徑鍛壓下率對鎂棒熱力參數及組織演變的影響

鄒景鋒，馬立峰，朱艷春

塑性成形

徑鍛壓下率對鎂棒熱力參數及組織演變的影響

鄒景鋒，馬立峰，朱艷春

（太原科技大學 機械工程學院，太原 030024）

通過徑向鍛造工藝制備大尺寸鎂合金棒料，并研究ZK60鎂合金穩定變形區軸向截面邊部位置的組織演變規律。基于軸對稱模型，利用數學解析方法建立不同壓下率下的鎂棒應變分量數學模型；使用彈塑性有限元分析軟件對不同壓下率下的鎂棒徑鍛過程進行熱力耦合分析；采用GFM-SSP32徑鍛機對鑄態ZK60鎂合金棒材進行階梯鍛造實驗。隨著徑向壓下量的增大，晶粒細化明顯。當壓下率達到62.29%時，孿生動態再結晶機制開動；與模擬結果相比，數學模型預測的平均相對誤差約為8.4%，可較準確表征徑鍛鎂棒的應變分布情況。徑向鍛造工藝完全可以制備ZK60鎂合金棒材，并可有效解決鎂合金塑性變形過程中的易開裂、散熱快等問題。

鎂合金；徑向鍛造；熱力參數；組織演變

鎂合金作為目前工程應用中最輕的金屬結構材料，具有比強度高、比剛度高、阻尼減震性好、尺寸穩定性好、機加工方便、易于回收等優點，被譽為“21世紀綠色工程金屬結構材料”[1]，被廣泛用于航空航天、國防軍工、汽車、電子3C等高尖端領域[2—3]。鎂及鎂合金為密排六方晶體結構，具有散熱快[4]、塑性變形溫區窄等材料特性，導致鎂合金低溫塑性成形能力差，阻礙了鎂合金的進一步開發和應用。常見的民用鎂合金型材多以壓鑄件[5]和擠壓件[6]為主，鑄造及擠壓組織特征顯著。鑒于此，國內外的專家學者們做了大量研究，發現鍛造技術誘導晶粒細化可顯著提高鎂合金的塑性。權高峰[7]等研究了鎂合金輪轂的模鍛工藝，制備了性能良好的鎂合金輪轂。Miura[8—9]等對AZ31和AZ61合金進行低應變速率降溫多向鍛造，制備了平均晶粒尺寸分別為0.43 μm和0.8 μm的超細晶粒合金錠坯，發現其在高溫低應變速率下具有超塑性。同時，Miura[10]等在室溫低應變速率條件下，制備出屈服強度為530 MPa，抗拉強度為650 MPa的高強度AZ80鎂合金錠坯。吳遠志[11]發現AZ31合金多向鍛造組織的演變可分為2個階段，當累積應變小于1.32時，晶粒逐漸細化；當累積應變大于1.32時，再結晶晶粒在熱激活作用下逐漸長大。目前，關于鎂合金鍛造的研究多集中在單向加載的多向鍛造領域，以及殼體類零件的精密模鍛，關于鎂合金棒材徑向鍛造的研究尚未見報道。徑向鍛造工藝作為一種雙向同步加載的高頻鍛打工藝（成形原理如圖1所示），在提升鍛件力學性能、表面成形質量、生產效率的同時，雙向同步的多向加載方式可有效限制鍛造過程中裂紋的萌生與擴展[12]。同時，高頻鍛打過程產生的變形熱可對鎂合金鍛造過程中的溫度散失予以補償。徑鍛鎂合金棒材在鎂合金管材、軸類零件、醫療器械以及中低壓壓力容器等終端服役領域具有廣闊的應用前景。此外，國內外學者對徑向鍛造的成形工藝做了大量研究，鍛造的合金包括合金鋼、鈦合金、鈹、鋁、鎢和超高溫合金等[13—15]，均獲得了很好的成形效果。

文中以鎂合金棒材為研究對象，以徑向鍛造為生產工藝，重點研究壓下量的變化對鎂合金棒徑鍛過程的影響。采用理論推導和有限元模擬相結合的方法，系統地研究不同壓下率下，鎂合金棒材徑鍛過程中的應變以及溫度分布規律。通過GFM-SSP32徑鍛機進行ZK60棒材的階梯鍛造實驗，研究不同壓下率下，鎂合金棒材組織的演變規律。

圖1 徑向鍛造的成形原理

1 應變場理論模型推導、有限元模擬及實驗方案制定

1.1 徑鍛過程的理論模型推導

工件的進給速度為，在相鄰2次鍛打期間，錘頭和工件的相對軸向距離移動為，其中為錘頭往復運動周期時長的一半。根據錘頭的幾何形狀，可知錘頭的每次徑向壓下量為：

=?tan(1)

