AZ31鎂合金方管擠壓成型的數值模擬

孫穎迪，李光振，陳秋榮

(中國科學院上海微系統與信息技術研究所輕合金技術工程中心，上海 200050)

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AZ31鎂合金方管擠壓成型的數值模擬

孫穎迪，李光振，陳秋榮

(中國科學院上海微系統與信息技術研究所輕合金技術工程中心，上海 200050)

摘要：基于AZ31鎂合金熱壓縮真應力-真應變曲線，計算得到了流變應力方程，分析了合金壓縮變形后的顯微組織，并用HyperXtrude有限元分析軟件對AZ31鎂合金方管擠壓成型進行了數值模擬，最后進行了試驗驗證。結果表明：AZ31鎂合金的流變應力隨變形溫度的升高而減小，并在350 ℃以上較快達到穩態，易于加工成型；熱壓縮變形后合金中的孿晶組織隨溫度的升高有所減少，且晶粒不斷長大，在高應變速率時由于動態再結晶不充分，晶界附近形成類似“項鏈”狀的細小晶粒組織；有限元模擬分析發現方管角部金屬流速低于中心位置，在HyperStudy中經工作帶優化后流速分布均勻，采用優化設計的模具擠壓生產出了合格的AZ31鎂合金型材。

關鍵詞：AZ31鎂合金；熱壓縮；擠壓成型；數值模擬

0引言

圖1　AZ31鎂合金在不同溫度和應變速率下的真應力-真應變曲線Fig.1　True stress-turestrain curves of AZ31 magnesium alloys at different deformation temperatures and strain rates

鎂合金作為密度最小的金屬結構材料，具有比強度高以及散熱性好等優點，被譽為“21世紀最具開發和應用潛力的綠色工程材料”，在航空航天、汽車、通訊與電子工業領域有著廣闊的應用前景[1-2]。目前，鎂合金的成型多以模鑄、壓鑄以及半固態成型為主，但鎂與其它元素在結晶時分布的不均勻性導致鎂合金鑄件常伴有成分偏析以及力學性能偏低等缺陷，限制了其應用進程。在鑄造成型后進行塑性變形能很好地彌補鎂合金的上述缺陷，大幅度改善其強度與塑性。其中，擠壓成型以其型材的高精度、高性能及低的表面粗糙度等優勢被廣泛接受；空心型材則以其顯著的低耗材性，同時滿足了產品輕量化的結構使用要求，相比實心型材具有更明顯的技術經濟價值。然而，空心鎂型材分流模具固有的結構復雜性使試模周期普遍偏長，試模成本較高[3-4]。

數值模擬是依靠計算機并結合有限元等各類算法建立數學模型，模擬解決工程或物理問題的一種方法，它大大減少了昂貴的現場試模成本，提高了工模具設計效率，在材料加工領域的應用日益廣闊[5-6]。易杰等[7]用Flow-3D對ADC12鋁合金門內板擠壓鑄造過程進行了有限元分析，對模具溫度、澆注溫度以及壓機速度等工藝參數進行了優化，生產出良好的制件；王冠等[8]根據6063鋁合金型材的尺寸超差有限元分析，通過添加阻流塊的方式改善了金屬流速，優化了模具結構；王春燕等[9]通過Ansys有限元軟件對TB8鈦合金半球的拉深成形和超塑性氣脹成形過程進行模擬，獲得了最佳的半球成形工藝。然而，縱觀文獻報道，目前關于AZ31鎂合金擠壓成型與模具優化的研究仍相對較少，基于ALE算法的有限元軟件HyperXtrude(HX)的應用也較為匱乏。為此，作者基于對AZ31鎂合金熱壓縮行為的分析，構建了流變應力方程，并以典型的鎂合金方管為研究對象，利用HX軟件對方管的擠出成型過程進行模擬，并通過引入能夠表現型材出口處截面速度均勻性的目標函數與HyperStudy模塊優化擠壓模具工作帶尺寸，為后期復雜型材的模具設計提供重要依據。

1試驗方法與結果

1.1　試驗方法

試驗材料為AZ31鎂合金，制成φ10 mm×15 mm的圓棒試樣，采用Gleeble3500型熱力模擬試驗機在不同的溫度(250，300，350，400，450，500 ℃)下進行應變速率為0.001，0.01，0.1，1，10 s-1的單向熱壓縮變形試驗并記錄試樣的真應力-真應變曲線。高溫壓縮后的試樣水冷后用300#～1000#砂紙逐級打磨后拋光，并用草酸醋酸溶液腐蝕，用Leica DM2500型光學顯微鏡觀察其顯微組織。

