大直徑AZ80鎂合金熱模鍛有限元分析

李慧中，劉超，梁霄鵬，呂鳳，齊葉龍，朱澤曉，黃瓊

大直徑AZ80鎂合金熱模鍛有限元分析

李慧中1, 2, 3，劉超1，梁霄鵬1，呂鳳1，齊葉龍1，朱澤曉1，黃瓊1

(1. 中南大學材料科學與工程學院，湖南 長沙，410083；2. 中南大學粉末冶金國家重點實驗室，湖南 長沙，410083；3. 中南大學有色金屬材料科學與工程教育部重點實驗室，湖南 長沙，410083)

運用Pro/Engineer進行三維造型和建模，結合Deform-3D有限元軟件對大直徑764 mmAZ80鎂合金鍛件的熱模鍛過程進行模擬，分析模具溫度對鍛件的溫度分布、等效應力分布以及上模載荷曲線的影響。根據模擬結果制備大尺寸AZ80鎂合金鍛件，并采用掃描電子顯微鏡(SEM)和力學性能測試，分析鍛件不同部位的顯微組織和力學性能。研究結果表明：當模具溫度為350 ℃時，鍛件的成形性最好；當模具溫度為250 ℃和300 ℃時，鍛件的等效應力和上模載荷較大；當模具溫度為400 ℃和450 ℃時，鍛件的局部溫度將會超過400 ℃，容易產生過燒，均不利于加工；鍛件中不同位置的流線方向與第2相分布方向一致；在損傷值較小的區域，合金具有更高的強度和伸長率。

Deform-3D有限元軟件；模擬；熱模鍛；AZ80鎂合金；顯微組織

鎂合金作為一種密度低、比強度高、比剛度高、切削容易、減震和阻尼性能優良的輕質結構材料，在航空、航天、汽車、電子通訊等領域具有廣闊的應用前景[1?4]。鎂合金可以通過塑性變形的方式制備出各種規格的板材、棒材、管材、型材以及鍛件等，從而滿足多種結構件的需求[5?9]。鍛造作為一種常見的鎂合金塑性加工方法，在制備大尺寸鎂合金零件中經常使用，其制得的鍛件力學性能優良，穩定性好[10]。然而，當制備大尺寸形狀復雜的鎂合金模鍛零件時，由尺寸效應帶來的溫度分布和應力分布不均勻等現象，會導致最終模鍛成形困難，并且制備的模鍛件存在組織和力學性能不均勻等缺點，如何避免這些缺點是目前大型鎂合金鍛件的研究熱點。Deform有限元模擬作為一種重要的塑性變形數值模擬手段，可以直觀地反映出合金塑性成形過程中的溫度分布、應力分布、損傷現象等，是實際鍛造時工藝選擇的重要輔助手段[11]。許多零件在鍛造時，均采用Deform有限元模擬的手段進行前期模擬研究。SATISHA等[12]采用Deform對前軸梁的成形過程進行數值模擬后，改變了襯墊最佳斷面形狀，有利于前軸梁的實際模鍛成型；CHENG等[13]運用Deform-3D有限元軟件模擬了5052鋁合金多排鏈輪在冷半精鍛成形過程中流動速度場的分布情況，發現切向速度是決定坯料流體能否充滿凹模型腔的關鍵因素；JIANG等[14]結合Deform-3D有限元研究分析了AZ61鎂合金角架觸變成形的工藝路線；ZHANG等[15]采用Deform-3D有限元對AZ31鎂合金板材沖壓的成形過程進行數值模擬，為鎂合金板材沖壓成形工藝提供了依據；BAIA等[16]結合Deform-3D有限元研究了粉末高溫合金的直接鍛造工藝，為粉末直接鍛造成形坯的幾何尺寸和厚度提供了指導；張玉勛等[17]采用Deform對鋁合金機輪輪轂在不同工藝參數下的鍛造流線進行了仿真分析，發現適當增大坯料與模具之間的摩擦，可以減小流線與鍛件表面夾角，從而避免流線露頭。本文作者以AZ80為原料，基于剛塑形有限元方法，運用Pro/E與Deform軟件對大尺寸形狀復雜的AZ80鎂合金熱模鍛過程進行模擬，分析模具溫度對熱模鍛過程的影響。在模擬的基礎上進行實際鍛造，并對成形件的顯微組織及力學性能進行分析。

