連續變通道擠壓–剪切工藝對鎂合金薄壁管材組織性能的影響

張威，胡紅軍，張慧玲，趙健行，趙輝，張丁非

連續變通道擠壓–剪切工藝對鎂合金薄壁管材組織性能的影響

張威1，胡紅軍1，張慧玲1，趙健行1，趙輝1，張丁非2

（1.重慶理工大學 材料科學與工程學院，重慶 400050；2.重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400044）

針對高性能鎂合金薄壁管材的加工和制備，提出一種新型復合擠壓制備工藝，并驗證新工藝對于管材性能的影響。通過數值模擬結合實驗，建立鎂合金管材連續變通道擠壓-剪切工藝（CVCES）成形三維有限元模型，分析CVCES成形過程中坯料的等效應力和累積應變；對坯料縱截面沿擠壓方向上的不同位置進行微觀組織觀察，對比分析CVCES成形管材與普通成形管材的金相結果；對成形管材進行強度測試對比。與普通擠壓鎂合金管材相比，CVCES成形管材晶粒細化效果更明顯，抗拉強度約為320 MPa，硬度高出13%左右。CVCES工藝可以有效地細化晶粒，成形管材的平均硬度和抗拉強度明顯增大。

鎂合金管材；復合擠壓；晶粒細化；微觀組織

鎂合金具有很多優異的性能，如比強度和比剛度高、電磁屏蔽能力較強、可再利用率高等，在工業上得到廣泛應用[1-3]。隨著薄壁中空鎂合金管材在汽車工業、航天航空、機械電子等領域的應用日益增加，對于中空薄壁鎂合金管材的性能要求變得越來越高。目前，常見的薄壁管材加工主要采用擠壓、軋制、滾輪加工、滾軋、拉伸、彎曲和組合加工等方法[4-5]，主要目的在于提高鎂合金管材的強度和塑性，使其滿足特殊結構部件的需求。然而鎂合金的密排六方結構導致其在室溫下滑移系較少，延展性較差[6-8]。采用大塑性變形的方法細化晶粒以提升鎂合金管材的塑性已成為國內外學者研究的主要趨勢，擠壓成形工藝是三向壓縮應力下塑性變形的成形方法之一，適合于延展性較差的材料，所以擠壓成為生產變形鎂合金產品的重要方法之一。常見的變形方法包含等通道擠壓、往復等通道擠壓、變通道擠壓、連續擠壓、變通道擠壓等。等通道擠壓（ECAP）工藝通過純剪切變形的方式來實現大塑性變形，合金在擠壓過程中通過兩個截面相等且以一定角度相交的通道，形成超細晶組織，以優化材料性能。Zhou等[9]和Xu等[10]采用ECAP工藝擠壓鎂合金，分析了鎂合金等徑角擠壓加工中微觀組織的變形，發現ECAP工藝能夠使鎂合金組織得到顯著細化。Orlov等[11]研發出了正擠壓和等通道擠壓結合的新工藝，其細化了晶粒，改善了鎂合金的綜合性能。文獻[12]表明，擠壓剪切成形工藝能夠細化晶粒，弱化織構。擠壓剪切工藝通過對金屬施加連續剪切力，使得晶粒細化，從而提高金屬強度、韌性等力學性能。隨著計算機技術的引入，大量研究者在現階段的擠壓成形工藝中結合有限元模擬來優化成形過程的工藝參數，如對擠壓過程中流變應力和應變速率進行分析，對不同擠壓速度和擠壓溫度下的擠壓工藝進行對比優化等，因此，有限元模擬在驗證新工藝參數是否合理方面可以發揮重要作用[12-13]。