式中：為錘頭入口角度。已知工件總的變形量為0?1，需要的鍛造次數為=(0?1)/，0，1分別為棒材的始鍛半徑與終鍛半徑。

推導得出棒材的局部壓下率為：

式中：為橫截面面積；為打擊次數，1≤≤。徑向鍛造過程中的鍛造載荷呈對稱分布，單錘變形量小，符合應力軸對稱模型，由塑性力學知識得知，圓柱坐標系下應力平衡微分方程為[16]：

結合應力軸對稱模型的特征，面上沒有切應力，即τ=τ=0；各應力分量與坐標無關，故對的偏導數都為0。將式（3）進一步簡化為：

由塑性力學知識得知，圓柱坐標系下應變平衡微分方程為[16]：

式中：，，分別為徑向、周向、軸向位移分量。當軸對稱塑性變形時，子午面始終保持平面，周向位移分量v=0，故r=r=0，徑鍛工藝的應變分量為：

由體積不變原理得：

假設工件在徑向鍛造過程中，各橫截面材料軸向流動均勻，即z為與無關的常量。求解微分方程得：

進而得到鍛造過程中第個截面變形產生的軸向應變增量式：

1.2 熱力耦合有限元模型的建立

采用FEM分析軟件Abaqus-Explicit建立鎂合金棒材徑鍛工藝的熱力耦合模型，其中所用棒料規格為142 mm，錘頭入口角度為8°，打擊頻次為每分鐘300次。模型采用溫度-位移耦合的顯示動力學分析方法，充分考慮傳熱學的影響，設立了錘頭與工件間的摩擦生熱（剪切摩擦因數為0.6[17]）、鎂棒自身的熱傳導系數（117 W/(m?k)[18]）以及工件與空氣間的對流散熱系數（綜合對流換熱系數為19 W/(m2·K)[19]）。模型通過設置多分析步模擬工件的多道次熱鍛過程，各道次累積壓下率分別為17.40%，41.15%和62.29%。結合現場實驗工況，工件采用步進式螺旋送進方式，送進速度為750 mm/min，并認為錘頭的運動符合正弦曲線=12sin(31.4)。具體有限元模型如圖2所示，設定累計分析步時間為52 s。

圖2 鎂合金棒材徑鍛工藝有限元模型

1.3 實驗方案

所用材料為142 mm的鑄態ZK60鎂合金棒材，化學成分如表1所示。采用隨爐加熱方式，升溫速度為10 ℃/min，當溫度達到350 ℃時，保溫3 h，隨后利用GFM-SSP32徑鍛機，開展ZK60鎂合金棒材的階梯鍛造實驗，棒料階梯鍛造的各道次單邊總壓下量分別為6.5 mm（17.40%），10 mm（41.15%），11.25 mm（62.29%），經過錘頭多次打擊（鍛造）加工成形。為避免多次加熱誘導的熱激活效應對實驗結果產生干擾[20]，中間不進行二次加熱（補熱），鍛后空冷，如圖3所示[21]。由圖3b不難發現，鍛后工件表面質量良好，未出現裂紋。隨后，對同一根棒材未變形區以及3個壓下量下的外圈橫截面組織，進行微觀組織形貌觀察。

表1 ZK60鎂合金的化學成分（質量分數）

Tab.1 Chemical composition of ZK60 magnesium alloy (mass fraction) %

圖3 ZK60鎂合金的階梯鍛造實驗

2 結果與分析

2.1 應變場理論計算結果

通過應變場理論式（9—11）分別計算不同壓下率下的棒材外圈的徑向應變分量（11）、切向應變分量（22）和軸向應變增量（33)，對計算結果進行擬合，結果如圖4所示。11，22，33曲線的校正決定系數（Adjust.R-Square）分別為0.992 22，0.999 89，0.999 55。

圖4 應變場理論計算及擬合結果

2.2 模擬結果

為了與應變場理論計算結果進行相互驗證，對不同壓下量的ZK60鎂合金棒材的應變分量進行了有限元模擬，如圖5所示[21]。在徑向鍛造過程中，當等效應變值達到0.2時，坯料被鍛透[22]。在第1道次時（如圖5a所示，壓下率為17.40%），心部應變值已高于0.2。低應變區（應變值≤1/3max的區域，其中max為該截面的應變最大值）的面積占棒材橫截面面積的比值較高；相對均勻應變區（應變值為1/3max～2/3max的區域）占棒材橫截面面積的比值（面占比）相對較小。如圖5b所示，隨著道次的增加，棒材整體應變呈上升趨勢，徑向方向上，低應變區的橫截面面積占比降低，相對均勻應變區域的橫截面面積占比顯著上升。如圖5c所示，當壓下率達到62.29%時，棒材心部的應變值已大于0.8，棒材整體應變值以及相對均勻變形區的面積占比進一步提高。由此可見，隨著壓下量的增加，相對均勻變形區的面積占比逐步提高，有利于提高鎂合金棒材徑向方向上的組織均勻性。周向上應變差值極小，可忽略周向應變對組織演變的影響。

