ZK60合金多道次ECAP晶粒組織模擬和實驗分析

于彥東， 初德勝

(哈爾濱理工大學 材料科學與工程學院， 哈爾濱 150040)

鎂合金作為目前密度最小的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，但鎂合金較差的塑性變形能力，嚴重制約著它的應(yīng)用，如何提高鎂合金的低溫塑性成為材料學者研究的熱點。

20多年來，等通道角加工(ECAP)被公認為一種生產(chǎn)超細晶坯料的最流行和有效的方法。該技術(shù)對很多金屬和合金都能達到有效的強化作用。鎂合金由于其低密度(1.74g/cm3)和高比強度，在許多科技設(shè)備選材上，尤其是在自動化工業(yè)領(lǐng)域，都引起人們的注意。ECAP不但能細化鎂合金的晶粒，增強它們的機械性能，而且能提高它們在高溫下的成型性能。國內(nèi)外一些學者在這些方面進行了大量研究[1-3]。采用不同的工藝參數(shù)，ECAP加工后得到的試樣性質(zhì)也不同。研究結(jié)果表明，模具結(jié)構(gòu)、擠壓速度、擠壓溫度、背壓大小都對ECAP加工材料性質(zhì)有重要影響[4]。

本文通過實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，利用有限元數(shù)值模擬軟件預(yù)報ZK60合金四道次ECAP試樣變形過程中晶粒尺寸的變化趨勢。并通過四道次ECAP實驗分析晶粒尺寸變化規(guī)律。

1 ECAP有限元模擬設(shè)定

模擬ECAP過程所用的模具實體圖主要由擠壓桿、凹模和背壓頂桿3個元件組成，如圖1所示。擠壓模具的擠壓入口通道和背壓出口通道的直徑為Φ10mm，等通道的夾角為90°，模型中的凹模包含了4條彎曲的90°等通道。模擬中試樣選用的網(wǎng)格劃分數(shù)為18000，凹模的網(wǎng)格數(shù)為200 000，擠壓桿的網(wǎng)格數(shù)為20 000，背壓頂桿的網(wǎng)格數(shù)為12 000，除試樣材料為ZK60鎂合金外，模具3個元件所采用的材料均為H13鋼。試樣由擠壓桿沿著擠壓方向推入ECAP模具入口，擠壓溫度為200℃、擠壓速度為2mm/s、背壓強度為40MPa。在模具出口通道施加一個背壓。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

數(shù)值模擬完成后進入有限元軟件后處理模塊，得到組織模擬結(jié)果圖片。四道次ECAP變形過程模擬完成后的試樣如圖2a) 所示，在DEFORM-3D的顯微組織模擬模塊中沿著第一至四道次的通道處對其進行剖分，分別在每個擠壓道次剖分面的中心部位取點，依次為P1、P2、P3、P4點，如圖2b)、2c) 所示，然后對這4個點進行點跡追蹤與組織演變模擬。

圖1 有限元模擬ECAP模具實體圖

圖2 組織模擬點跡追蹤

第一至四道次ECAP變形后的顯微組織模擬結(jié)果如圖3所示，模擬中設(shè)置的擠壓前的初始平均晶粒尺寸與實驗所用材料的初始平均晶粒尺寸一致為16.5μm。可以看出，經(jīng)過一道次擠壓后，P1點處平均晶粒尺寸能達到2.3μm，如圖3a)所示，S.D.指數(shù)所代表的有效應(yīng)變概率值為0.91，晶粒得到顯著細化。第二道次擠壓后，P2點處的平均晶粒尺寸為1.98μm，如圖3b)所示，S.D.指數(shù)所代表的有效應(yīng)變概率值為0.36，晶粒進一步得到細化，但細化效果不如第一道次那么顯著，這一點從S.D.指數(shù)率降低就能明顯看出。

經(jīng)過三道次擠壓后，P3點處平均晶粒尺寸能達到1.63μm，如圖3c)所示，S.D.指數(shù)所代表的有效應(yīng)變概率值為0.30，晶粒得到進一步的細化，但細化效果仍不顯著，S.D.指數(shù)再度降低。經(jīng)過四道次ECAP變形后，P4點處晶粒尺寸再度細化，平均晶粒尺寸能達到1.35μm，如圖3d)所示，S.D.指數(shù)所代表的有效應(yīng)變概率值為0.27，S.D.指數(shù)再次降低，細化效果也進一步降低。

通過分析組織模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然連續(xù)多道次ECAP可以積累應(yīng)變，使晶粒尺寸持續(xù)降低，但隨著擠壓道次的增多再結(jié)晶率也在降低，發(fā)生再結(jié)晶的晶粒分數(shù)在減小，擠壓到四道次時盡管晶粒還有所細化，但細化效果已經(jīng)不是那么明顯，此時擠壓所發(fā)揮的主要作用是使大小晶粒尺寸差距減小，從而使組織均勻度提高。組織模擬分析結(jié)果表明：晶粒細化效果隨著擠壓道次的增多在逐步降低，即試樣變形的劇烈程度在隨著擠壓道次的增多而降低。