文中主要針對鎂合金薄壁管材的制備和加工，提出一種新型的鎂合金管材復合擠壓方法，即將普通正擠壓和非等通道擠壓結合，也就是正擠壓與薄壁管材連續剪切成形相結合的連續變通道擠壓-剪切工藝（Continues Variable Cross-section Extrusion and Shear，CVCES）。通過模具設計、擠壓筒設計、擠壓桿設計及芯軸設計等加工出CVCES模具，結合DEFORM-3D軟件模擬分析CVCES成形過程中的擠壓力和等效應變等演變，并分析適合CVCES工藝的最佳實驗參數。采用CVCES工藝成功擠壓出鎂合金薄壁管材，對成形過程中鎂合金管材在不同區域的微觀組織進行分析，并測試管材的力學性能。

1 實驗及數值模擬

1.1 實驗材料、設備及方法

實驗材料采用商用鑄態AZ31鎂合金管坯，主要化學成分如表1所示。擠壓設備和預制的鎂合金管坯樣品如圖1所示，CVCES管材擠壓實驗所用的實驗設備為主缸公稱力為2 500 kN的多缸伺服同步擠壓機。為驗證CVCES工藝能夠加工出合格的鎂合金管材，設計CVCES管材成形模具并進行擠壓實驗，圖2為CVCES模具及擠壓剪切局部放大示意圖。擠壓筒內徑為40 mm，在擠壓筒中的芯軸外徑為20 mm，擠壓前先將原始材料加工成外徑39.8 mm、內徑20.4 mm的管坯，以便放入模具擠壓筒中和模具一起加熱。加熱時，將電阻加熱棒放入擠壓筒和凹模的加熱孔中，再將加熱圈包在擠壓筒外部，以獲得到更佳的加熱效果，并采用熱電偶監控模具溫度，防止加熱溫度過高。

表1 AZ31化學成分

Tab.1 Chemical constituents of AZ31 wt.%

圖1 擠壓設備和管材坯料

1.2 數值模擬模型

為了驗證有限元模型和比較分析的結果，設計和制造了擠壓模具。其中，模具由擠壓桿、擠壓筒、芯軸、凹模組成，由于不考慮凸模和凹模的受力和變形情況，故把凸模和凹模定義為剛性體，把工件定義為塑性體，其運動關系定義擠壓桿為主動件（Primary Die），坯料視為從動件（Slave）。凹模包含3個區域，分別為鐓粗區、剪切區和定徑區。擠壓溫度370 ℃，擠壓速度4 mm/s，摩擦因子0.12，有限元數值模擬的主要參數如表2所示?；谡n題組先前實驗得到的AZ31本構方程見式（1）[14]。

圖2 CVCES模具及成形部位放大圖

=47.62ln{(0.77×10–11*)0.2

+[(0.77×10–11*)+1]0.5} (1)

式中：為流變壓力，MPa；為ES工藝相關參數。

圖3為CVCES成形的鎂合金薄壁管材實物圖（包含所有成形階段），主要包括3個部分：第1部分為鐓粗變形區，鎂合金管坯經普通擠壓縮徑至2 mm薄管；第2部分為連續剪切區，薄管的壁厚尺寸隨變通道尺寸變化而先增大后減小，再增大又減小，在2～3 mm尺寸范圍內進行轉變，最終尺寸為2 mm；第3部分為定徑區，薄管獲得最終尺寸并整形。通過對普通擠壓及CVCES成形過程不同階段的管坯進行取樣觀察，研究組織演變規律，如圖3b所示。圖4為CVCES成形過程中不同部位的光學顯微組織觀察試樣及拉伸試樣。將普通擠壓及CVCES成形的鎂合金管材通過線切割制備成拉伸試樣，拉伸實驗在萬能拉伸機上進行，拉伸速度為1 mm/min。為觀察其顯微組織，對管材不同成形位置進行取樣，取樣后用砂紙打磨至光滑，再用苦味腐蝕液（苦味酸+冰乙酸+乙醇）對其表面進行腐蝕。