1.2　應力-應變曲線與顯微組織

由圖1可以看到，試樣在壓縮變形過程中，其流變應力隨變形溫度的升高而減小。這是由于溫度升高，會開啟更多的滑移系，使試樣的塑性變形能力增強，變形抗力減小，且溫度升高后試樣內部的動態回復與動態再結晶更容易，故應力的峰值隨溫度升高而降低。流變應力的變化與試樣在變形過程中發生加工硬化與動態再結晶密切相關，變形初始階段，位錯密度增加，加工硬化嚴重，動態再結晶僅部分發生，因此流變應力迅速上升；當應力達到峰值后，加工硬化與動態再結晶達到平衡，隨壓縮變形而進行的動態再結晶將更為充分，軟化作用加強，應力減至穩態。在350 ℃以上時流變應力能較快達到穩態，此時AZ31鎂合金能夠穩定變形，且變形抗力較低，材料易于加工成形。

由圖2可以發現，在變形溫度為250～350 ℃時，試樣晶粒內存在大量孿晶組織，如圖中箭頭所示。隨著溫度的升高，孿晶組織有所減少，這是由于溫度升高后鎂合金材料的塑性提高，加工硬化效應減小所致[11]。當溫度升至400～500 ℃時，晶粒內的孿晶組織基本消失；同時，隨著溫度的升高，晶粒尺寸逐漸增大，這是由于溫度升高使晶界擴散與晶界遷移能力增強，晶粒容易長大而粗化[12]。

圖2　應變速率為0.1 s-1時不同溫度壓縮變形后試樣的顯微組織Fig.2　Microstructures of the specimens after compression deformation at different temperatures and strain rate of 0.1 s-1

圖3　400 ℃時不同應變速率下壓縮變形后試樣的顯微組織Fig.3　Microstructures of the specimens after compression deformation at the temperature of 400 ℃ and different strain rates

由圖3可以看到，在400 ℃下，應變速率對晶粒尺寸有明顯影響。由于AZ31鎂合金在高溫下晶界強度較低，變形首先從晶界處開始，因此會在晶界處產生較大位錯密度，從而促使晶界及其附近區域首先發生動態再結晶[13]。當應變速率較低時，鎂合金的動態再結晶過程進行較充分，晶粒有足夠的時間長大，因此在晶界處觀察不到細小晶粒的存在；當應變速率較大時，由于變形時間短，動態再結晶過程進行并不充分，晶粒來不及長大，所以晶界處會出現許多細小的晶粒[14]，如圖3(e)所示，當應變速率達到10 s-1時，可以看到在晶界附近形成類似“項鏈”狀組織。

1.3　流變應力方程

金屬熱加工過程的流變應力方程通常可以表示為[15]：

(1)

由于典型的金屬熱加工流變曲線中會出現應力峰值和其后穩定的流變階段，此時狀態參量S是應變速率與變形溫度的函數，故流變應力方程可表示為：

(2)

Tegart和Sellars基于式(1)提出了雙曲線正弦修正的Arrhenius修正關系，能夠合理描述合金在整個變形溫度與應變速率范圍內的塑性變形行為，即：

(3)

式中：Q為變形激活能；n為應力指數；R為氣體常數，為8.314 J·mol-1·K-1；A和α為與材料有關的常數。

(4)

2有限元建模與模具結構

2.1　方管擠壓模具設計

圖4　AZ31鎂合金方管截面尺寸與模具三維示意Fig.4　Cross-section dimension of AZ31 magnesium alloy square tube(a) and three-dimension graph of the extrusion die:(b) plunger die and (b) bottom die

圖5　有限元分析模型Fig.5　Mesh of the finite element model

圖4(a)為AZ31鎂合金方管截面形狀與主要尺寸。由圖4(a)可以看到，該型材壁厚僅1 mm，橫截面積為54 mm2。圖4(b)和(c)分別為上模與下模的三維結構，上模外形尺寸為φ149 mm×66.5 mm，采用四扇形分流孔，下模為φ149 mm×57 mm，焊合室高度為14 mm，分流比為40。為強化金屬流動與焊合，將分流橋截面設計為水滴形。2.2有限元模型

將Unigraphics軟件中建立的模具三維模型導入到HyperXtrude有限元分析軟件，根據方管對稱性取1/8模型進行計算，幾何清理后劃分網格，如圖5所示。模型分為坯料、分流孔、焊合室、工作帶與出口型材五個部分，其中，工作帶與出口型材部分網格采用三棱柱單元，其他各部分網格采用四面體單元，網格最小尺寸約為0.18 mm，網格總量約60 000個。由于坯料部分變形較小，網格單元尺寸從工作帶到坯料逐漸增大，既不影響計算精度，又可節省計算時間，提高效率。另外，模擬過程用式(3)流變應力本構方程作為AZ31鎂合金的材料變形模型。

在擠壓過程中，坯料在擠壓筒內壁、分流孔及焊合室模面附近變形劇烈，摩擦條件設為粘著摩擦；在模具工作帶部分摩擦條件緩和，設為庫侖摩擦，摩擦因數取0.3。模擬中所采用的具體工藝參數見表1。該試驗前期模型分析與數值模擬在工作站上求解完成。

