數值模擬對鎂合金擠壓的優化

劉麗琴 葉永南

摘 要：鎂合金的優點在于它有跟鋼一樣的強度和硬度，但重量卻比鋼輕得多，跟塑膠很接近，且具有良好熱傳導能力。正由于它具有密度小、強度高、剛性好的優點，使其在工業和日常生活中占據了重要的位置。文章采用剛粘塑性有限元法對AZ31鎂合金的擠壓成形過程進行數值模擬。并分析其過程中各種場變量的分布及變化，研究不同工藝參數對場變量分布的影響，揭示鎂合金擠壓成形規律。

關鍵詞：鎂合金；數值模擬有限元法；擠壓；成形

1 相關基礎理論及應用

有色金屬及鋼鐵等材料的生產工藝與零部件加工成型的基本方法有擠壓、拉拔等，同時擠壓和拉拔也是目前應用較為廣泛的粉末材料、金屬基復合材料等先進材料制備、加工的重要方法。擠壓是對位于容器或擠壓桶內的坯料施加外力，使變形后的金屬從擠壓模中流出（拔出），以獲得所需形狀及尺寸的常用材料塑性成型法，如圖1所示。

1.1 擠壓加工的特點

擠壓加工的主要研究對象是擠壓變形過程中應力應變狀態的變化情況，材料的流動和變形行為，擠壓后材料的的性能、加工工藝的多樣性以及成品率和成本等方面的特點。

擠壓加工工藝的優點：

擠壓制品組織均勻。細化晶?？梢愿纳平饘俨牧系慕M織結構，并能顯著的提高其力學性能，對于一些具有擠壓效應的鋁合金，淬火時效能夠明顯改善其縱向（擠壓方向）力學性能；

改善材料的塑變能力。擠壓變形區中的材料所處狀態為三向壓應力的應力場，利用變形區的材料受到了強烈的三向壓應力場的作用，充分發揮材料的塑韌性，得到大變形量的金屬材料；

生產靈活性大。擠壓加工具靈活性大，適應性強，在同一臺設備上尺寸規格、生產形狀及種類不同的產品只需更換模具即可實現，而且模具易于維護，更換工模具的操作，對工人的要求不高，操作簡單、費時少、效率高；

擠壓加工工藝的缺點：

擠壓工模具的工作條件惡劣、工模具損耗大。擠壓時坯料處于不等三向壓力狀態，應變狀態為延軸向伸長，模具承受的壓力很高，這極大的影響了模具的強度，同時，熱擠壓時模具通常還要受到高溫、劇烈的摩擦作用，以上情況都會對模具的使用壽命造成不同程度的影響；

制品性能不均勻。擠壓時，金屬會出現流動不均勻的現象，這種現象會導致制品的表面與中心、頭部與尾部出現組織性能不均勻，擠出材料的末端易開裂，在無潤滑正向擠壓時這種現象尤為嚴重；

生產效率較低。除連續擠壓法外，其他的一些常用擠壓方法，都無法進行連續生產。一般情況下，制品的擠壓速度遠小于制品的軋制速度，而且擠壓生產過程中會產生較大的成品損耗，其成品率也較低。

1.2 擠壓時工件的微觀組織及性能和材料的流變特點

擠壓變形過程中材料的流動行為的研究具有重要意義。擠壓制品的組織性能、尺寸形狀、表面質量、和制品精度、成品率、擠壓模的設計制造、擠壓工藝流程等因素，均與金屬材料的塑性變形過程有緊密的聯系。

解析法和實驗法等方法是研究擠壓變形過程中金屬流動行為的重要方法。解析法主要有滑移線法、以上限法為代表的能量法、有限單元法等；實驗法有坐標網格法、視塑性法、高低倍組織法、云紋法、光塑性法等。這些方法適用于不同的具體研究對象，同時具有其他方法無法比擬的一些特點。

2 基于AZ31鎂合金有限元模型分析

AZ31 鎂合金具有良好的強度、塑性和耐蝕綜合性能，而且價格較低。AZ31 鎂合金主要通過軋制、擠壓和鍛造等變形方式加工成型，制成各類棒、桿、型材和管材。其典型的室溫力學性能見表1。

表1 AZ31室溫力學性能表

合金材料的高溫變形行為是其微觀變形機制及變形過程中組織結構演變的宏觀反映。材料的變形溫度、變形速率、變形程度以及內部微觀組織結構等因素都會對材料高溫變形行為產生一定的影響。材料的流動曲線反應了溫度、應力、應變和應變速率之間的關系，本文擬對鑄態均勻化后的AZ31鎂合金高溫流變行為進行研究，由于有限元模擬能夠準確的模擬和預測該合金的流動行為，如應力、應變、溫度分布等，故該模擬法可以使物理模擬成形過程的時間大為降低，本文采用材料對熱力學參數變化的動態響應的本構方程來對材料的變形溫度、應力與應變等加工參數之間的關系進行模擬。有關AZ31鎂合金熱物理-熱擠壓參數如表3所示。

表3 鎂合金熱擠壓的物理參數

圖2 不同初始坯料溫度下場變量分布圖

由圖2不同初始坯料溫度下的場變量分布分布圖可知，當形變溫度和應變速率一定時，應力隨應變的增加而逐漸增大，當真應變達到一定值時，真應力出現了穩態流變的特性。隨變形溫度的升高，AZ31鎂合金的流變應力逐漸減小，隨應變速率的提高，其流變應力又逐步增大，不同初始坯料溫度對等效應變速率的分布狀況影響不大，由溫度影響應變速率峰值的各個曲線得出，隨著初始坯料溫度升高，第3道次的等效應變速率峰值先呈現逐步上升趨勢然后又逐漸下降。結果表明，當初始坯料溫度高于330℃時，工件的變形劇烈程度隨坯料溫度的上升而逐漸減弱。1、2道次變形量為80%時，會先達到一個峰值（此時坯料初始溫度為 300℃），然后又出現下降趨勢，而在坯料初始溫度大于 330℃時，變形劇烈程度又隨坯料初始溫度的上升而增加。

3 結束語

通過熱模擬分析、有限元數值模擬、擠壓加工實驗、加工過程中參數的測定及 AZ31鎂合金空心型材的組織和性能分析，可以得出以下結論：

3.1 AZ31合金高溫流變應力模型能對復雜制品的擠壓加工過程進行模擬，在變形溫度和應變速率一定的情況下，應力隨應變的增加而逐漸增大，而當真應變超過一定值后，真應力出現了穩態流變的特性。

3.2 熱擠壓過程后，由電子通道褊度技術分析可知，工件的變形溫度升高，變形樣品的晶粒度呈現逐增長的趨勢，隨變形速率增大，變形樣品的晶粒度逐漸減小。

3.3 SEM-ECC成像技術制樣方法簡單，是一種觀察AZ31鎂合金顯微組織的有效手段，此方法在變形態鋁合金樣品的分析中有著良好的應用前景。

參考文獻

[1]J.Llorca，C.González.Microstructural factors controlling the strength and ductility of particle-reinforced metal-matrix composites [J].the Mechanics and Physics of Solids，1998，46（1）：1.

[2]張文龍.SiC/A1復合材料大應變變形和再結晶[D].哈爾濱.哈爾濱工業大學，1999.

[3]賈玉璽.擠壓加工對SiCp/A1復合材料組織和性能的影響[J].塑性工程學報，2000.7（4）：5-7.