于彥東，周 浩

(哈爾濱理工大學 材料科學與工程學院，哈爾濱 150040)

MB15合金等通道轉(zhuǎn)角擠壓組織模擬和實驗分析

于彥東，周 浩

(哈爾濱理工大學 材料科學與工程學院，哈爾濱 150040)

采用等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAP)對MB15合金試樣進行擠壓，利用有限元軟件DEFORM-3D進行ECAP晶粒組織模擬，探索采用有限元模擬與實驗分析相結(jié)合的方法，研究鎂合金ECAP成形過程的晶粒組織變化規(guī)律。模擬結(jié)果表明：數(shù)值模擬后試樣從頭部P1處、中部P2處到尾部P3處的晶粒組織細化程度明顯減小，平均晶粒尺寸從初始的13.32 μm減小到2.3~3.1 μm；采用ECAP方法進行一道次擠壓，試樣的平均晶粒尺寸從13.32 μm減小到2.2 μm。對比數(shù)值模擬與實驗分析結(jié)果表明：兩者在晶粒細化程度上吻合良好。

MB15合金；等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAP)；晶粒細化；模擬

鎂合金作為一種結(jié)構(gòu)材料[1?2]，具有密度低、比強度和比剛度高、電磁屏蔽效果好、抗震能力強，易于機械加工成形和易于回收再利用等優(yōu)點[3?4]。

20多年來，等通道角加工(ECAP)被公認為一種生產(chǎn)超細晶坯料的最流行和有效的方法。該技術對很多金屬和合金都能達到有效的強化作用。鎂合金由于密度低(1.74 g/cm3)和比強度高，在許多科技設備選材上，尤其是在自動化工業(yè)領域，都引起人們的注意。ECAP不但能細化鎂合金的晶粒，增強它們的力學性能，而且能提高它們在高溫下的成型性能。國內(nèi)外一些學者在這些方面進行了大量研究[5?7]。采用不同的工藝參數(shù)，ECAP加工后得到的試樣性質(zhì)也不同。研究結(jié)果表明：模具結(jié)構(gòu)、擠壓速度、擠壓溫度、背壓大小都對ECAP加工材料性質(zhì)有重要影響[8?12]。

有限元數(shù)值模擬技術已經(jīng)在眾多成形工藝中得到應用。許多學者已經(jīng)成功利用數(shù)值模擬技術輔助制定實驗方案、分析實驗結(jié)果，達到減小實驗工作量、降低實驗成本和提高實驗精度等目標[13?17]。

本文作者通過實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，對MB15合金進行ECAP加工并對晶粒微觀組織方面進行研究。該研究主要有兩個途徑：一是利用有限元數(shù)值模擬軟件預報ECAP試樣變形過程中各部分晶粒尺寸的變化趨勢；二是進行ECAP實驗分析晶粒尺寸變化規(guī)律。

1 ECAP有限元模擬設定

擠壓模具的擠壓入口通道和背壓出口通道的直徑為d10 mm，等通道的夾角為90°，兩通道轉(zhuǎn)角處的內(nèi)外圓均無倒角。采用有限元軟件Deform-3D進行數(shù)值模擬，所用的ECAP模具實體剖視圖如圖1所示。對模具進行網(wǎng)格劃分，選用的網(wǎng)格數(shù)為200 000。試樣材料選擇為MB15合金。試樣由推桿沿著擠壓方向推入ECAP模具入口，加工時模具和坯料的溫度均選擇為200 ℃，并在數(shù)值模擬過程中恒定不變。邊界熱交換系數(shù)為 11。邊界摩擦系數(shù)為 0.3。在模具出口通道施加一個背壓。對試樣進行網(wǎng)格劃分，選用的網(wǎng)格數(shù)為8 000。P1、P2和P3分別是試樣的頭部、中部和尾部。試樣頭部P1，加工時率先進入通道轉(zhuǎn)角；P2位于材料中部；尾部P3與推桿相接觸。根據(jù)Avrami方程設定晶粒尺寸模擬數(shù)學模型參數(shù)。