表1　擠壓工藝參數設置

2.3　方管擠壓模擬與模具工作帶優化

2.3.1方管擠壓模擬結果

對方管擠壓模型進行仿真計算，能夠得到合金變形過程中溫度場、應力應變場以及金屬流速場的分布情況。由圖6可以看出，擠壓溫度沿擠壓方向逐漸升高。初始階段，由于接觸傳熱，坯料溫度與擠壓筒接近，當坯料流入分流孔后由于擠壓變形其溫度達到470 ℃以上，進入焊合室后溫度達到490 ℃，且焊合室內靠近工作帶部位的溫度明顯高于邊緣部位的，當坯料進入工作帶后溫度達到最高，約為500 ℃。

圖6　方管的擠壓溫度分布云圖Fig.6　Temperature distribution of the square tube duringextrusion process

圖7　方管的擠壓應力與應變分布云圖Fig.7　Stress (a) and strain (b) distribution of the square tube during extrusion process

從圖7可以看出，坯料在擠壓筒內所受壓力較小，發生的應變也較小。進入分流孔后，坯料所受的應力有所增大，在焊合室內所受的應力則明顯高于其他部位的，并在工作帶部位達到最大，約62.59 MPa，說明此處變形劇烈，相應的應變值達到最大，約48.6。由圖8可以看出，按表1設置的工藝參數擠壓過程中，金屬流速較均勻，角部與心部金屬存在少量流速差。方管角部的金屬流速要低于心部的，這是由于角部距離擠壓軸較遠所致，可通過工作帶優化模塊對工作帶尺寸進行優化以獲得更合理的模具結構。

圖8　方管的擠壓工作帶處金屬流速分布云圖Fig.8　Velocity distribution in the bearing part of the square tubeduring extrusion process

2.3.2方管擠壓模具工作帶優化

在HyperStudy模塊中，根據型材出口截面金屬流速的不均勻性將截取的型材出口截面分為兩區，如圖9所示，截面金屬流速分別為v1和v2。目標函數如式(5)所示，目標值設為1 000。

(5)

圖9　對應工藝參數設置的截面分區與模具工作帶金屬流速分布云圖Fig.9　The partition of cross-section and velocity distributionof die bearing under the corresponding parameters

設置6條工作帶控制線L0～L5，位置如圖9所示。其中，貼近型芯位置設計兩條控制線L0和L1，且L0=L1。模具工作帶初始長度設為2 mm。優化過程中當目標值接近1 000時，可認為截面流速比較均勻，達到了優化目標。迭代結果如表2所示，經過7次迭代，目標值達到1 000。

圖10(a)~(d)分別為第1次、第2次、第6次與第7次迭代計算的型材出口速度分布情況。可以看出，當工作帶取初始值2 mm時，型材出口截面速度分布在484.87～484.98 mm·s-1范圍內，速度分布均方差達到0.21 mm·s-1，金屬流速分布略有不均；經7次迭代計算后達到最優化水平，優化后出口截面速度差降為0.01 mm·s-1，速度分布均方差減小為0.008 mm·s-1，工作帶各部位的長度更加合理。

表2　HyperStudy迭代過程

3方管擠壓試驗驗證

用第7次迭代計算優化的工作帶尺寸作為最終模具工作部分尺寸加工模具，并在630T型臥式擠壓機上完成型材擠出，圖11為實際型材。型材表面質量較好，硬度達到67 HV，抗拉強度為279 MPa，伸長率為14%，均質檢合格，說明模擬結果能夠為實際生產提供可靠參考。

圖11　實際擠壓型材的外形Fig.11　The shape of practical extruded profile

4結論

(1) 通過熱模擬試驗得到AZ31鎂合金的真應力-真應變曲線，根據Arrhenius修正關系計算獲得其流變應力方程；在熱變形過程中，其流變應力隨變形溫度的升高而減小，在350 ℃以上能夠較快達到穩態，易于加工成形。

(2) 熱壓縮變形后，AZ31鎂合金中孿晶組織隨變形溫度的升高而減少，晶粒尺寸不斷增大；在高應變速率時由于動態再結晶不充分，在晶界附近形成類似“項鏈”狀的細小晶粒組織。

(3) 對鎂合金方管擠壓過程進行數值模擬發現，方管角部金屬流速低于中心位置;經HyperStudy模塊的工作帶優化設計后，金屬流速分布趨于均勻，出口截面速度差降為0.01 mm·s-1，速度分布均方差減小為0.008 mm·s-1。

(4) 采用優化設計的模具生產出了合格的鎂合金型材，表明基于HyperXtrude有限元模擬與材料流變應力方程能夠為AZ31鎂合金型材生產提供可靠參考。

參考文獻:

[1]羅昊. AZ31鎂合金擠壓板材的力學性能和耐腐蝕性能[J]. 機械工程材料, 2013, 37(10): 60-63.