1 模型的建立

圖1所示為擬制備的大尺寸AZ80鎂合金零件的結構圖和三維圖。進行模鍛的坯料為經過自由鍛獲得的預鍛坯，形狀尺寸如圖2所示。根據最終模鍛件的形狀，運用Pro/E設計出相應的模具，并將坯料與模具的幾何模型導入Deform-3D有限元軟件中，由于該鍛件軸對稱，模擬過程取其1/4進行模擬，熱模鍛的三維實體模型如圖3所示。模擬時模具視為剛體，坯料定義為塑性體；根據本研究小組前期對于AZ80鎂合金熱變形行為的研究結果[18]，利用其建立的本構方程，獲得本模擬中所需的應力和應變。

在模擬過程中，設定下模固定，上模壓下速度為1 mm/s，坯料溫度為380 ℃，坯料和模具之間的摩擦因子為0.3，模具溫度分別設定為250，300，350，400和450 ℃。

(a) 正面；(b) 反面；(c) 結構尺寸

(a) 二維圖；(b) 三維圖

圖3 熱模鍛三維實體模型

2 模擬結果和分析

2.1 模具溫度的影響

圖4所示為不同模具溫度鍛造后鍛件的溫度分布。從圖4可以看出：由于各部位形狀和尺寸不同，鍛造后的鍛件溫度存在差異；當模具溫度分別為250，300和350 ℃時，鍛件較高的溫度分布在中心凸起以及凸起與外廓之間的部位。這是因為：與其他部位相比，該區域的坯料變形量大，由變形與摩擦產生的熱量多，導致溫度高于其他區域的溫度；當模具溫度分別為400 ℃和450 ℃時，邊沿上表面的接觸摩擦作用大，產熱多，因而較高的鍛件溫度分布在邊沿上表面區域。從整體上看，鍛造后鍛件的平均溫度隨著模具溫度升高而升高；當模具溫度為250 ℃時，鍛造后鍛件的最低溫度為277 ℃，大部分區域的溫度在300~350 ℃之間；當模具溫度升至450 ℃時，鍛造后零件的最高溫度達到432 ℃，大部分位置的溫度在400~430 ℃之間，這是坯料與模具之間產生了熱交換所致；當模具溫度低于坯料溫度時，坯料向模具傳輸熱量，反之，模具向坯料傳輸熱量。模具與坯料溫差越大，熱量傳輸速度越快。從圖4還可以看出：當模具溫度為350 ℃時，鍛件不同位置的最高溫度與最低溫度相差最小，溫度分布均勻。

圖5所示為不同模具溫度鍛造后鍛件中的等效應力分布。從圖5可以看出：當模具溫度為250 ℃時，鍛件等效應力分布很不均勻；當模具溫度為300 ℃時，較大的等效應力分布在鍛件外圍；而當模具溫度分別為350，400和450 ℃時，鍛件等效應力的分布情況大致相同，都是中心凸起區域的等效應力較大，外圍邊部區域的等效應力較小。從圖5中各分圖的右邊狀態欄不難看出：隨著模具溫度升高，鍛造后鍛件中的等效應力降低，分布愈均勻；當模具溫度為250 ℃時，鍛件的最大等效應力達294 MPa，等效應力主要分布在40~110 MPa之間；當模具溫度為350 ℃時，鍛件的最大等效應力為104 MPa，等效應力主要分布在40~70 MPa之間；而當模具溫度升至450 ℃時，鍛件的最大等效應力為85.5 MPa，等效應力主要分布在30~65 MPa之間。這種不同模具溫度鍛造后等效應力的差別與鍛件的溫度分布密切相關。當溫度較高時，原子熱運動劇烈，合金中具有明顯擴散特性的塑形變形機構(晶間滑移機構、非晶機構)都發揮了作用，使應力降低。隨著溫度升高，在變形過程中還可能發生動態再結晶而使合金發生軟化，兩者共同作用使材料的變形抗力降低。

