鈹鋁合金半固態(tài)壓縮變形數(shù)值模擬

李明力，喻 東

（中國工程物理研究院 材料研究所，四川 綿陽 621907）

鈹鋁合金是一種鈹鋁兩相互溶度極低的合金，具有復(fù)合材料特征。由于繼承金屬鈹和金屬鋁的高性能，具有低密度、高比剛度和高比強度，以及很好的熱穩(wěn)定性，是一種優(yōu)秀的航空航天材料。鈹鋁合金相對金屬鈹而言，成本大幅度降低，使得其具有更廣闊的市場。現(xiàn)有產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星部件、戰(zhàn)斗機和航天電子器件等[1-5]。從2011 年開始，陸續(xù)有報道IBC 工程材料公司（IBC Engineered Materials)鈹鋁合金在商業(yè)使用和軍用方面的需求量在增加，相關(guān)企業(yè)正在新建廠房，增加生產(chǎn)量來滿足日益增長的需求。現(xiàn)階段美國已經(jīng)推出多種Beralcast 牌號的鈹鋁合金，瞄準(zhǔn)具有廣闊市場的高精密、高尖端市場[6-8]。

20 世紀(jì)70 年代，Speneer 等[9]發(fā)現(xiàn)半固態(tài)金屬具有特殊的流變性，變形抗力大幅度降低，半固態(tài)加工技術(shù)隨之提出。從20 世紀(jì)70 年代末開始，半固態(tài)加工技術(shù)進(jìn)入了實際生產(chǎn)應(yīng)用。半固態(tài)加工技術(shù)主要應(yīng)用于凝固溫度區(qū)間寬且液相線溫度較低的合金，其中在鋁合金加工成形中的應(yīng)用是最廣泛的。由于半固態(tài)加工過程中漿料充型平穩(wěn)，無湍流和噴濺，可消除凝固形成的縮孔等缺陷。相對固態(tài)成形，其具有變形抗力低、對模具損傷小、低能耗和低成本等優(yōu)勢，并且由于其具有很好的流動性，可實現(xiàn)復(fù)雜零件的近凈成形。許多公司將半固態(tài)成形工藝應(yīng)用到形狀復(fù)雜、成形困難的鋁合金零件上。例如，鋁合金輪轂、汽車發(fā)動機缸體、摩托車零件和發(fā)動機支架等。并且半固態(tài)成形技術(shù)可有效實現(xiàn)節(jié)能減排，是一種綠色制造技術(shù)，在我國大力提倡碳中和，控制碳排放的政策下，具有非常廣闊的發(fā)展前景。

鈹鋁合金加熱到液相線溫度（644 ℃）以上，變形抗力大幅度降低，約50 MPa[10]。但是由于鈹鋁合金半固態(tài)狀態(tài)下，鋁相為液相，鈹相為固相，所以變形過程中易發(fā)生固液分離。本文采用有限元方法對鈹鋁合金半固態(tài)單軸壓縮進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得了樣品中不同區(qū)域的固相率分布情況，以及不同變形量對固相分布的影響，為后續(xù)加工進(jìn)行初步的分析。

1 有限元模型的建立

有限元法可有效模擬計算半固態(tài)成形過程，Deform-3D 軟件被廣泛應(yīng)用于半固態(tài)觸變成形的有限元分析中，可預(yù)測觸變成形過程中載荷大小，以及隨位移增加的變化規(guī)律，除此之外，還能預(yù)測坯料內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變的變化規(guī)律，以及速度場的分布情況。并且有限元分析還能有效預(yù)測變形后樣品內(nèi)部各區(qū)域的固相率分布規(guī)律，以及變形量對坯料內(nèi)部各區(qū)域固相率變化的影響。

本實驗采用的材料模型為鑄態(tài)Be-38wt.%（～30 at.%）Al 合金，其力學(xué)模型借鑒Dou 等[10]的實驗結(jié)果，獲得了在660 ℃、變形速率為1s-1條件下的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。經(jīng)過擬合處理，將曲線導(dǎo)入Deform-3D 軟件材料庫，然后，對建立好的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和計算，并采用Deform-3D Post 模塊對模擬數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行可視化，獲得變形過程中應(yīng)力場和速度場的變化規(guī)律，并獲得樣品固相率的分布情況。

半固態(tài)鈹鋁合金可近似為多孔材料模型[11]，所以材料屬性設(shè)置為多孔性，固相率設(shè)置為0.7。幾何模型采用UG 三維造型軟件進(jìn)行建模，然后導(dǎo)入Deform-3D前處理器中進(jìn)行網(wǎng)格劃分等處理，坯料為Φ10 mm×15 mm的圓柱形樣品，上下壓頭設(shè)置為剛性。變形速率約10 mm/s，溫度為660 ℃。坯料與模具間采用常數(shù)剪切摩擦，摩擦因數(shù)為0.3。如圖1 所示。