[2]郜瑞, 溫彤, 季筱瑋, 等. 工藝參數對AZ31鎂合金板拉深成形性能的影響[J]. 機械工程材料, 2013, 37(3): 87-89.

[3]CHEN H, ZHAO G Q, ZHANG C S,et al.Numerical simulation of extrusion process and die structure optimization for a complex aluminum multicavity wallboard of high-speed train[J]. Materials and Manufacturing Processes, 2011, 26(12): 1530-1538.

[4]ZHANG C S, ZHAO G Q, CHEN Z R,et al.Effect of extrusion stem speed on extrusion process for a hollow aluminum profile[J]. Materials Science and Engineering: B, 2012, 177(19):1691-1697.

[5]GUAN Y J, ZHANG C S, ZHAO G Q, et al. Design of a multihole porthole die for aluminum tube extrusion[J]. Materials and Manufacturing Processes, 2012, 27(2): 147-153.

[6]ZHANG C S, ZHAO G Q, CHEN H,et al. Numerical simulation and metal flow analysis of hot extrusion process for a complex hollow aluminum profile[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2012,60(1):101-110.

[7]易杰, 朱必武, 李落星. 鋁合金車門內板擠壓鑄造工藝優化的有限元模擬[J]. 機械工程材料, 2014, 38(5): 89-94.

[8]王冠, 何芯, 李落星, 等. 6063鋁合金擠壓型材尺寸超差分析及模具優化設計[J]. 機械工程材料, 2013, 37(7): 85-89.

[9]王春艷, 謝蘭生, 陳國亮. 超薄TB8鈦合金半球成形工藝的有限元模擬[J]. 機械工程材料, 2012, 36(11): 102-105.

[10]李光振, 孫穎迪, 陳秋榮, 等. 基于HyperXtrude的鎂型材擠壓數值模擬與模具優化研究[J]. 熱加工工藝, 2014, 43(13): 118-120.

[11]黃光杰, 趙國丹. AZ31鎂合金熱變形規律的研究[J]. 重慶工學院學報, 2006, 20(2): 60-65.

[12]孫述利, 張敏剛，周俊琪. AZ31鎂合金熱壓縮過程中的變形行為[J]. 機械工程材料, 2010, 34(8): 88-91.

[13]孫朝陽, 欒京東. AZ31鎂合金熱變形流動應力預測模型[J]. 金屬學報, 2012, 48(7): 853-861.

[14]余琨, 史褆, 王日初. AZ31鎂合金變形行為的熱力模擬[J]. 中南大學學報, 2008, 39(2): 216-221.

[15]JONAS J J, SELLARS C M, TEGART W J. Strength and structure under hot-working conditions[J]. International Materials Reviews, 1969, 14(1): 1-24.

[16]王火生,傅高升,陳永祿,等.鋁錳鎂合金熱壓縮變形的流變應力曲線與本構方程[J].機械工程材料,2014,38(5):95-98.

Numerical Simulation of Square Tube Extrusion for AZ31 Magnesium Alloys

SUN Ying-di, LI Guang-zhen, CHEN Qiu-rong

(Light Alloy Engineering Center, Shanghai Institute of Micro-system and Information Technology,

Chinese Academic of Science, Shanghai 200050， China)

Abstract:On the basis of true flow stress-true strain curves of AZ31 magnesium alloys obtained from hot compression process, the corresponding flow stress equation was presented and the microstructure of the compressed alloy was analyzed. The square tube extrusion process for AZ31 magnesium alloy was simulated by using the HyperXtrude software. The results show that the flow stress decreased with the increasing temperature and could reach the steady state quickly above 350 ℃, which is suitable for processing forming. The twins in hot compression specimens reduced with the temperature increasing, moreover the grains were growing up. With the high strain rate, the fine grains similar to “necklace” appeared on the grain boundaries due to the insufficiency of dynamic recrystallization. The finite element simulation results show that the metal velocity in the corner of the square tube was lower than that in the center, but could distribute well as the optimization of the bearing part in the HyperStudy. The die designed on the optimized die bearing model proved to be capable of producing the qualified products in practice.

Key words:AZ31 magnesium alloys; hot compression; extrusion molding; numerical simulation

中圖分類號：TG379

文獻標志碼：A

文章編號：1000-3738(2015)10-0084-06

作者簡介：孫穎迪(1983-)，女，山東青島人，助理研究員，博士。

基金項目：嘉興市重大科技專項項目(2010AZ2001)

收稿日期:2014-09-04；

修訂日期:2015-07-23

DOI:10.11973/jxgccl201510019 10.11973/jxgccl201510020