表2 數值模擬所采用的參數

Tab.2 Parameters used in numerical simulation

圖3 CVCES成形的鎂合金薄壁管材及變形區縱截面實物圖

圖4 CVCES成形過程橫截面不同部位微觀組織觀察試樣及拉伸試樣

注：a為鐓粗區域；b為一次剪切區域；c為二次剪切區域；d為定徑區域；e為拉伸試樣。

2 結果與分析

2.1 CVCES成形過程中的應力演化

圖5為預熱溫度370 ℃下CVCES成形過程中不同階段的應力演變圖。在擠壓桿作用下，薄壁圓管的成形經歷了鐓粗、連續二次剪切及最終定徑。坯料在擠壓桿的作用下產生連續塑性變形，其應力分布伴隨著塑性變形而發生連續變化。在鐓粗階段，如圖5a所示，坯料發生塑性變形，需要克服鎂合金變形抗力以及坯料與凹模、芯軸之間的摩擦力，此時擠壓變形不均勻，應力呈層狀分布，具有明顯的變形梯度。在擠壓時間為1.93～2.46 s時，坯料鐓粗變形完成，進入剪切區，在剪切區產生較大的剪切力，坯料產生較大的塑性變形，變形抗力增大，同時坯料還受到轉角的阻礙作用，應力分布呈現不規則化。當擠壓時間約為2.46時，CVCES成形基本完成。在CVCES成形過程中，管坯受到凹模與芯軸共同的剪切作用，更易產生應力集中，同時受到轉角的剪切力和轉角處的反向阻力，在局部位置受到四向壓縮力，且壓縮力的數量遠大于普通擠壓，更多的壓縮力能有效遏制晶粒間的相對移動，防止晶粒變形，從而提高管坯塑性[15]。CVCES成形的最大擠壓力約為8.89×104N，在強烈的擠壓力作用下，原本粗大的晶粒發生轉動，在相互作用下發生破碎，轉變為等軸細晶粒組織，因而有可能提高鎂合金力學性能[16-19]。

圖5 CVCES成形過程管坯的應力變化

2.2 CVCES成形過程中的應變演化

圖6為預熱溫度370 ℃下CVCES成形過程中不同階段的應變演變圖。在CVCES成形過程中，應變隨著成形過程的演變而增大，圖6a為鐓粗階段，圖6b和圖6c為剪切階段，圖6d為成形階段。如圖6b和圖6c所示，進入剪切區后，應力分布分散。坯料經過變通道，同時受到來自凹模和芯軸的力，產生應力集中，因此產生較大的應變。在CVCES成形過程中，由于坯料內外側存在流速差，會促進剪切應變的形成，因此外側應變明顯高于內側應變，如圖6c所示。

圖6 CVCES成形過程管坯的應變演變

相較于普通擠壓工藝，CVCES工藝成形管坯的累計應變更大。累積應變越大，位錯密度越大，導致更多亞晶產生，更有利于再結晶形核的發生，因此，由CVCES工藝得到的管材再結晶晶粒更加細小。較大的累積應變對晶粒細化產生積極的影響，由此可以預見，CVCES成形可以獲得更加細小均勻的晶粒組織，從而提升管材的抗拉強度等力學性能[20]。

2.3 CVCES成形過程中管坯的流速

圖7為CVCES成形過程中坯料的速度分布。采用點追蹤法對速度流程進行分析，分別在坯料底部選取5個點（1、2、3、4、5）進行分析，如圖7a所示。其中，1、5為管坯外壁上的點，2、3、4為管坯內部點。由圖7b可以看出，2、3、4流速明顯大于1、5，則在CVCES成形過程中，管坯內壁流速明顯高于外壁。其主要原因在于坯料外側在鐓粗階段和剪切階段受到模具轉角的阻礙作用較大，結合圖6a—c也可以發現，管坯外側應變始終高于內側。內外部之間的流速差管坯有利于剪切應力的形成，促進了動態再結晶的形成，使得晶粒細化。