圖1 單軸壓縮模型示意圖

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

單軸壓縮樣品分為3 個變形區(qū)。其中：①為難變形區(qū)，②為大變形區(qū)，③為易變形區(qū)，如圖2 所示。分別對樣品變形過程中3 個區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力場、速度場、固相率分布及變化規(guī)律分析。

圖2 單軸壓縮樣品變形區(qū)示意圖

應(yīng)力場分布如圖3（a）所示，在大變形區(qū)（B 區(qū)）應(yīng)力最大，而易變形區(qū)（A 區(qū)）和難變形區(qū)（C 區(qū)）應(yīng)力較小。這是因為多孔材料在壓縮過程中密度會發(fā)生變化，而在大變形區(qū)的密度增加最快及密度最大，所以應(yīng)力也最大。對比分析不同變形量的應(yīng)力分布圖，可以得到隨著變形量的增加，中心區(qū)域的應(yīng)力在持續(xù)增大，這是由于固相顆粒堆積引起的，密度越大應(yīng)力也越大。

圖3 單軸壓縮樣品應(yīng)力分布圖

變形后樣品中各區(qū)域的固相率分布不同主要是變形過程中固液流動速率不同引起的。所以對變形過程中各區(qū)域速度場的分布進(jìn)行分析預(yù)測能有助于對固液分離進(jìn)行理解。變形過程中的速度場分布如圖4 所示，實際變形過程中上部分坯料從上往下流動，而中心區(qū)域的坯料往邊緣區(qū)域流動，在坯料的底面流動速度最小，靠近下表面中心區(qū)域甚至是“變形死區(qū)”。而且隨著變形量的增大，各區(qū)域的流動速率變化不大，但是固相顆粒的流動速率卻在減小，所以液相的流動速率是相對在增加的。

圖4 單軸壓縮樣品速度分布圖

P1～P3 是樣品軸向取樣，其中，P1 為上邊緣的位置，P2 為樣品中心與上邊緣1/2 位置，P3 為中心位置；P3～P6 是樣品徑向取樣，其中，P4 為中心與右邊緣1/2 位置，P5 為P4 與右邊緣1/2 位置，P6 為右邊緣位置，如圖5 所示。

圖5 樣品取樣位置

對變形樣品的不同位置進(jìn)行固相率的統(tǒng)計，如圖6 所示。結(jié)果表明，隨著應(yīng)變量的增加，取樣位置的固相率都在增大，且中心區(qū)域的固相率增加最快，而邊緣處的固相率增加較慢。這是因為模擬過程中將樣品近似為多孔樣品，而空隙處近似為液相，壓縮過程中液相被擠出基體，使得固相率升高。由于液相的流動速率遠(yuǎn)大于固相，中心區(qū)域的液相向鄰近位置流動，使得中心區(qū)域固相率最高。而邊緣處的液相在向外流出的同時，樣品內(nèi)部又有尺寸的液相流入此區(qū)域，所以邊緣處的固相率增加不明顯。

圖6 樣品不同位置的固相率-真應(yīng)變曲線

進(jìn)一步對不同變形量樣品進(jìn)行不同區(qū)域的固相率對比，如圖7 所示。其中1～3 為樣品上邊緣到樣品中心的軸向分布，3～6 為樣品中心到樣品右邊緣的徑向分布。結(jié)果表明，在變形量為0.1 的情況下，各區(qū)域的固相率相差很小，而隨著變形量進(jìn)一步增大，各區(qū)域的固相率持續(xù)增加。軸向和徑向上都具有越靠近中心區(qū)域固相率越高的規(guī)律。除此之外，還能看出隨著變形量的增加，沿軸向邊緣位置與中心位置的固相率差值先增大后減小，而沿徑向邊緣位置與中心位置的固相率差值一直在增加。

圖7 樣品不同變形量的固相率-位置曲線

3 結(jié)論

鈹鋁合金半固態(tài)壓縮變形為偽半固態(tài)壓縮變形，其中液相為鋁相，固相為鈹相，各區(qū)域的固相率差值可表明變形過程中固液分離程度。壓縮過程中，樣品中心區(qū)域應(yīng)力較大是由于固相率增加引起的，而且隨著壓縮量的增加，固相率在增大，引起應(yīng)力也持續(xù)增加。壓縮變形后，樣品中心區(qū)域固相率最高，邊緣位置的固相率較低；隨著變形量的增加，沿軸向方向固液分離程度持續(xù)增加。