等效應變峰值隨初始坯料溫度升高而增大，而第2，3道次中等效應變峰值先增大隨后則變化不大，甚至有所下降。因而在往復擠壓過程中，通過提高初始坯料溫度獲取變形材料較大應變的效果并不顯著。等效應力峰值隨初始坯料溫度的升高呈直線趨勢迅速減小。這是因為隨著初始坯料溫度的升高，金屬原子動能增加，原子熱振動加劇，位錯的活動能力提高，晶間切變抗力降低，晶界的強度下降，晶界的滑移易于進行，滑移系增多，金屬容易流動；同時變形所需的激活能降低，回復和再結晶軟化機制容易進行，使得變形金屬的加工硬化得到一定程度的消除，金屬塑性較好，等效應力峰值下降。

圖8 初始坯料溫度對等效應變峰值（a）和等效應力峰值（b）的影響Fig.8 Influence of initial temperature of blank on the peak value of equivalent strain（a）and stress（b）

4.3 摩擦因數的影響

圖9所示為初始坯料溫度為350℃、擠壓速率為1mm/s、不同摩擦因數對各道次往復擠壓變形80%溫度、等效應變以及等效應力峰值的影響，摩擦因數對溫度峰值幾乎沒有影響。在第2，3道次擠壓過程中，當摩擦因數大于0.2后，等效應變峰值隨摩擦因數增大變化很小。等效應力峰值隨摩擦因數的增大而增大，這是由于工件與模具接觸表面的摩擦條件惡化，導致工件表層金屬的流動性下降，致使變形力增大。

圖9 摩擦因數對場變量峰值的影響（a）摩擦因數對溫度峰值的影響；（b）摩擦因數對等效應變峰值的影響；（c）摩擦因數對等效應力峰值的影響Fig.9 Influence of friction factor on the peak value of field variable（a）influence of friction factor on the peak value of temperature；（b）influence of friction factor on the peak value of equivalent strain；（c）influence of friction factor on the peak value of equivalent stress

5 結論

（1）在往復擠壓過程中，擠壓速率對等效應變峰值影響不大；隨著擠壓速率的增大，工件內溫度峰值直線上升，溫度分布不均勻程度增大，應力峰值先增大后有所下降。

（2）隨初始坯料溫度升高，等效應力峰值呈直線趨勢減小。在往復擠壓第1道次中等效應變峰值隨初始坯料溫度升高而增大，而第2，3道次中等效應變峰值先增大隨后則變化不大。

（3）摩擦因數對溫度峰值的影響很小，隨著摩擦因數的增大，等效應變峰值先上升然后趨于平穩，等效應力峰值增大，且增大幅度隨摩擦因數增大而減小。

（4）在往復擠壓過程中，初始坯料溫度的提高對獲取變形材料較大應變的作用不明顯，通過提高各道次的擠壓速率來獲得大的應變非但不顯著，還會造成坯料內溫度分布不均勻且應力較大，影響所制備材料的組織均勻性。應重點考慮通過適當增加往復擠壓次數，來獲得較大的累積應變量，有效消除材料初始組織的各種缺陷，從而獲得細小、等軸的細晶材料。

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Influences of Processing Parameters on Reciprocating Extrusion Process of AZ31Magnesium Alloy

LIU Jun1，GUO Xue－feng2，ZHANG Zhong－ming1，YE Yong－nan1
（1School of Materials Science and Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China；2School of Materials Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，Henan，China）

運用剛黏塑性有限元法對不同工藝參數下的AZ31鎂合金往復擠壓過程進行了熱力耦合數值模擬，研究了不同初始坯料溫度、擠壓速率和摩擦因數對往復擠壓過程中等效應變、等效應力及溫度場的影響。結果表明：在往復擠壓過程中，擠壓速率對等效應變峰值影響不大，隨著擠壓速率的增大，工件內溫度峰值直線上升，溫度分布不均勻程度增大，應力峰值先增加后減小；隨著初始坯料溫度升高，等效應力峰值呈直線趨勢減小；摩擦因數對溫度峰值的影響很小，隨著摩擦因數的增大，等效應變峰值先增大然后趨于平穩，等效應力峰值增大，其增大幅度減小。

往復擠壓；工藝參數；AZ31鎂合金；數值模擬

The rigid visco－plastic finite element method was used for the study on the coupling thermalmechanical numerical simulation of reciprocating extrusion process of AZ31magnesium alloy.The influence of initial temperature of blank，extrusion velocity and friction factor on the equivalent strain，equivalent stress and temperature field of reciprocating extrusion process was investigated.The results show that the extrusion velocity has little effect on the peak value of equivalent strain，with the increasing of the extrusion velocity，the peak value of temperature within the workpiece ascends linearly，the temperature distribution becomes more inhomogeneous，while the peak value of stress first increases and then decreases.With the increasing of initial blank temperature，the peak value of equivalent stress decreases linearly；and the friction factor has little effect on the peak value of temperature；with the increasing of friction factor，the peak value of equivalent strain first increases and then remains stable，and the peak value of equivalent stress increases with decreasing amplitude.

reciprocating extrusion；processing parameter；AZ31magnesium alloy；numerical simulation

TG376

A

1001－4381（2012）05－0070－06

教育部博士點基金（20070700003）；河南省科技攻關項目（102102210031）；陜西省科技計劃項目（2010K10－08）；河南省教育廳自然科學項目（2010A430008）

2011－03－29；

2011－11－15

劉君（1976－），女，博士研究生，講師，從事塑性成形技術及數值模擬研究工作，聯系地址：陜西省西安市金花南路5號西安理工大學材料學院（710048），E－mail：xixyu@163.com