圖7 管坯在CVCES成形過程中的速度分布

2.4 鎂合金管坯在不同階段的顯微組織

沿不同橫截面對CVCES成形管材取樣，分別進行微觀組織觀察和分析，圖8為CVCES成形管材不同階段的微觀組織。圖8a為普通擠壓階段管坯橫截面的微觀組織，圖8b為第1次剪切后管坯橫截面的微觀組織，圖8c為第2次剪切后管坯橫截面的微觀組織，圖8d為CVCES成形管材最終橫截面的微觀組織。由圖8中對比可知，由于管坯在承受普通擠壓的基礎上又經過了3個連續轉角剪切，在擠壓剪切模具與芯軸及擠壓桿的共同作用下，擠壓剪切區形成強的剪切應力，管坯累積應變增大，再結晶程度提高，晶粒細化程度得到了大幅度提升。

由文獻中的實驗結果[20-24]可知，擠壓-剪切過程中會發生動態再結晶，變形量的增大使得晶粒細化。從圖8d中發現，管坯的外側組織尺寸比較細小、分布較均勻，但是在管坯的中部出現了一些粗晶、細晶都存在的混晶組織，在粗大的原始晶粒之間分布著部分動態再結晶的小晶粒。由此可見，普通擠壓成形與CVCES成形的管材其管坯的中心部位和邊部微觀組織的尺寸都存在一定的差異性，分布具有不均勻性。分析CVCES擠壓過程中的等效應變，在動態再結晶過程中，平均晶粒尺寸和參數的關系見式（2）—（3）。

圖8 CVCES成形過程中不同階段管坯橫截面的顯微組織

式中：為平均晶粒尺寸，μm；為ES工藝相關系數；為應變速率；為變形激活能；為溫度，℃；為氣體常數，/(mol·K)。

對不同擠壓方式成形的管材進行金相組織觀察。圖9a和圖9b分別為普通擠壓成形管材和CVCES成形管材的微觀組織。圖10a為普通擠壓條件下鎂合金晶粒尺寸的分布情況，得到的管坯平均晶粒尺寸為20.49 μm；圖10b為經過連續二次剪切成形后得到的管坯晶粒尺寸分布情況，平均尺寸為16.26 μm，晶粒分布較為均勻，大部分晶粒尺寸集中分布在10～20 μm之間。由圖10可知，相對于普通擠壓，CVCES成形的鎂合金微觀組織更加均勻和細小，即CVCES成形可顯著細化鎂合金管材晶粒。在擠壓剪切區，由于管坯內外側的流速不同，導致管坯外側的應變速率高于管坯內側。隨著擠壓過程的進行，坯料外側累積應變上升，最終導致管坯外側的晶粒較內側晶粒更細小。

2.5 力學性能測試

采用HVS-100Z自動轉塔數顯顯微硬度計來測量CVCES擠壓剪切管材和普通擠壓管材成形區的維氏硬度，分別對管材進行取樣，在其橫截面和縱截面上各取9個不同位置進行測量，為減小誤差，去掉最小值后取其平均值作為該材料的硬度。

圖11為CVCES成形和直接擠壓成形的鎂合金管材硬度分布。由圖11的數據分析可知，在橫截面和縱截面上，CVCES擠壓剪切成形的管材硬度明顯高于普通擠壓成形管材，前者比后者高約13%。因為CVCES成形能夠有效細化鎂合金晶粒，起到細晶強化作用，由CVCES變形所導致的合金強化原理是晶界強化，晶界對于屈服強度的影響不只來自晶界本身，同時還受到兩個晶粒過渡區的影響，即位錯運動的障礙。合金的屈服強度和晶粒尺寸的關系可用Hall-Petch公式來表示[25]，見式（4）。

圖9 不同成形方式所得管坯的顯微組織

圖11 不同成形方式對鎂合金管材硬度的影響

CVCES成形工藝較普通成形工藝增加了二道次剪切，使得剪切區管坯的微觀組織不斷細化，同時產生加工硬化。隨著塑性變形程度的加劇，晶粒內部的位錯運動速度加快，微觀組織進一步細化，薄管的硬度進一步增大[26]。

