劉麗琴 葉永南

摘 要：鎂合金的優(yōu)點(diǎn)在于它有跟鋼一樣的強(qiáng)度和硬度，但重量卻比鋼輕得多，跟塑膠很接近，且具有良好熱傳導(dǎo)能力。正由于它具有密度小、強(qiáng)度高、剛性好的優(yōu)點(diǎn)，使其在工業(yè)和日常生活中占據(jù)了重要的位置。文章采用剛粘塑性有限元法對(duì)AZ31鎂合金的擠壓成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬。并分析其過程中各種場變量的分布及變化，研究不同工藝參數(shù)對(duì)場變量分布的影響，揭示鎂合金擠壓成形規(guī)律。

關(guān)鍵詞：鎂合金；數(shù)值模擬有限元法；擠壓；成形

1 相關(guān)基礎(chǔ)理論及應(yīng)用

有色金屬及鋼鐵等材料的生產(chǎn)工藝與零部件加工成型的基本方法有擠壓、拉拔等，同時(shí)擠壓和拉拔也是目前應(yīng)用較為廣泛的粉末材料、金屬基復(fù)合材料等先進(jìn)材料制備、加工的重要方法。擠壓是對(duì)位于容器或擠壓桶內(nèi)的坯料施加外力，使變形后的金屬從擠壓模中流出（拔出），以獲得所需形狀及尺寸的常用材料塑性成型法，如圖1所示。

1.1 擠壓加工的特點(diǎn)

擠壓加工的主要研究對(duì)象是擠壓變形過程中應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的變化情況，材料的流動(dòng)和變形行為，擠壓后材料的的性能、加工工藝的多樣性以及成品率和成本等方面的特點(diǎn)。

擠壓加工工藝的優(yōu)點(diǎn)：

擠壓制品組織均勻。細(xì)化晶?？梢愿纳平饘俨牧系慕M織結(jié)構(gòu)，并能顯著的提高其力學(xué)性能，對(duì)于一些具有擠壓效應(yīng)的鋁合金，淬火時(shí)效能夠明顯改善其縱向（擠壓方向）力學(xué)性能；

改善材料的塑變能力。擠壓變形區(qū)中的材料所處狀態(tài)為三向壓應(yīng)力的應(yīng)力場，利用變形區(qū)的材料受到了強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力場的作用，充分發(fā)揮材料的塑韌性，得到大變形量的金屬材料；

生產(chǎn)靈活性大。擠壓加工具靈活性大，適應(yīng)性強(qiáng)，在同一臺(tái)設(shè)備上尺寸規(guī)格、生產(chǎn)形狀及種類不同的產(chǎn)品只需更換模具即可實(shí)現(xiàn)，而且模具易于維護(hù)，更換工模具的操作，對(duì)工人的要求不高，操作簡單、費(fèi)時(shí)少、效率高；

擠壓加工工藝的缺點(diǎn)：

擠壓工模具的工作條件惡劣、工模具損耗大。擠壓時(shí)坯料處于不等三向壓力狀態(tài)，應(yīng)變狀態(tài)為延軸向伸長，模具承受的壓力很高，這極大的影響了模具的強(qiáng)度，同時(shí)，熱擠壓時(shí)模具通常還要受到高溫、劇烈的摩擦作用，以上情況都會(huì)對(duì)模具的使用壽命造成不同程度的影響；

制品性能不均勻。擠壓時(shí)，金屬會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)不均勻的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致制品的表面與中心、頭部與尾部出現(xiàn)組織性能不均勻，擠出材料的末端易開裂，在無潤滑正向擠壓時(shí)這種現(xiàn)象尤為嚴(yán)重；

生產(chǎn)效率較低。除連續(xù)擠壓法外，其他的一些常用擠壓方法，都無法進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)。一般情況下，制品的擠壓速度遠(yuǎn)小于制品的軋制速度，而且擠壓生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生較大的成品損耗，其成品率也較低。

1.2 擠壓時(shí)工件的微觀組織及性能和材料的流變特點(diǎn)

擠壓變形過程中材料的流動(dòng)行為的研究具有重要意義。擠壓制品的組織性能、尺寸形狀、表面質(zhì)量、和制品精度、成品率、擠壓模的設(shè)計(jì)制造、擠壓工藝流程等因素，均與金屬材料的塑性變形過程有緊密的聯(lián)系。

