?２１４８?稀有金属材料与工程第３９卷
图ｌＥＳ大塑性变形的几种模式
Ｆｉｇ．１ＳｏｍｅｍｏｄｅｓｆｏｒｔｈｅＥＳＳＰＤ：（ａ）ｆｏｒｗａｒｄｅｘｔｒｕｓｉｏｎａｎｄｓｈｅａｒｉｎｇｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｌｙｗｉｔｈ９０。ｃｏｒｎｅｒ，（ｂ）ｆｏｒｗａｒｄｅｘｔｒｕｓｉｏｎａｎｄｔｗｏｓｈｅａｒｉｎｇｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｌｙｗｉｔｈ９０。ｃｏｒｎｅｒ，（ｃ）ｆｏｒｗａｒｄｅｘｔｒｕｓｉｏｎａｎｄｔｗｏｓｈｅａｒｉｎｇｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｌｙｗｉｔｈ１４５。ａｎｄ９０。ｃｏｒｎｅｒ，ａｎｄ（ｄ）ｆｏｒｗａｒｄｅｘｔｒｕｓｉｏｎａｎｄｆｏｕｒｓｈｅａｆｉｎｇｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｌｙｗｉｔｈ９００ｃｏｒｎｅｒ
的三维（３Ｄ）流动，提供极有价值的工艺分析数据及有
关成形过程中的材料和温度流动。实验和模拟所采用
的是挤压态的商业ＡＺ３１Ｂ镁合金（Ｍ９３Ａ１１Ｚｎ，质量分
数，％），挤压前在４００℃保温１５ｈ，然后冷却到室温，
以使镁合金的组织和力学性能均匀。物理模型的描述
包括坯料的材料特性、成形温度、凹模和工件之间的
摩擦规律等方面。坯料的材料特性主要就是定义其本构关系，在这里采用ＡＺ３１镁合金的本构关系…１１。
力学模型即本构关系是金属塑性加工有限元模拟的前提条件。在应用ＤＥＦＯＲＭ．３Ｄ塑性有限元软件对ＡＺ３ｌ镁合金成形过程进行数值模拟前，要对ＡＺ３１镁合金的材料属性进行描述。由于ＤＥＦＯＲＭ．３Ｄ塑性有限元软件的材料库中尚无这种材料，所以首先要建立ＡＺ３１镁合金的力学模型［１２，１３］。采用Ｇｌｅｅｂｌｅｌ５００热模拟试验机对不同温度和变形速率下ＡＺ３１镁合金变形性进行研究。实验用材料为ＡＺ３ｌ镁合金（国内标准ＭＢ２），化学成分（∞，％）为：２．１５～３．１５Ａｌ：０．１１５～０．１５Ｍｎ；０．１６－－一１．１４Ｚｎ；≤０．１０５Ｃａ；≤０．１００５Ｎｉ：≤０．１００５Ｆｅ：≤０．１１Ｓｉ；其他总量≤０．１３；余量为Ｍｇ。测量数据的范围是２５０～４５０℃，应变速率范围为０．００５—５ｓ一。在ＵＧ三维造型软件中分别建立工件、凸模和凹模的三维实体模型，并保存为ＳＴＬ或者ＩＧＥＳ文件格式。通过ＤＥＦＯＲＭ．３Ｄ前置处理器中的模型输入接口得到有限元软件中的三维实体模型（见图２）。由于不考虑凸模和凹模的受力和变形情况，故把凸模和凹模定义为刚性体，把工件定义为塑性体。其运动关系定义为凹模静止不动，凸模为主动件（ＰｒｉｍａｒｙＤｉｅ），工件视为从动件（Ｓｌａｖｅ）。数值和物理模拟所采用的参数见表ｌ。
１．３物理模拟实验
在充分利用Ｇｌｅｅｂｌｅｌ５００Ｄ热模拟试验机的加热系统、控制系统和数据采集系统的基础上根据上述ＥＳ挤压的思想，设计了一套在热摸拟试验机上使用的ＥＳ模具，设计安装见图３。ＥＳ挤压模具包括挤压支撑、挤
图２模具结构模型
Ｆｉｇ．２Ｄｉｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｏｄｅｌ
表１数值和物理模拟所采用的参数
Ｔａｂｌｅ１Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｕｓｅｄｉｎｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎｄｐｈｙｓｉｃａｌ
ｍｏｄｅｌｉｎｇ
ＰａｒａｍｅｔｅｒＶａｌｕｅ
Ｂｉｌｌｅｔｌｅｎｇｔｈ／ｍｍ１０
Ｂｉｌｌｅｔｄｉａｍｅｔｅｄｍｍ（ａｓ．ｅｘｔｒｕｄｅｄ）５．６
Ｃｏｎｔａｉｎｅｒｉｎｓｉｄｅｒｄｉａｍｅｔｅｒ／ｍｍ６
Ｃｏｎｔａｉｎｅｒｏｕｔｓｉｄｅｄｉａｍｅｔｅｒ／ｍｍ２０
Ｄｉｅｂｅａｒｉｎｇｌｅｎｇｔｈ／ｍｍ５
Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｒａｔｉｏ４
Ｉｎｉｔｉａｌｂｉｌｌｅｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／℃３５０
Ｉｎｉｔｉａｌｔｏｏｌｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／℃３５０
Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒａｎｇｅｆｏｒ磐ｗｓ仃ｅｓ８２５００．４５０
Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ／℃
Ｒａｍｓｐｅｅｄ／ｍｍ?Ｓ。１５Ｆｒｉｃｔｉｏｎｆａｃｔｏｒｏｆｔｈｅｃｏｎｔａｉｎｅｒｂｉｌｌｅｔ．，
ｉｎｔｅｒｆａｃｅｕ‘ｊ
Ｆｒｉｃｔｉｏｎｆａｃｔｏｒｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｂｉｌｌｅｔ
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Ｔｏｔａｌｎｕｍｂｅｒｏｆｅｌｅｍｅｎｔｓ２０ｏｏＯＭｉｎｉｍｕｍｓｉｚｅｏｆｅｌｅｍｅｎｔ／ｒａｍ１
ＭｅｓｈｄｅｎｓｉｔｙｔｙｐｅＲｅｌａｔｉｖｅＨｅａｔｕａｎｓｆｅｒｃｏｅ街ｃｉｅｎｔｂｅｔｗｅｅｎ．．
ｔｏｏｌｉｎｇａｎｄｂｉｌｌｅｔ，Ｎ．℃－Ｉ．Ｓ－Ｉ．ｍｍ‘２
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…。
Ｒｅｌａｔｉｖｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｄｅｐｔｈ／ｍｍ０．７
压筒、挤压杆、挤压模等。左支持座：与试验机的左端夹头紧密配合，其作用一是在加热升温时确保电流的稳定流通；二是在挤压过程作为挤压项头的基座，将试验机的压力传递过去，为其提供坚实的挤压力支
持。挤压杆：它将热模拟试验机产生的挤压力直接施
第１２期胡红军等：新型镁合金大变形技术的研究与验证?２１４９?
Ｉ－ｒｉｇｈｔｓｕｐｐｏｒｔ
２．ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｒａｍ
３－ｃｏｎｔａｉｎｅｒ
４－ＥＳｆｏｒｍｉｎｇ
ｚｏｎｅ
５－ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ
６一ｌｅｎｓｕｐｐｏｒｔ
７－ｃｌａｍｐｄｅｖｉｃｅ
８－ｃｏｐｐｅｒｆｉｌｍ
图３基于热模拟机的ＥＳ模具设计及安装
Ｆｉｇ．３ＩｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆＥＳｄｉｅａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｒｉｔｓｔｙｌｅ
加到变形坯料上，促使坯料塑性变形。挤压筒：坯料
在挤压筒中被加热到预定温度，并且在挤压进行过程
中筒内受到三向压应力的作用。挤压模：其作用就是
控制最终型材的形状和尺寸。右支持座：与试验机的
右端夹头紧密配合，在挤压过程中保持模具的固定和
电流的稳定导通。两个支持座分别安装在挤压夹具上，
保证挤压筒、挤压杆的中心重合，达到同心度一致，
在挤压筒上焊接热电偶，用于温度的测量和控制。
为了减少和消除晶内偏析，改善组织的不均匀性，将铸棒加热到（４００±１０）℃，保温１４ｈ进行均匀化处理。然后车外皮，再挤压。熟模拟实验在Ｇｌｅｅｂｌｅｌ５００Ｄ试验机上进行，应变速率为ｌｓ一，先以５＂Ｃ／ｓ的升温速率升温至４００℃，保温１２０ｓ后开始ＥＳ变形。升温、保温和压缩过程都由计算机进行数据采样及处理。
２结果与讨论
２．１数值模拟结果
图４为ＤＥＦＯ蹦．３Ｄ软件的后处理中ＥＳ成形过程模拟。图４ａ是ＥＳ成形正挤压期间（挤压时间为０．６ｓ）的应变分布，图４ｂ是经过剪切阶段后的应变分布。图４ｂ从正挤压区到剪切区应变升高非常明显，最大有效应变由正挤压的３．０６升高到剪切阶段的５．０８，ＥＳ成形可以明显地增加挤压的累积应变。图５是挤压时间为１．２ｓ时ＥＳ成形过程动态再结晶的等值线图。可以发现动态再结晶主要发生在ＥＳ模具的剪切位置，动态再结晶的体积分数超过１０％，因此ＥＳ成形在一定程度上可以细化晶粒。
２．２微观组织
微观组织检测的位置包括ＥＳ挤压料的横截面和纵截面。初始铸态坯料微观组织的特点是平均晶粒尺寸为２００—３００ｔｔｍ（图６ａ）。在３５０℃ＥＳ成形后挤压棒料沿径向的金相照片见图６ｂ，沿纵向的金相照片见图６ｃ。在ＥＳ变形后晶粒显著细化和均匀化，平均晶粒尺
图４ＥＳ成形过程模拟
Ｆｉｇ．４ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＥＳｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ：（ａ）ｏｒｄｉｎａｒｙｅｘｔｒｕｓｉｏｎｆｏｒｒａｍｔｉｍｅ０．６ｓａｎｄＣｏ）ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｈｅａｆｉｎｇ
ｆｏｒｍｉｎｇｆｏｒｒａｍｔｉｍｅ１．２ｓ
图５挤压时间为１．２ｓ时ＥＳ成形过程动态再结晶模拟和微观组织检测位置示意图
Ｆｉｇ．５ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｄｙｎａｍｉｃｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｆｏｒＥＳｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｔｅｘｔｒｕｓｉｏｎｔｉｍｅ１．２ｓａｎｄｔｈｅｅｘａｍｉｎｅｄｐｏｓｉｔｉｏｎｓ
ｆｏｒｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
寸为１０ｔｔｍ。对ＥＳ挤压制品的组织观察后发现，其再结晶不完全，未再结晶区域非常明显，从而导致力学性能较差。可能的原因是利用Ｇｌｅｅｂｌｅ试验机的电流加
热系统进行加热后的ＡＺ３１坯料的挤压预热温度不够，
?２１５０?