圖6所示為不同模具溫度下鍛造過程中上模載荷的變化曲線。從圖6可以看出：不同模具溫度條件下的上模載荷曲線變化情況大致相同；模具溫度越高，同一階段對應的上模載荷越小。這是因為模具溫度越高，對應的鍛件溫度越高，金屬的流動性越好，變形抗力越小，在變形過程中發生了消除加工硬化的再結晶軟化過程。當上模行程為0~50 mm時，鍛件的變形量小，變形抗力較低；鍛件與模具接觸面積小，在變形過程中受到的摩擦阻力小，因而所需的載荷不大，不同模具溫度下的上模載荷差距較小。從圖6(b)可以看出：當上模行程在90 mm附近時，載荷曲線急劇升高，上模行至100 mm處，對應模具溫度250 ℃的上模載荷比模具溫度450 ℃的上模載荷高1.450 MN。產生這種現象的原因是：一方面，接觸面積急劇增加，摩擦力顯著增大，導致載荷增加；另一方面，隨著變形進行，金屬的加工硬化作用增強，當鍛件繼續變形時，需要更大的外界作用力。當上模行程為100~ 138 mm時，上模載荷比前2個階段的大。這是因為隨著模具型腔逐漸被金屬填充，金屬的流動性減弱，變形抗力增大；此外，接觸面積增大也會導致摩擦阻力增大。

模具溫度/℃：(a) 250；(b) 300；(c) 350；(d) 400；(e) 450

模具溫度/℃：(a) 250；(b) 300；(c) 350；(d) 400；(e) 450

上模行程/mm：(a) 0~50；(b) 50~100；(c) 100~138模具溫度/℃：1—250；2—300；3—350；4—400；5—450。

從以上不同模具溫度鍛造的模擬結果可以看出：當模具溫度為250 ℃和300 ℃時，鍛件的平均溫度較低，且溫度分布不均勻，對應的等效應力和上模載荷均較大，不利于零件的鍛造成形；當模具溫度為400 ℃和450 ℃時，鍛件的溫度分布相對均勻，等效應力和上模載荷較小，但在模擬過程中，鍛件局部的溫度升至400 ℃以上，而AZ80鎂合金在400 ℃以上變形時容易產生氧化腐蝕及過熱過燒等現象。當模具溫度為350 ℃，鍛件溫度分布在335~385 ℃，等效應力最大值為104 MPa時，上模載荷較小，有利于大直徑AZ80鎂合金熱模鍛成形。

2.2 鍛造過程損傷模擬

金屬材料在伴有拉伸應力的塑性變形過程中存在損傷現象，據物理學觀點，損傷可看作是由微空洞和微裂紋的形成和發展，最后成為宏觀裂紋；據力學觀點，損傷可看作是影響材料強度的狀態變量[19]。在Deform-3D有限元軟件分析結果的后處理模塊中，損傷值能反映金屬材料變形過程的這種損傷劣化情況，用于表征材料在加工過程中出現缺陷的難易程度，通常，損傷值越高的位置發生破壞的可能性就愈大。當模具溫度為350 ℃，坯料溫度為380 ℃，摩擦因子為0.3，上模速度為1 mm/s時，鍛造過程中鍛件不同時期損傷值分布見圖7。從圖7可以看出：隨著變形進行，鍛件的最大損傷值不斷增大，從最初的0.061增加到1.100；在變形初期(模擬第20，40和60步)，位于上模中心下的坯料損傷較大，這是因為該部分坯料在上模和下模的作用下被拉扯向下運動，變形量相對較大；此外，表面摩擦也起到促進作用；在變形中期(模擬第80，100和120步)，中部凸起的損傷值較大，其他區域由于變形量較小，損傷并不明顯；金屬在上模與下模之間的型腔內流動，該部分的坯料變形量較大；隨著接觸面積增大，摩擦帶來的影響越來越大。變形后期(模擬第130和140步)，較大的損傷值分布在鍛件的邊沿和中央凸起部位。由圖7可知：較大的損傷值分布在A，B，D和E區域， C區域的損傷較少。這是由于在相同的變形條件下，變形量大的部位，損傷較嚴重。

