新型等徑角擠壓工藝下的5052鋁合金變形行為的有限元模擬

董蔚霞，王曉溪，夏華明，朱珍

（徐州工程學院機電工程學院，江蘇徐州 221018）

隨著材料科學技術的發展和加工工藝的日趨完善，塊體超細晶材料因其具有優良的力學性能和物理性能，特別是在不斷更新換代的電子產品中的廣泛應用，備受材料界的重視，成為當前材料學領域的研究熱點之一［1—3］。在眾多制備塊體超細晶材料的工藝方法中，大塑性變形工藝因其能夠制備出大塊、致密材料且無污染、成本低廉等優點，被公認為是最行之有效的方法［4］。等徑角擠壓（Equal channel angular pressing，ECAP）是一種典型的大塑性變形工藝，它在不改變坯料的橫截面積和截面形狀的前提下［5］，使得坯料在轉角處受到劇烈的純剪切變形，從而使晶粒得到細化。然而，該工藝通常需要多道次重復擠壓才能獲得更大的累積應變量，進而使位錯重排以得到超細晶組織［6—7］，如此反復投放、提取坯料，不僅導致擠壓效率低下、增加成本、不利于工業上的大批量生產模式，而且使材料的有效利用長度大大降低。

為了彌補ECAP工藝上的不足，文中在傳統ECAP工藝的基礎上，提出了一種更為有效、細晶能力更強、材料有效利用長度更大的新型大塑性復合變形技術，即正擠壓-等徑角擠壓工藝（Forward extrusion-equal channel angular pressing，FE-ECAP），并借助于大型商業模擬分析軟件DEFORM-3D，對5052鋁合金在室溫條件下的變形行為進行模擬分析，獲得了擠壓變形過程中擠壓載荷、等效應變、金屬流動速度等場量的分布規律。以上這些研究將對發展新型復合大塑性變形技術、優化模具結構以及高效率制備塊體超細晶材料具有重要的指導意義。

1FE-ECAP工藝原理

FE-ECAP工藝綜合了FE和ECAP兩種變形工藝的特點，其工藝原理如圖1所示。在傳統ECAP模具通道入口處增加一段橫截面面積更大的正擠壓入口通道，在外力作用下，坯料從模具的入口通道被擠入，經過擠壓模口進入豎直通道，緊接著通過模具轉角，最后從水平通道中平穩擠出。在整個變形過程中，由于坯料首先在擠壓模口處發生一次劇烈的塑性變形，有效長度大大增加，材料原始晶粒也得到一定程度的細化。隨后，坯料在模具轉角部位發生第二次劇烈的純剪切變形，組織得到進一步細化。雖然經過兩次劇烈的塑性變形，但是坯料并沒有產生破壞，且經過兩次塑性變形后累積大量的應變量，有利于獲得均勻的超細晶組織［8—9］。由此可見，FE-ECAP工藝在能夠獲得塊體超細晶材料的前提下，同時也實現了“一次擠壓，兩次變形，有效長度增加”復合變形的目的。與傳統ECAP工藝相比，FE-ECAP變形工藝擠壓效率高，模具結構簡單，變形復合連續，有利于實現工業化的廣泛應用。

圖1 FE-ECAP工藝原理Fig.1 Principle of FE-ECAP

2 5052鋁合金FE-ECAP變形過程的有限元模擬

2.1 有限元模型的建立

在三維造型軟件Pro/E中完成實體建模并經完整裝配，導入到DEFORM-3D中進行模擬。坯料原始尺寸為φ30 mm×20 mm，材料為5052鋁合金，變形溫度為室溫（20℃），變形速度為2 mm/s。本次模擬網格劃分采用四面體單元，劃分單元數量為15 000。圖2為有限元網格劃分示意圖，為防止變形過程中因網格發生嚴重畸變而破壞坯料、阻止變形，將網格設置成自動重劃分模式［10—12］。模具和沖頭都設為剛性材料，兩者之間除了在變形中因接觸而產生摩擦外并不發生塑性變形，接觸摩擦設為常剪切摩擦，摩擦因子為0.12。模具的內、外轉角角度分別為φ=90°，ψ=90°;入口通道為 φ30 mm×20 mm，豎直通道為 φ15 mm×30 mm，水平通道為 φ15 mm×100 mm。