稀有金属材料与工程第３９卷
实验过程中只能设定并控制挤压筒外壁的温度而无法获得筒内坯料的温度，因而有必要对挤压筒和坯料的温度进行实际温度和设定温度的测试。
２．３
ＥＳ成形应力一应变曲线
在调试实验中发现，模具在升温和保温过程中
挤压杆明显发红，根据经验判断其温度应在５００℃以上。而且由于挤压杆发红，其强度明显下降，挤压时被墩粗，挤压杆并没有完成设定的位移（设定为１０ｒａｍ），因而实际也并未得到预计长度的挤压制品（仅３ｍｍ长）。实验过程中的真应力．应变曲线见图７。可以发现，在ＥＳ成形过程中曲线存在两个平台，呈现出
典型的二次再结晶现象。开始仅仅存在正挤压变形时，由于加工硬化，应力急剧增长，增加到约４００ＭＰａ后，缓慢下降，呈稳定状态。说明发生了动态软化，而且软化程度逐渐加大，发生了ＥＳ变形过程第１阶段的动态再结晶。当挤压过程进入第２阶段后，在急剧的剪切力作用下，产生很大的加工硬化，应力再次急剧增加，增加到约８００ＭＰａ后，又缓慢下降。说明发生了动态软化，而且软化程度逐渐加大，发生了ＥＳ变形过程第２阶段的动态再结晶。因此镁合金ＥＳ变形过程比普通的正挤压过程会产生程度更大的动
态再结晶。
图６
ＥＳ变形前后ＡＺ３１镁合金的金相照片
Ｆｉｇ．６
ＯｐｔｉｃａｌｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｓｏｆＡＺ３１ａｌｌｏｙｆｏｒＥＳｆｏｒｍｉｎｇ：（ａ）ａｓ—ｃａｓｔｂｉｌｌｅｔ，（ｂ）ＥＳｆｏｒｍｉｎｇａｌｏｎｇｒａｄｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄ（ｃ）ＥＳｆｏｒｍｉｎｇ
ａｌｏｎｇｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎ
ＴｒｕｅＳｔｒａｉｎ
图７
ＥＳ成形过程轴向真应力．应变曲线
Ｆｉｇ．７
Ｃｕｒｖｅｏｆｔｒｕｅｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎａｌｏｎｇｔｈｅａｘｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｔｈｅＥＳｐｒｏｃｅｓｓ
３结论
１）挤压?剪切（ＥＳ）－－步复合制各工艺是在大比率挤压和等通道挤压的基础上发展出来的新的镁合金细化晶粒的大塑性变形技术。
２）在ＥＳ变形后晶粒显著细化和均匀化。镁合金
ＥＳ变形过程比普通的正挤压过程会产生程度更大的动态再结晶。物理模拟和数值模拟的结果是一致的。
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９８７６５４
３２ｌ
新型镁合金大变形技术的研究与验证
作者：胡红军， 张丁非， 杨明波， 邓明， Hu Hongjun， Zhang Dingfei， Yang MingBo，Deng Ming
作者单位：胡红军,Hu Hongjun(国家镁合金材料工程技术研究中心,重庆400044;重庆理工大学,重庆400050)， 张丁非,Zhang Dingfei(国家镁合金材料工程技术研究中心,重庆400044;重庆大
学,重庆400045)， 杨明波,邓明,Yang MingBo,Deng Ming(重庆理工大学,重庆,400050)
刊名：
稀有金属材料与工程
英文刊名：RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING
年，卷(期)：2010,39(12)
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本文链接：https://www.doczj.com/doc/543466605.html,/Periodical_xyjsclygc201012017.aspx