動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)Xr和真應變ε之間符合：

圖1 有限元模擬ECAP模具實體剖視圖Fig.1 Entity of ECAP die of finite element simulation

式中：A，n，m，k為常數(shù)；d為動態(tài)再結(jié)晶后平均晶粒尺寸；d0為動態(tài)再結(jié)晶開始前的平均晶粒尺寸；為動態(tài)再結(jié)晶形變激活能；R為摩爾氣體常數(shù)；T為動態(tài)再結(jié)晶變形溫度。

式中：β和k為常數(shù)；εp為峰值應變。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

數(shù)值模擬完成后進入有限元軟件后處理模塊，得到組織模擬結(jié)果圖片。圖2所示為ECAP擠壓加工初期試樣的各部分晶粒尺寸的變化情況及組織模擬結(jié)果。橫坐標表示晶粒尺寸的數(shù)值，單位為 μm；縱坐標表示晶粒數(shù)目。

從圖2(a)中可以看出：頭部P1處晶粒尺寸范圍為1~6 μm，其平均晶粒尺寸約為2.40 μm，相對于初始晶粒明顯減小。這是由于在ECAP擠壓加工初期，試樣的頭部P1處先進入通道轉(zhuǎn)角部位，產(chǎn)生劇烈的剪切塑性變形，此劇烈變形提供的能量導致該區(qū)域材料高度的位錯纏結(jié)，相互纏結(jié)的位錯間存在較大的應力場，根據(jù)低能位錯結(jié)構(gòu)理論，這些位錯會相互作用并重新排列，形成亞晶結(jié)構(gòu)。而形成的亞晶界會進一步演化為小角度晶界和大角度晶界，引起了動態(tài)再結(jié)晶，從而細化了晶粒。

從圖2(b)中可看出，試樣中部P2處晶粒尺寸范圍為2~13 μm，其平均晶粒尺寸約為8.97 μm，相對于初始晶粒略有減小。該處以10 μm以上的粗大晶粒為主，只在少數(shù)局部區(qū)域存在晶粒尺寸較小的晶粒。在 P2處的試樣，由于背壓的作用，受到一個較小的徑向應力，所提供的能量引起的位錯纏結(jié)也較低，所以只有少數(shù)動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象發(fā)生。

試樣尾部P3處晶粒尺寸范圍為3~18 μm，其平均晶粒尺寸約為 13.12 μm，接近于初始晶粒的尺寸(13.32 μm)(見圖2(c))。由于P3處試樣受到的應力更小，相應的位錯纏結(jié)最小，動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象基本沒有發(fā)生。綜上所述，在ECAP加工初期，晶粒細化程度最高的是頭部 P1處，P2處的次之，P3處基本沒有發(fā)生晶粒細化現(xiàn)象。

圖3所示為ECAP擠壓加工變形末期試樣的各部分晶粒尺寸的變化情況及組織模擬結(jié)果。從圖3中可以看出，頭部P1處晶粒尺寸范圍為1.1~5.4 μm，平均晶粒尺寸為2.3 μm (見圖3(a))；中部P2處晶粒尺寸范圍為 1.1~5.8 μm，平均晶粒尺寸為 2.7 μm(見圖 3(b))；尾部P3處晶粒尺寸范圍為1.1~7.1 μm，平均晶粒尺寸為3.1 μm(見圖3(c))。在一道次ECAP加工完成后，試樣的晶粒尺寸達到 2.3~3.1 μm。這一結(jié)果表明，ECAP對MB15合金具有較為明顯的細化晶粒作用。