圖2有限元網格劃分Fig.2 Mesh in FEM

2.2 FE-ECAP模擬結果及分析

2.2.1 擠壓載荷分析

圖3是室溫條件下5052鋁合金在FE-ECAP工藝復合擠壓變形過程中的擠壓載荷-行程曲線。可以看出整個變形過程分為4個階段，即快速增加階段Ⅰ、快速增加階段Ⅱ、急劇下降階段Ⅲ、穩定變形階段Ⅳ，圖4是FE-ECAP變形過程示意圖。

圖3 擠壓載荷-行程曲線Fig.3 The extrusion load-stroke curve

圖4 FE-ECAP變形過程示意Fig.4 Deformation process of FE-ECAP

1）快速增加階段Ⅰ:該階段在外力的作用下坯料依次通過擠壓模口，擠壓載荷隨著行程的增加而增大，擠壓行程接近20 mm時載荷達到262 kN，第一個峰值出現。這是因為坯料在沖頭的的作用下首先發生鐓粗變形，向四周膨脹直至與擠壓筒內壁完全接觸，此后，坯料受到來自沖頭和擠壓筒內壁的三向壓應力，開始不斷進入到豎直通道中，并在模口部分發生劇烈塑性變形。

2）快速增加階段Ⅱ:該階段入口通道內的坯料逐漸減少，坯料所受的三向壓應力和摩擦力也隨之減小，因此在極短行程內擠壓載荷出現下降現象。然而，由于坯料逐漸通過模具轉角時受到劇烈的剪切作用力，擠壓載荷很快又隨著行程的增加而逐漸增大，直到第2個擠壓載荷峰值的出現，此時的峰值為347 kN，也是整個擠壓過程載荷最大值。

3）急劇下降階段Ⅲ:隨著變形的繼續，坯料逐漸離開擠壓模口進入豎直通道和水平通道，此時坯料所受的三向壓應力和摩擦力不斷減小，擠壓載荷隨著行程的增加而不斷下降。

4）穩定變形階段Ⅳ:此時坯料已完全離開擠壓模口進入豎直通道和水平通道，僅發生ECAP變形，相比前3個階段，坯料此時受力較均勻，變形較穩定，由于摩擦力的存在，擠壓載荷呈現微小波動，基本保持不變。

2.2.2 等效應變的分析

等效應變的大小和分布狀況能夠反映出材料塑性變形的累積效果，在一定程度上它與材料內部細化和變形均勻的程度密切相關［13—15］。圖5為不同變形階段坯料中心縱截面的等效應變分布圖。從圖5可以看出，FE變形階段，在來自沖頭和通道內壁的三向壓應力的作用下，使得坯料在擠壓模口處能更好地發生劇烈的塑性變形，變形較均勻，等效應變呈現出較小的梯度分布，應變值由外到內依次遞減。在FEECAP變形階段，坯料通過模具轉角，在模具轉角的剪切作用下，坯料頭部變形出現翹曲現象。此時，在轉角附近的等效應變呈現明顯的層狀分布，并且等效應變值從上到下依次減小。隨著變形的繼續，已完成FE和FE-ECAP變形的坯料進入完整的ECAP變形階段，此階段坯料變形相對平穩，如圖5c所示，變形坯料的等效應變梯度明顯減小，坯料整體變形均勻性得到顯著提高，內部形成了一個大而均勻的主要變形區，坯料內部所累積的平均等效應變約為2.27。

圖5 各階段變形坯料的等效應變分布Fig.5 The distribution of the equivalent strain of the deformed billets at different stages