圖3 第一至四道次顯微組織模擬示意圖

3 ZK60合金四道次ECAP實驗

實驗原材料選擇牌號為ZK60的擠壓鎂合金棒材，化學成份如表1所示。

表1 ZK60合金的化學成分 /%

ZK60擠壓態(tài)鎂合金棒材的直徑為Φ45mm，在其心部取材，并加工成幾何尺寸為直徑Φ10mm，長35mm的圓柱形試樣。實驗所用的ZK60擠壓態(tài)鎂合金棒材的平均晶粒尺寸為16.5μm。ECAP模具材料選用工具鋼(X38CrMoV51)，其強度為48～49HRC。等通道模具幾何尺寸為直徑10mm的圓形截面。水平通道要施加背壓。Instron 8502擠壓機可以提供的擠壓力最大為200kN。ECAP的擠壓溫度為200℃，擠壓速度為2mm/s，使用二硫化鉬作為潤滑劑。在擠壓機上采用BC路徑進行下一次擠壓，直至完成四道次ECAP為止。如圖4所示，將試樣與背壓頂桿接觸的部位定義為頭部，與擠壓桿接觸的部位定義為尾部。

圖4 ECAP實驗?zāi)＞?/p>

4 實驗結(jié)果分析

擠壓溫度為200℃，對ZK60鎂合金試樣進行四道次ECAP實驗。不同道次頭、尾部金相組織如圖5所示(見參考文獻后)。可以看出，一道次頭部平均晶粒尺寸為1.8μm，尾部為2.7μm；二道次頭部平均晶粒尺寸為1.6μm，尾部為2.3μm；三道次頭部平均晶粒尺寸為1.5μm，尾部為1.9μm；四道次頭部平均晶粒尺寸為1.4μm，尾部為1.6μm。由此可見，一、二、三道次ECAP變形后試樣頭部和尾部晶粒尺寸不均勻，尾部組織中存在較多的粗大晶粒，甚至一些晶粒被拉長成條帶狀。這表明，頭部和尾部細化程度不一致，頭部細化程度高于尾部， 四道次ECAP變形后試樣頭部和尾部晶粒尺寸相差不大，細化程度基本一致，無明顯差別。將實驗結(jié)果與模擬結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)二者在平均晶粒尺寸大小方面基本吻合。

隨著擠壓道次增多，頭、尾部細化程度不一致的現(xiàn)象得到明顯改善，觀察結(jié)果表明，在變形過程中大、小晶粒混雜分布的再結(jié)晶組織有著向等軸細晶演變的趨勢，會出現(xiàn)粗大晶粒縮小，細小晶粒長大的現(xiàn)象，最終會產(chǎn)生組織均勻性較好，不存在晶粒大小明顯差距的組織。

組織中存在明顯被拉長成條帶狀的晶粒所對應(yīng)的再結(jié)晶機制為晶粒機械破碎及晶界遷移、亞晶粗化的混合機制。這種再結(jié)晶機制的原理為：在大變形條件下，晶粒會被拉長，如果再受到?jīng)_擊載荷的作用，被拉長的亞晶會逐漸破碎成細小的再結(jié)晶核心，而這種再結(jié)晶核心一旦形成， 晶界遷移機制便開始起作用，最終會形成穩(wěn)定的再結(jié)晶晶粒[5]。

5 結(jié)語

(1) 組織模擬結(jié)果表明，雖然連續(xù)多道次ECAP可以積累應(yīng)變，使試樣的晶粒細化程度明顯減少，組織均勻度明顯提高。但隨著擠壓道次的增多再結(jié)晶率也在降低，發(fā)生再結(jié)晶的晶粒分數(shù)在減小。

(2)對一至四道次ECAP試樣金相組織觀察發(fā)現(xiàn)，試樣頭部和尾部晶粒尺寸不均勻，頭部細化程度高于尾部。隨著擠壓道次增加，大、小晶粒混雜分布的再結(jié)晶組織有著向等軸細晶演變的趨勢，最終會產(chǎn)生組織均勻性較好，不存在晶粒大小明顯差距的組織。將實驗結(jié)果與模擬結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)二者在平均晶粒尺寸大小方面基本吻合。

[1]路君, 靳麗, 董杰, 等. 等通道角擠壓變形AZ31鎂合金的變形行為[J].中國有色金屬學報, 2009, 03: 424-432.

[2]MCKENZIE P W J,LAPOVOK R,ESTRIN Y. The influence of back pressure on ECAP processed AA 6016: Modeling and experiment[J]. Acta Materialia, 2007, 55: 2985-2993.

[3]李繼忠, 丁樺, 趙文娟, 陳彥博. 數(shù)值模擬外轉(zhuǎn)角半徑及背壓對純鈦ECAP變形的影響[J]. 中國有色金屬學報, 2008, 12: 2178-2184.

[4]JANECEK M,POPOV M,KRIEGER MG,HELLMING RJ,ESTRIN Y. Mechanical properties and microstructure of a Mg alloy AZ31 prepared by equal-channel angular pressing[J]. Materials Science and Engineering, 2007, A 462: 116-120.

[5]于彥東,周浩. MB15合金等通道轉(zhuǎn)角擠壓晶粒組織模擬和實驗分析[J]. 中國有色金屬學報, 2011, 02: 296-302.

圖5 200℃一至四道次ECAP金相組織