模擬步數/步：(a) 20；(b) 40；(c) 60；(d) 80；(e) 100；(f) 120；(g) 130；(h) 140

3 模鍛成形試驗驗證

從數值模擬結果可知，當模具溫度為350 ℃時，坯料具有較好的模鍛成形性。因此，在此條件下對大尺寸AZ80鎂合金鍛件進行模鍛成形試驗，獲得成形零件。零件表面質量良好，未發現開裂等缺陷。圖8所示為模鍛件不同位置的宏觀流線分布圖(腐蝕液為4%硝酸+96%酒精，體積分數)，宏觀流線反映了變形過程中的金屬流動情況，也是判斷鍛件成形好壞的重要指標。從圖8可以看出：模具型腔內的金屬在外力的作用下呈現出不同的流動情況；A區域和C區域的流線呈現水平分布，B區域和D區域的流線呈現出圓弧狀。鍛件不同位置的金相顯微組織見圖9。從圖9可見：鍛件的晶粒分布與宏觀流線分布基本相同。

圖10所示為鍛件不同區域(圖8中A，B，C和D)的SEM形貌分布圖。從圖10可以看出：在不同的變形條件下，對應的第2相粒子分布情況不同；A區域和C區域的第二相粒子呈水平分布；B區域和D區域的第2相粒子呈垂直分布；D區域的第二相粒子分布不均勻，尺寸較大；A，B和C區域的第2相粒子尺寸較小，且分布較均勻。

圖8 鍛件不同部位的宏觀流線

(a) A區域；(b) B區域；(c) C區域；(d) D區域

鍛件不同位置的力學性能如表1所示。試樣的取樣區域為圖8中A，B，C和D共4處，取樣平面垂直于橫截面。從表1可見：A區域和C區域的屈服強度、抗拉強度和伸長率均比B區域和D區域的高，這是A區域和C區域的損傷較少、第二相粒子分布較均勻所致。

表1 室溫下鍛件的力學性能

4 結論

1) 在熱模鍛過程中，隨著模具溫度升高，AZ80鎂合金鍛件整體溫度升高，最大等效應力和上模載荷降低。當大尺寸AZ80鎂合金熱模鍛坯料溫度為380 ℃時，最佳模具溫度為350 ℃。

2) 在大尺寸AZ80鎂合金模鍛件中，鍛件不同部位的宏觀流線運動方向與金屬粒子分布方向保持 一致。

3) 損傷值反映了鍛件不同部位的力學性能，損傷值較小的區域對應的屈服強度、抗拉強度和伸長率均比損傷值較大區域的高。

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(編輯 陳燦華)

Finite element analysis of hot die forging process for large size AZ80 magnesium alloy

LI Huizhong1, 2, 3, LIU Chao1, LIANG Xiaopeng1, 2, Lü Feng1, QI Yelong1, ZHU Zexiao1, HUANG Qiong1

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China;3. State Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering, Ministry of Education, Central South University, Changsha 410083, China)

Deform-3D finite element software; simulation; hot die forging; AZ80 magnesium alloy; microstructure

TG316

A

1672?7207(2018)01?0039?08

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.01.006

2017?01?29；

2017?03?26

國家自然科學基金面上資助項目(51074186) (Project(51074186) supported by the National Natural Science Foundation of China)

梁霄鵬，副教授，從事鈦鋁金屬間化合物，鋁合金以及鎂合金塑性變形研究；E-mail: mselxp@163.com