為了更清楚地表示坯料內部各質點在FE-ECAP過程中的變形效果，在最終變形坯料的主要變形區內，分別沿AB，CD，EF截取中心橫截面的9個不同節點進行分析，如圖6中心橫截面的放大圖所示，3個截面上各跟蹤點等效應變的大小如圖7所示。從圖7中可以發現，3個截面上，9個節點的等效應變值變化趨勢基本一致，變化曲線在多個點處出現重疊現象，由此可見，每個節點在不同截面上其值變化不大，從而形成了一個大而均勻的主要變形區。

圖6 橫截面（放大）跟蹤點的選取Fig.6 The tracking point on the cross section（enlarged）

圖7 各點等效應變大小Fig.7 The equivalent strain of the tracking points

縱觀這9個節點的等效應變值，最大值（P1）為2.85，最小值（P2）為2.29，兩者相差甚微。由此可見，經過FE-ECAP變形后，等效應變大量累積，使得主要變形區達到了高度均勻的變形狀態。為保證所獲取的超細晶材料組織穩定、性能優越，并具有工業使用價值，應盡可能地提高坯料變形的均勻性。

2.2.3 速度場的分析

由圖8可以看出，坯料在擠壓模口附近的速度呈明顯的梯狀分布，速度值由上到下依次增加。而坯料在轉角處的速度呈較小的梯狀分布，并且內轉角處的速度值明顯小于外轉角處的速度值，靠近轉角部位的坯料在豎直通道內與在水平通道內的速度值相等，大小分布非常均勻，由此可見，此時坯料的變形較穩定。由圖9中的表面速度矢量圖可以看出，金屬質點在不同部位速度方向發生微小變化，在擠壓模口向豎直通道過渡階段，坯料尾部的速度方向各異，但是從整體來看，速度方向基本與主流方向一致。

圖8 中心縱截面速度分布Fig.8 Velocity distribution on longitudinal section

圖9 坯料表面速度矢量分布Fig.9 Outer surface-velocity distribution on longitudinal section

3 結論

1）將5052鋁合金在室溫條件下的FE-ECAP擠壓變形過程劃分為4個階段，即快速增加階段Ⅰ、快速增加階段Ⅱ、急劇下降階段、穩定變形階段。

2）在模具轉角的剪切作用下，坯料頭部變形出現翹曲現象，在最后的ECAP變形階段，變形坯料的等效應變梯度明顯減小，坯料整體變形均勻性得到顯著提高，內部形成了一個大而均勻的主要變形區。

3）金屬流動速度與坯料所處位置有關，擠壓模口內部金屬流動速度較外表面的大，且分布不均，坯料在轉角處的速度呈層狀分布，并且內轉角處的速度值明顯小于外轉角處的速度值，但是整體上速度與主流方向是保持一致的。

［1］劉曉燕，趙西成，楊西榮，等.ECAP變形制備超細晶金屬材料變形行為的研究進展［J］.材料導報，2011，25（5）:11—15.

LIU Xiao-yan，ZHAO Xi-cheng，YANG Xi-rong，et al.Progress in Research on Deformation Behavior of Ultrafinegrained Metallic Materials Processed by ECAP［J］.Materials Review，2011，25（5）:11—15.

［2］王玉梅，張會.等徑角擠壓工藝的研究進展［J］.材料導報，2014（9）:87—91.

WANG Yu-mei，ZHANG Hui.Research Progress of Equal Channel Angular Pressing［J］.Materials Review，2014（9）:87—91.

［3］陳娜.工業純鋁棒等徑角擠壓數值模擬與試驗研究［D］.南寧:廣西大學，2013.

CHEN Na.Simulation and Experimental Study on Equal Channel Angular Pressing for Commercial Pure Aluminum Bar［D］.Nanning:Guangxi University，2013.

［4］楊智強，史慶南，起華榮，等.6061鋁合金等通道擠壓工藝數值模擬［J］.特種鑄造及有色合金，2010，30（2）:123—127.

