模具圓心角對AZ31鎂合金劇烈塑性變形的影響

劉婷++盧壽麗

【摘 要】模具圓心角對ECAP工藝過程有顯著的影響。本文通過有限元模擬軟件Deform-2D進行了大量的數值模擬，研究了模具圓心角對試樣變形分布的影響。分析結果表明， 當模具圓心角為30°時，工件的等效應變分布更加合理，這些結果為優化模具結構，獲得性能優良的鎂合金提供了有效可靠的指導。

【關鍵詞】等通道轉角擠壓變形；有限元模擬；模具圓心角

1.引言

ECAP是由兩個橫截面積相同的通道相交而成，其中內交角用Φ來表示，外交角Ψ用來表示。它具有不改變材料橫截面積和橫截面形狀的特點，在擠壓過程中，材料經過多次剪切變形后累積較大的變形量，從而使晶粒細化到微米、亞微米和納米級尺寸.當忽略邊界條件如摩擦等的作用是，Iwahashi[1]等人通過純剪切幾何變換法推導得出等通道彎角擠壓變形過程的等效應變累積公式（1），由此公式可以看出，等通道轉角擠壓變形，可以通過多道次擠壓來累積足夠的應變量以達到細化晶粒的目的。

（1）

公式中，N是擠壓道次數，是累積等效應變，隨模具拐角Φ和模具圓心角Ψ的增大而減少。由公式可以看出，當Φ=90°，Ψ=0°時，為最大值1.15，當Φ=90°，Ψ=90°時，為最小值0.907。

雖然科研人員對等通道轉角擠壓進行了大量的研究，但研究對象主要集中在銅[2，3]、鋁、鈦及其合金上，很少有對鎂及鎂合金的研究。鎂及鎂合金是密排六方結構，在室溫下無法獲得較高的塑性，但經等通道彎角擠壓工藝后，鎂及鎂合金的晶粒的到了明顯的細化，性能也得到了改善。

本文的主要目的是通過有限元模擬軟件Deform-2D對鎂合金AZ31的ECAP過程進行數值模擬，分析在不同模具圓心角下，鎂合金劇烈塑性變形的變形機理，為獲得合理的模具結構，擠壓出性能良好的鎂合金，為ECAP實驗進行理論指導。

2.有限元數值模擬

本文采用方形等通道轉角擠壓模具對鎂合金AZ31的ECAP工藝進行大量的數值模擬，研究不同的工藝參數對試樣變形分布的影響。在模擬過程中，擠壓過程為平面變形問題，假設模具為剛性，材料為剛塑性，且在常溫下符合應力應變關系[4]，其中C=205MPa，應變硬化指數m=0.114，n=0.044， 模具拐角90°，摩擦因子0.15，擠壓件的幾何形狀為12mm×12mm×60mm， 網格單元劃分數是800。

模擬過程中的參數變化： 模具圓心角Ψ分別取0°、30°、60°和90°三種情況。此外，截取擠壓件的橫截面進行分析，要獲得擠壓件擠壓過程中各場量的演化規律，取初始時擠壓件中心處5個點進行分析. 觀察不同參數下試樣的變形分布等情況.總結AZ31的等通道轉角擠壓的規律。

3.模擬結果與分析

圖1不同模具圓心角所對應的的等效應變分布圖：（a） Ψ=0°（b） Ψ=30°（c） Ψ=60° （d） Ψ=90°

圖1中（a）、（b）、（c）、（d）分別表示模具拐角為90°時，模具圓心角分別為0°、30°、60°、90°時，工件的等效應變分布圖。由圖可知，隨著模具圓心角的增大，工件最大等效應變值與最小等效應變值在減小 ，但變形的均勻化程度不同，基本上呈現（b）>（c）>（a）>（d）的情況，模具拐角是90°，模具圓心角是30°時，工件變形優于其他條件。由于ECAP工藝屬于劇烈塑性變形，所以選擇圓心角時，變形對模具的影響不可忽略，綜合考慮各種條件和模擬結果，模具圓心角選在30°附近較為合理。圖2表示模具拐角為90°時，模具圓心角分別為0°、30°、60°、90°時，擠壓件A-B處各點的等效應變演化曲線。從圖中可以看出在試樣的第二部分等效應變隨模具圓心角的增大而減小。模具圓心角越小，等效應變越均勻。

圖2不同模具圓心角的擠壓件在擠壓過程中等效應變演化曲線：（a） Φ=60°（b） Φ=90°（c） Φ=120°（d） Φ=150°

4.結論

通過有限元軟件De-form2D模擬了鎂合金AZ31的ECAP變形過程，分析了模具圓心角對變形過程的影響，為優化模擬，獲得性能良好的工件提供了可靠有效的理論指導：模具圓心角增大，工件的等效應變是在減小的，當模具圓心角為30°時，工件的變形是更為均勻的。

參考文獻：

[1]IWAHASHI Y， ORITA H Z， NEMOTO M， et al. An investigation of

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[2]DAN Song， MA Bin-ai， JIANG Hua-jing， et al. Corrosion behavior of ultra-fine grained industrial pure AL fabricated by ECAP[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China， 2009， 19（5）： 1065-1070.

[3]STOLYAROV V V， ZHU Y-t， RAAB G I， et al. Effect of initial microstructure on the microstructural evolution and mechanical properties of TI during cold rolling[J]. Materials Science and Engineering： a， 2004， 380（1/2）： 309-313.

[4]ALTAN T， L S O， GEGEL L H， et al. Metal forming fundamentals and applications[M]. American： ASFM， 1983： 59-71.