通過對比分析圖2和3可知，在ECAP成形過程中，從頭部P1、中部P2到尾部 P3，晶粒細化程度明顯減小。在變形初期，頭部P1處首先產(chǎn)生劇烈變形，導致其晶粒大小得到明顯細化。隨著成形過程的進一步深入，中部P2處再結(jié)晶程度開始加劇，晶粒得以細化。尾部P3處是再結(jié)晶加劇最晚發(fā)生的部分，晶粒細化程度比頭部P1和中部P2處的小。

圖2 變形初期試樣不同部位的晶粒分布及組織模擬結(jié)果Fig.2 Grain size distribution and structure simulation results for samples in different parts at initial stage of plastic deformation:(a), (a′) Head part, P1; (b), (b′) Middle part, P2; (c), (c′) Tail part, P3

3 MB15合金的ECAP實驗

實驗原材料選擇牌號為 MB15的擠壓鎂合金棒材，化學成分如表1所列。

MB15擠壓態(tài)鎂合金棒材的直徑為d 45 mm，在其心部取材，并加工成幾何尺寸為直徑d 10 mm，長35 mm的圓柱形試樣。ECAP模具材料選用工具鋼(X38CrMoV51)，其強度為48~49HRC。等通道模具幾何尺寸為直徑10 mm的圓形截面。水平通道要施加背壓。Instron 8502擠壓機可以提供的擠壓力最大為200 kN。ECAP的擠壓溫度為 200 ℃，擠壓速度為2 mm/s，使用二硫化鉬作為潤滑劑。

實驗所用的MB15擠壓態(tài)鎂合金棒材中心部位顯微金相如圖4所示，用金相定量法測得初始平均晶粒尺寸為13.32 μm。試樣進行一道次的ECAP加工后的中心部位顯微金相組織如圖5所示，其平均晶粒尺寸達到 2.2 μm。

圖3 變形末期試樣不同部位的晶粒分布及組織模擬結(jié)果Fig.3 Grain size distribution and structure simulation results for samples in different parts at final stage of deformation: (a), (a′)Head part, P1; (b), (b′) Middle part, P2; (c), (c′) Tail part, P3

表1 MB15合金的化學成分Table 1 Chemical composition of MB15 magnesium alloy(mass fraction, %)

圖4 MB15擠壓鎂合金光學的金相組織Fig.4 Metallograph of as-extruded Mg alloy MB15

圖5 MB15鎂合金一次ECAP后的金相組織Fig.5 Metallograph of Mg alloy MB15 by ECAP within one pass

圖6 試樣照片及P1、P2和P3處的金相組織Fig.6 Photo of sample(a) and metallographs of parts P1(b), P2(c) and P3(d)

4 結(jié)果與分析

ECAP實驗完成后，分別在頭部P1、中部P2和尾部P3中心部位截取材料做光學顯微分析。圖6所示分別為試樣的照片以及P1、P2和P3處的金相顯微照片。從圖 6(b)、(c)和(d)中可以看出，試樣 P1處晶粒尺寸最小，平均晶粒尺寸為1.9 μm，而且晶粒大小最均勻。這是由于該點處的晶粒再結(jié)晶程度較充分，動態(tài)再結(jié)晶細化該區(qū)域材料晶粒，使晶粒尺寸顯著減小；P2處的次之，晶粒尺寸為2.1 μm；P3處的晶粒尺寸最大，平均晶粒尺寸為2.6 μm，且晶粒大小的均勻性比P1、P2處的差，呈現(xiàn)出粗大晶粒和細小晶?；旌戏植?，表明 P3處動態(tài)再結(jié)晶程度最低，晶粒細化程度比 P1、P2處的低。

