純鎂粉末坯往復擠鐓的數值模擬及實驗研究

基金項目：國家自然科學基金資助項目（50974058）

作者簡介：陳振華（1945-），男，江西南昌人，湖南大學教授，博士生導師

摘要：采用DEFORM-2D有限元軟件對純鎂粉末多道次往復擠鐓塊體機械冶金過程進行有限元模擬，分析了往復擠鐓過程中的流場、應力場及應變場等相關場量變化規律模擬結果表明：擠壓段材料縱向流動，鐓粗段材料橫向流動，流速和流向的不一致形成強烈的交替剪切效應，且試樣的主變形區域處于三向壓應力狀態試樣的等效應變呈不均勻分布，但應變的均勻性隨著往復擠鐓道次的增加而有所改善3道次往復擠鐓實驗結果表明：試樣產生顯著的條帶狀組織，主變形區強烈的剪切力將原鎂粉表面的氧化物和其內部的孔隙破碎，形成強烈的致密效應，相對密度接近098，組織上達到了良好的冶金結合

關鍵詞：鎂粉末；往復擠鐓；數值模擬；冶金結合

中圖分類號：TG376.2文獻標識碼：A

鎂合金密度低，比強度和比剛度較高，阻尼減震效果佳，被廣泛應用于汽車、航空、航天和家電等領域而鎂的冶煉屬于高能耗型，且鎂合金產品的生產主要是以壓鑄和觸變性為主[1-2]，在成形過程中會產生大量的廢料如流道、澆道以及機加工的切削和邊角料等目前處理這些邊角廢料主要是采用重熔精煉法，缺乏安全性且成本高因此，發展固態回收鎂合金廢料的方法具有重要的意義近年來鎂合金固態回收技術得到了廣泛的研究[3-7]

日本東京大學研究開發出反復塑性加工的固態回收方法.該方法是將鎂合金切削料或粉末填充到模具內，經過單純的壓縮變形后再進行擠壓變形，兩種方式反復進行，使鎂合金粉末充分攪拌混合和均勻化，在不斷的反復過程中，粉末固化到一起，晶粒得到細化，最終得到具有微細組織的材料但通常這種方法是在常溫下多道次進行的，鎂合金粉末很難發生再結晶，其組織僅僅是機械結合在一起而并沒有達到冶金結合為了改善粉末制品的冶金質量，本文通過在往復塑性加工過程中引入一個溫度場，制定了一個往復擠鐓（CEU）的工藝，其變形過程示意圖如圖1所示但是往復擠鐓變形過程非常復雜，是一個涉及幾何非線性、材料非線性和邊界條件非線性的復雜問題

為此，針對上述問題，本文作者采用DEFORM2D有限元軟件模擬純鎂粉末坯的往復擠鐓塊體機械冶金過程，分析材料往復擠鐓過程中的流動行為、應力、應變等相關場量分布及變化規律，旨在為深入研究純鎂粉末坯往復擠鐓變形工藝提供理論指導和現實依據

1往復擠鐓有限元模擬

11粉末體材料的屈服準則限元列式

粉末體是一個非連續體，但是非連續介質力學的基礎目前還很不完善，因此目前還是將粉末材料視為“可壓縮的連續體”，采用連續體塑性力學理論來研究粉末的塑性變形

13模擬結果及討論

131流場

圖3所示為初始粉末坯往復擠鐓第1道次過程中的流場速度分布圖從圖3（a）～圖3（d）分別是不同階段的金屬流動速度場，其中，圖3（a），圖3（b） 為擠壓階段，圖3（c），圖3（d）為鐓粗階段.從圖3（a）可看出， 初始坯在頂模的壓力作用下開始發生常規正擠壓變形，材料縱向流動；頂模運行速度為1 mm/s，由于摩擦的存在，試樣內部出現了顯著的流速梯度，中心的流速高于表層的流速，約為27 mm/s.從圖3（b） 可看出，頂模運行至頸縮區上端面停止，擠壓結束.從圖3（c）可看出， 頂模固定在A處，底模以1 mm/s向上運行，試樣開始鐓粗，產生橫向分量的流動.從圖3（d）可看出， 隨著底模繼續運動，試樣繼續鐓粗并逐漸充滿整個型腔由此可以看出，試樣完成擠鐓1個道次過程中，試樣內部產生了交替的縱向和橫向流動，有利于促進材料的均勻變形