通過對預熱溫度370 ℃下擠壓剪切成形的管材截取拉伸試樣進行拉伸實驗，拉伸數據見表3。由表3可知，CVCES成形管材的平均抗拉強度約為296 MPa左右，伸長率約為9.6%，與普通擠壓成形管材相比，其強度和伸長率顯著增加。比較2種方法成形管材的微觀組織，普通擠壓成形的薄管伸長率較差是因為相較于CVCES成形，其管材組織粗大且不均勻。晶粒較細，形變可分散在較多晶粒內部及晶界，使得應力集中的可能較小，因此在斷裂前可承受更大的變形量，故CVCES成形管材能表現出更好的塑性[27]。無論是普通擠壓還是CVCES成形方法，得到的力學曲線重復性都很差，這是由擠壓所得到的管坯晶粒分布不均勻造成的。

表3 坯料預熱溫度370 ℃下普通擠壓成形與CVCES成形管材的抗拉強度和伸長率

Tab.3 Tensile strength and elongation of tubes prepared by direct extrusion and CVCES forming process with preheating temperature 370 ℃

3 結論

1）CVCES成形工藝可成功制備性能和表面組織良好的薄壁鎂合金管材，由金相分析可知，采用CVCES制備的鎂合金管材尺寸得到明顯細化。

2）通過CVCES成形過程數值模擬研究，在370 ℃時CVCES成形坯料所受的等效應力隨擠壓過程的進行而增大，CVCES成形管材等效應變在剪切階段明顯提升。因為在CVCES成形的轉角處，AZ31鎂合金管材在連續擠壓剪切過程中受到剪切力及反向阻力的作用，使得坯料受到四向壓縮力，顯著地提高了鎂合金的塑性，增加了管材的抗拉強度，提高了硬度等機械性能。

3）通過拉伸實驗和硬度測試可知，通過CVCES成形工藝制備的鎂合金管材塑性得到明顯提升，其最大抗拉強度約為320 MPa，伸長率約為9.6%，硬度較普通擠壓成形管材提高了約13%。由此可見，CVCES擠壓成形所獲得的組織較普通擠壓更加均勻、細小，通過金相實驗也驗證了這一點。

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Effect of Continuous Variable Cross-section Extrusion and Shear(CVCES) on Microstructures and Properties of Magnesium Alloy Thinned-wall Tube

ZHANG Wei1, HU Hong-jun1, ZHANG Hui-ling1, ZHAO Jian-xing1, ZHAO Hui1, ZHANG Ding-fei2

(1. School of Materials Science and Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400050, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

The work aims to propose a new composite extrusion preparation technique for the fabrication and preparation of high performance magnesium alloy thin-wall tube, and the effect of new process on the tube performance is verified. A three-dimensional finite element model of Continues Variable Cross-section Extrusion and Shear (CVCES) forming was established through numerical simulation combined with experiments, and the equivalent forces and accumulated strains of the tube during CVCES forming process were analyzed; the microstructure of the longitudinal section of tube was observed at different positions along the extrusion direction, and the metallographic results of CVCES forming tube and direct extrusion forming tube were compared and analyzed; the strength test and comparison of forming tube were carried out. The results demonstrate that compared with direct extruded magnesium alloy tube, the grain refinement effect of CVCES forming tube is more obvious, the tensile strength is about 320 MPa and the hardness is about 13% higher. The CVCES process can effectively refine the grain, resulting in a significantly higher average hardness and tensile strength of formed tubes.

magnesium alloy tube; CVCES process; grain refinement; microstructures

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.10.006

TG376.9

A

1674-6457(2022)10-0040-09

2022-02-24

國家自然基金面上項目（52071042，51771038）；重慶英才項目（CQYC202003047）；重慶市自然科學基金項目（cstc2018jcyjAX0249，cstc2018jcyjAX0653 ）

張威（1996—），男，碩士生，主要研究方向為精密成形。

胡紅軍（1976—），男，博士，教授，主要研究方向為輕合金材料與工程。