圖5 不同壓下率的ZK60鎂合金棒材等效應變分布

提取了鍛后棒材不同變形量下的應變分量模擬結果，與理論計算結果進行對比，如圖6所示。經統計，應變場理論結果的平均相對誤差僅為8.4%，可見，通過應變場理論計算模型能夠較好地預測鎂合金棒材徑向鍛造過程中的應變變化規律。

圖6 應變場理論計算及模擬結果對比

此外，通過模擬不同壓下量的ZK60鎂合金棒材徑鍛過程，觀察到一個有趣的現象，鍛后棒材的溫度不降反升，如圖7所示。當應變速率為7 s?1時，隨著壓下率的增加，棒材整體呈升溫趨勢，且溫升幅度沿徑向由內向外逐漸增大，其中最后一道次外圈總溫升高至34.8 ℃。在ZK60的階梯鍛造實驗中，也觀察到了這一現象。

圖7 ZK60鎂合金棒材各取樣點的時間歷程溫升曲線

棒材變形過程中的熱量主要來源于徑鍛過程中機械能轉化為金屬塑性變形時產生的變形熱，以及金屬與模具之間摩擦做的功。傳統塑性變形工藝的應變速率較低，在變形過程中，單位時間內由機械能轉化的變形熱有限，不足以補償棒材在空氣中的散熱以及與模具間的熱量流失，致使棒材整體溫降嚴重。在徑向鍛造過程中，由于單位時間內對棒材的打擊頻次增加，應變速率明顯提高，螺旋送進的進給方式以及4個錘頭的高頻同步脈沖鍛打使棒材周向和軸向均勻分布了多個熱源，極好地彌補了鍛造過程中的熱量損失，提高了棒材變形過程中溫度分布的均勻性。此外，錘頭與棒材外表面間的摩擦生熱，也是造成鍛后溫升的原因之一。

2.3 不同壓下率下的ZK60鎂合金微觀組織形貌及分析

為了進一步驗證理論計算和數值模擬的應變場變化規律，分析在徑向鍛造過程中，ZK60鎂合金應變對組織演變的影響，開展了階梯實驗，并對不同壓下量的顯微組織進行了觀察，如圖8所示。圖8a為鍛造前ZK60鎂合金的原始顯微組織，圖8b—d是應變速率為7 s?1，壓下率分別為17.40%，41.15%，62.29%時，徑向鍛造穩定變形區橫截面邊部位置的金相組織。由圖8可知，隨著壓下率的增加，單位面積內的晶粒數量逐步增多，再結晶晶粒數量增多，晶粒尺寸逐漸細化。此外，由圖8a可知，初始材料的晶粒比較粗大，呈等軸分布，晶粒尺寸約為20～30 μm。由圖8b可知，經較小壓下率的徑向鍛造后，晶粒細化不明顯，部分晶界的位置發生了晶粒變形破碎，少數晶界周圍發現了動態再結晶晶粒。隨著累積壓下率增加至41.15%，如圖8c所示，大部分原始晶粒被破碎，孿生機制開動，晶粒尺寸細化，動態再結晶晶粒數量增多；當壓下率達到62.29%時（見圖8d），晶粒細化更顯著，界面內布滿了細小的動態再結晶晶粒，局部區域晶粒尺寸達到納米級，同時，孿晶數量增多，值得注意的是，在部分孿晶內觀察到了動態再結晶現象。

圖8 ZK60鎂合金在不同壓下率下的光學顯微組織

滑移、孿生和晶界滑移（GBS）是鎂合金塑性變形的主要機制。晶界滑移是鎂合金中最重要的晶間變形機制，由于GBS通常只有在高溫低應變速率下才能發生，且在實驗過程中，加熱爐離徑鍛機距離較遠，期間散熱較多，同時，所用材料的初始組織較為粗大，故鎂合金在高應變速率徑向鍛造過程中，GBS難以發揮明顯作用。此外，當徑向鍛造過程中的應變速率較大時，不利于相鄰晶粒間滑移的傳播和連續性，因此，當變形量累積到一定程度時，會引起晶界附近較大的應力集中，此時單純的滑移難以釋放應力，必須依靠孿生或裂紋的萌生和擴展來協調形變和釋放應力[23]。