（a） 擠壓開始

（b） 擠壓結束

（c） 鐓粗開始

（d） 鐓粗結束

132應力場

圖4所示為試樣往復擠鐓第1道次過程中的等效應力分布圖其中圖4（a）為擠壓階段；圖4（b）為鐓粗階段由圖4可以看出，試樣的擠壓段和鐓粗段都具有強烈的剪切區強烈的剪切力能有效破碎粉末顆粒表面的氧化物及內部孔隙，形成新生的顆粒表面，有利于促進粉末多孔材料的致密化從而達到冶金結合另外，由圖4（c），圖4（d）還可以看出，在往復擠鐓過程中，試樣的主變形區域受到三向壓應力，有效抑制裂紋的萌生，這對發揮粉末多孔材料的塑性成形是非常有利的

133應變場

圖5所示為試樣往復擠鐓第1道次的等效應變分布圖由圖5（a），圖5（b）可知，試樣的等效應變量由表及里逐漸減小，從中心向兩端也逐漸減小由于材料在流動過程中要受到周圍對其的阻礙作用，而在模壁附近的材料在流動中受到的摩擦阻力最大，因此等效應變量最大而鐓粗段試樣中心區域由于受到較大的靜水壓力作用，也獲得了較大的等效應變量（見圖5（b））由圖5（c），圖5（d）可以看出，經過往復擠鐓3道次后，由于較高的累積塑性應變量，試樣均勻應變區的長度有所增加由此表明隨著往復擠鐓道次的增加，試樣內部的均勻變形性有所改善[15]

（a） 擠壓階段開始

（b） 鐓粗階段開始

（c） 擠壓階段結束

（d） 鐓粗階段開始

2往復擠鐓實驗

實驗所用初始粉末為純鎂切削廢料，如圖6所示，初始鎂粉末的粒度在150 μm左右，采用石墨機油潤滑以減小摩擦，在室溫下壓實，然后在300 ℃下經機械壓制成圓柱形壓坯，試樣尺寸為Φ120 mm

×50 mm變形前將模具與試樣均預熱至450 ℃，保溫05 h，使試樣受熱充分均勻，本實驗在630 t的四柱液壓機上進行圖7所示為往復擠鐓1道次試樣的光學顯微組織，從圖7可以看出，試樣內部存在少量微孔隙

圖8所示為往復擠鐓3道次試樣的光學顯微組織，由圖8（a）可以發現清晰的擠壓變形流線和條帶組織，擠壓階段，試樣產生正擠壓變形，顆粒沿軸向方向拉長由圖8（b）可以看出，鐓粗階段，顆粒沿徑向方向壓縮試樣在反復的擠壓剪切和鐓粗壓縮過程中，試樣內部的孔隙得到有效的破碎，加速試樣的致密而鎂在空氣中容易氧化，鎂粉表面生成的氧化層將會阻礙粉末間的結合與進一步的致密[16]由圖8（b）還可以看出，顆粒表面的氧化層在強烈的剪切作用下被擠出變細并形成了外加的第二相均勻分布在顆粒界面上[17]，而新生的顆粒界面逐漸微細化并在鐓粗過程強烈的壓力作用下焊合在一起，形成顆粒間的“吞噬”現象，出現了顆粒的部分長大試樣往復擠鐓3道次，由于塑性應變量的累積，獲得了較高的累積應變量從而更進一步促進了組織的致密經排水法測得試樣的相對密度達到098，已接近完全致密，達到冶金結合的效果

（a）擠壓階段

（b）鐓粗階段

3結論

1）純鎂粉末多道次往復擠鐓塊體機械冶金是擠壓與鐓粗變形的循環交替結合過程，總是存在一對剪切力該剪切力能有效地破碎粉末顆粒表面的氧化層與其內部孔隙，形成新生的表面，在壓力作用下，新生的表面重新焊合在一起，從而促進組織的致密

2）試樣往復擠鐓過程中，擠壓階段等效應變量由表及里逐漸減小；鐓粗階段由中心向兩端逐漸減小，隨著擠鐓道次的增加，其應變均勻性得到有所改善

3）往復擠鐓工藝強烈的交替剪切效應對粉末多孔材料具有強烈的致密效果，能極大的焊合內部孔隙純鎂粉末多孔材料在450 ℃往復擠鐓3個道次后，相對密度達到098，接近完全致密，達到冶金結合的效果

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