解析法和實(shí)驗(yàn)法等方法是研究擠壓變形過程中金屬流動(dòng)行為的重要方法。解析法主要有滑移線法、以上限法為代表的能量法、有限單元法等；實(shí)驗(yàn)法有坐標(biāo)網(wǎng)格法、視塑性法、高低倍組織法、云紋法、光塑性法等。這些方法適用于不同的具體研究對(duì)象，同時(shí)具有其他方法無法比擬的一些特點(diǎn)。

2 基于AZ31鎂合金有限元模型分析

AZ31 鎂合金具有良好的強(qiáng)度、塑性和耐蝕綜合性能，而且價(jià)格較低。AZ31 鎂合金主要通過軋制、擠壓和鍛造等變形方式加工成型，制成各類棒、桿、型材和管材。其典型的室溫力學(xué)性能見表1。

表1 AZ31室溫力學(xué)性能表

合金材料的高溫變形行為是其微觀變形機(jī)制及變形過程中組織結(jié)構(gòu)演變的宏觀反映。材料的變形溫度、變形速率、變形程度以及內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)等因素都會(huì)對(duì)材料高溫變形行為產(chǎn)生一定的影響。材料的流動(dòng)曲線反應(yīng)了溫度、應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變速率之間的關(guān)系，本文擬對(duì)鑄態(tài)均勻化后的AZ31鎂合金高溫流變行為進(jìn)行研究，由于有限元模擬能夠準(zhǔn)確的模擬和預(yù)測該合金的流動(dòng)行為，如應(yīng)力、應(yīng)變、溫度分布等，故該模擬法可以使物理模擬成形過程的時(shí)間大為降低，本文采用材料對(duì)熱力學(xué)參數(shù)變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的本構(gòu)方程來對(duì)材料的變形溫度、應(yīng)力與應(yīng)變等加工參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行模擬。有關(guān)AZ31鎂合金熱物理-熱擠壓參數(shù)如表3所示。

表3 鎂合金熱擠壓的物理參數(shù)

圖2 不同初始坯料溫度下場變量分布圖

由圖2不同初始坯料溫度下的場變量分布分布圖可知，當(dāng)形變溫度和應(yīng)變速率一定時(shí)，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而逐漸增大，當(dāng)真應(yīng)變達(dá)到一定值時(shí)，真應(yīng)力出現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)流變的特性。隨變形溫度的升高，AZ31鎂合金的流變應(yīng)力逐漸減小，隨應(yīng)變速率的提高，其流變應(yīng)力又逐步增大，不同初始坯料溫度對(duì)等效應(yīng)變速率的分布狀況影響不大，由溫度影響應(yīng)變速率峰值的各個(gè)曲線得出，隨著初始坯料溫度升高，第3道次的等效應(yīng)變速率峰值先呈現(xiàn)逐步上升趨勢(shì)然后又逐漸下降。結(jié)果表明，當(dāng)初始坯料溫度高于330℃時(shí)，工件的變形劇烈程度隨坯料溫度的上升而逐漸減弱。1、2道次變形量為80%時(shí)，會(huì)先達(dá)到一個(gè)峰值（此時(shí)坯料初始溫度為 300℃），然后又出現(xiàn)下降趨勢(shì)，而在坯料初始溫度大于 330℃時(shí)，變形劇烈程度又隨坯料初始溫度的上升而增加。

3 結(jié)束語

通過熱模擬分析、有限元數(shù)值模擬、擠壓加工實(shí)驗(yàn)、加工過程中參數(shù)的測定及 AZ31鎂合金空心型材的組織和性能分析，可以得出以下結(jié)論：

3.1 AZ31合金高溫流變應(yīng)力模型能對(duì)復(fù)雜制品的擠壓加工過程進(jìn)行模擬，在變形溫度和應(yīng)變速率一定的情況下，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而逐漸增大，而當(dāng)真應(yīng)變超過一定值后，真應(yīng)力出現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)流變的特性。

3.2 熱擠壓過程后，由電子通道褊度技術(shù)分析可知，工件的變形溫度升高，變形樣品的晶粒度呈現(xiàn)逐增長的趨勢(shì)，隨變形速率增大，變形樣品的晶粒度逐漸減小。

3.3 SEM-ECC成像技術(shù)制樣方法簡單，是一種觀察AZ31鎂合金顯微組織的有效手段，此方法在變形態(tài)鋁合金樣品的分析中有著良好的應(yīng)用前景。

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