結合應變分布云圖（圖5c）進一步分析得知，當壓下率達到62.29%時，鎂合金棒材的邊部應變值劇增，位錯塞積嚴重，單純的滑移已不足以釋放集中應力。研究表明，裂紋的萌生和擴展均可釋放應力，且裂紋多由拉應力引起，沿大致垂直于最大拉應力的方向傳播[24—25]。徑向鍛造同步雙向對稱的加載方式在一定程度上遏制了裂紋的萌生和擴展[12]。為釋放徑向鍛造過程中的應力集中，需引入裂紋的競爭機制——孿生。孿生作為協調形變和釋放應力的有效方式，其形核速度大于裂紋的萌生和擴展速度[26]，在釋放徑鍛過程中的應力集中時，可發揮重要作用。綜上，如圖8d所示，當壓下率累積達62.29%時，孿晶數量明顯增多。

此外，孿晶界阻礙位錯運動作為再結晶的儲能方式，以及孿晶界和晶界附近亞結構取向差的存在，極易誘導動態再結晶在孿晶內形核[27]。如圖8d所示，當壓下率達到62.29%時，部分區域的孿晶已極為密集。在徑向鍛造變形過程中，孿晶界阻礙了位錯運動，導致孿晶界附近位錯塞積嚴重，為了釋放孿晶界阻礙位錯運動產生的集中應力，孿晶界周圍的塞積位錯重排，孿生再結晶機制開動。

3 結語

基于軸對稱模型，利用數學解析方法確定了鑄態ZK60鎂合金棒材徑鍛過程中的應變場數學模型，模型預測的平均相對誤差約為8.4%。

鎂合金經高頻鍛造產生的變形熱極好地彌補了鎂合金材料散熱快、塑性變形溫區窄的塑性變形劣勢，鍛后溫升高達34.8 ℃。通過后續對工藝參數的優化，在不采取加熱以及保溫（補溫）的前提下，可實現“近等溫”鍛造。對提高鎂合金棒材組織的均勻性，以及鍛造過程中組織演變的控制極為有利。

ZK60鎂合金在徑向鍛造過程中的組織演變分為3個階段，當壓下率≤17.4%，其晶粒細化機制多為機械式擊碎，晶界處有少量再結晶晶粒；當17.4%?壓下率≤41.15%時，晶粒細化機制主要為形變誘導動態再結晶，孿晶較少；當41.15%?壓下率≤62.29%時，晶粒尺寸細化明顯，孿晶增多，受孿晶晶界阻礙，孿生再結晶機制開啟。

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Effect of Radial Forging Reduction Rate on Thermodynamic Parameters and Microstructure Evolution of Magnesium Alloy Bar

ZOU Jing-feng, MA Li-feng, ZHU Yan-chun

(School of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

This paper aims to prepare the large-size magnesium alloy bar through radial forging process and study the microstructure evolution of the axial section edge in the stable deformation zone of ZK60 magnesium alloy. Based on the axisymmetric model, a mathematical model of the strain components of magnesium rods with different reduction rates was established by the mathematical analysis method; the thermal coupling analysis was carried out for the radial forging process of magnesium bars with different reduction rates by the elastic-plastic finite element analysis software; the step forging experiment was carried out on the cast ZK60 magnesium alloy bars by the GFM-SSP32 radial forging machine. The results showed that the grain refinement is obvious with the increase of radial reduction, and the twinning dynamic recrystallization mechanism is turned on when the depression rate reaches 62.29%; compared with the simulation results, the average relative error predicted by mathematical model is about 8.4%, which can more accurately characterize the strain distribution of the radial forging magnesium bars. The radial forging process can completely prepare ZK60 magnesium alloy bars, and effectively solve the problems of easy cracking and fast heat dissipation during the plastic deformation of magnesium alloy.

magnesium alloy; radial forging; thermodynamic parameters; microstructure evolution

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.06.011

TG314.3

A

1674-6457(2021)06-0084-07

2020-04-26

國家自然科學基金（U1910213，51501122）；山西省重點研發計劃（201903D121088）

鄒景鋒（1993—），男，博士生，主要研究方向為輕質金屬變形機理及組織性能。

馬立峰（1977—），男，教授，主要研究方向為大型冶金裝備設計理論與成套技術、鎂合金變形理論與裝備技術、金屬材料軋制復合理論與裝備技術。