圖7所示為加工末期試樣 P1、P2和P3處 ECAP有限元晶粒組織模擬。從圖7(a)可看出，P1處等效應力最高，達到45 MPa左右；P2處等效應力較低，約為10~15 MPa；而尾部P3等效應力最低，為10 MPa以下。P1處是變形程度最大的區(qū)域，變形過程中在該區(qū)域產(chǎn)生高密度的位錯纏結(jié)，相互纏結(jié)的位錯間存在較大的應力場，這些位錯會相互作用并重新排 列，形成亞晶界結(jié)構(gòu)，隨著變形程度增加，在亞晶粒內(nèi)部產(chǎn)生更多位錯并且這些可動位錯被亞晶界進一步吸收，從而使亞晶的位向差增加。以至于亞晶界逐漸形成小角度晶界，進一步演化為大角度晶界。出現(xiàn)新的小晶粒，組織被細化。這一類型的動態(tài)回復和再結(jié)晶是ECAP晶粒細化的主要機制。從圖7中還可看出：P1處的晶粒細化程度最高，也最均勻；P2處次之；P3處的晶粒細化程度明顯比P1、P2點處的小，均勻性也較差。其結(jié)果與圖6(a)、(b)和(c)金相實驗所得晶粒細化結(jié)果吻合良好。可見有限元模擬對研究ECAP成形過程中晶粒細化程度具有一定的指導意義，驗證模擬結(jié)果的正確性。

圖7 試樣照片及P1、P2和P3處晶粒尺寸分布及組織模擬結(jié)果Fig.7 Simulating maps of sample photo(a) and grain size distribution and structure simulation of parts of P1((b), (b′)), P2((c), (c′))and P3((d), (d′))

5 結(jié)論

1) 試樣的晶粒大小得到了明顯細化，從初始晶粒尺寸為13.32 μm，減小到晶粒尺寸在2.3~3.1 μm范圍內(nèi)。對比ECAP成形初期和末期晶粒組織模擬結(jié)果，晶粒細化程度從試樣頭部P1、中部P2到尾部P3處明顯減小。

2) 試樣頭部P1處的加工溫度比中部P2處和尾部P3處的高，這是由塑性變形過程中的溫度效應引起的。頭部 P1處塑性變形最劇烈，導致該處能量比中部 P2處和尾部P3處高，易于發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，晶粒細化程度最高。

3) 對MB15合金進行一道次ECAP成形加工，得到 ECAP實驗前后試樣的平均晶粒尺寸分別為 13.32 μm和2.2 μm。頭部P1處、中部P2處和尾部P3處的平均晶粒尺寸分別為 1.9 μm、2.1 μm和2.6 μm。且晶粒大小的均勻性 P3處的比 P1、P2處的差，呈現(xiàn)出粗大晶粒和細小晶粒混合分布，表明P3處再結(jié)晶不夠充分，晶粒細化程度比P1、P2處的低。該實驗結(jié)果與晶粒組織模擬結(jié)果相近，吻合良好。

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Simulation and experiment analysis of grain structure of MB15 alloy prepared by equal-channel angular pressing

YU Yan-dong, ZHOU Hao
(School of Materials Science and Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150040, China)

The process of equal channel angular pressing (ECAP) was numerically simulated using a finite element software Deform-3D to study the improvement and advancement of plastic processing performance. The method of the combining application of finite element simulation and experimental analysis was explored to investigate the variation of grain structure during the ECAP forming process of Mg alloy. The results show that the grain size of the sample in different zones reduce remarkably, following the sequence of P1, P2and P3. Its average grain size reduces to 2.3?3.1 μm from its former average size of 13.32 μm. The microstructures of the sample was observed by an metalloscope after the ECAP experiment within one pass. Its average grain size reduces from 13.32 μm to 2.2 μm. After comparing the results of finite element numerical simulation and the ones from experimental analysis, there is a good fit in grain refinement between the two.

MB15 alloy; equal-channel angular pressing (ECAP); grain refinement; simulation

G379

A

1004-0609(2011)02-0296-07

黑龍江省重點科技攻關資助項目(GB08A203)

2009-07-15；

2010-04-25

于彥東，教授，博士；13945672900；E-mail: yandongyu@yahoo.com.cn

(編輯 李艷紅)