YANG Zhi-qiang，SHI Qing-nan，QI Hua-rong，et al.Finite Element Analysis of 6061 Aluminum Alloy by Equal Channel Angular Pressing［J］.Special Casting ＆ Nonferrous Alloys，2010，30（2）:123—127.

［5］CHEN E，DUCHêNE L，HABRAKEN A M，et al.Multiscale Modeling of Back-stress Evolution in Equal-channel Angular Pressing:from One Pass to Multiple Passes［J］.Journal Materials Science，2010，45（17）:4696—4704.

［6］李建國，王莉，郭道強，等.多道次連續擠壓3003鋁合金的組織與性能［J］熱加工工藝，2011（24）:36—39.

LI Jian-guo，WANG Li，GUO Dao-qiang，et al.Microstructure and Properties of Multi-pass Continuous Extrusion 3003 Aluminum Alloy［J］.Hot Working Technology，2011（24）:36—39.

［7］王占學.塑性加工金屬學［M］.北京:冶金工業出版社，2010.

WANG Zhan-xue.Metal Plastic Processing［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，2010.

［8］GOLOVIN I S.Grain-boundary Relaxation in Copper before and after Equal-channel Angular Pressing and Recrystallization［J］.The Physics of Metals and Metallography，2010，110（4）:405—413.

［9］王曉溪.純鋁粉末等徑角擠扭工藝數值模擬及實驗研究［D］.合肥:合肥工業大學，2012.

WANG Xiao-xi.Numerical Simulation and Experimental Investigation on Pure Aluminum Powder Consolidate during E-qual Channel Angular pressing and Torsion［D］.Hefei:Hefei University of Technology，2012.

［10］胡建軍，李小平.DEFORM-3D塑性成形CAE應用教程［M］.北京:北京大學出版社，2011.

HU Jian-jun，LI Xiao-ping.DEFORM-3D Plastic Forming CAE Application Tutorial［M］Beijing:Peking University Press，2011.

［11］譚險峰，余成龍，謝保華.基于Deform-3D不同背壓等通道轉角擠壓的計算機仿真［J］.熱加工工藝，2014（21）:145—148.

TAN Xian-feng，YU Cheng-long，XIE Bao-hua.Computer Simulation of ECAE with Different Back Pressures Based on Deform-3D［J］.Hot Working Technology，2014（21）:145—148.

［12］李凌風，鞏子天縱，李萍.純鋁粉末等徑角擠壓固結模擬及實驗研究［J］.精密成形工程，2014，6（4）:24—30.

LI Ling-feng，GONG Zi-tian-zong，LI Ping.Consolidation Simulation and Experimental Research of Pure Aluminum Powder Materials during Equal Channel Angular Pressing［J］.Journal of Netshape Forming Engineering，2014，6（4）:24—30.

［13］李元元，肖志瑜，劉允中，等.粉末短流程成形固結技術的研究及展望［J］.中國材料進展，2011，30（7）:1—9.

LI Yuan-yuan，XIAO Zhi-yu，LIU Yun-zhong，et al.Research on Powder Metallurgy Short Process Forming and Consolidation Technique and Its Prospect［J］.Materials China，2011，30（7）:1—9.

［14］劉百宣，王瑞，覃壽同，等.基于DeForm-3D冷縮徑過渡錐面冷整形工藝研究［J］.精密成形工程，2015，7（1）:56—60.

LIU Bai-xuan，WANG Rui，QIN Shou-tong，et al.Cold Reshaping Process of Ironing Cone Based on DEFORM-3D［J］.Journal of Netshape Forming Engineering，2015，7（1）:56—60.

［15］JOO Soo-Hyun，YOON Seung-Chae，JEONG Ha-Guk，et al.Deformation Behavior of Consecutive Workpieces in Equal Channel Angular Pressing of Solid Dies［J］.Journal of Materials Science，2012，47（22）:7877—7882.