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        二輥斜軋穿孔鎂合金管微觀組織演變分析

        2021-11-02 08:33:20梁曉媛胡建華王仕杰靳帥帥茍毓俊
        中國(guó)金屬通報(bào) 2021年10期
        關(guān)鍵詞:界面有限元設(shè)置

        梁曉媛,胡建華*,王仕杰,靳帥帥,茍毓俊

        (1.太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,山西 太原,030024;2.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司,陜西 西安 710032;3.太原科技大學(xué) 交通與物流學(xué)院,山西 太原,030024)

        鎂合金管被廣泛使用,主要用于飛機(jī),航天器,導(dǎo)彈,汽車(chē)和電子設(shè)備等工業(yè)領(lǐng)域[1]。鎂合金管材的成型方法主要包括擠壓法和斜軋軋制穿孔法。目前,通過(guò)擠壓法制得的鎂合金管材在表面質(zhì)量,尺寸精度,性能等方面存在缺陷。同時(shí),現(xiàn)有的擠壓技術(shù)還存在效率低、金屬損失大的問(wèn)題。

        斜軋穿孔法具有生產(chǎn)效率高,設(shè)備投資少的優(yōu)點(diǎn)。斜軋穿孔通常采用兩輥軋制和三輥軋制。其中,三輥軋機(jī)由于中輥直徑小而受驅(qū)動(dòng),咬合能力弱,軋輥系統(tǒng)的剛性不夠大,導(dǎo)致產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量較差。二輥軋機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,用途廣泛,發(fā)展成熟。通過(guò)采用二輥軋制,可以獲得具有高產(chǎn)量,良好的組織和性能的材料。因此,研究鎂合金無(wú)縫管二輥斜軋軋制的穿孔結(jié)構(gòu)分析具有一定的研究意義。

        本文利用Deform-3D軟件成功建立了鎂合金穿孔的有限元結(jié)構(gòu)模型,并設(shè)定了鎂合金斜軋穿孔的工藝和模具參數(shù)。為鎂合金無(wú)縫管加工中的模具設(shè)計(jì),設(shè)備選擇和缺陷分析提供科學(xué)參考。

        1 模型建立

        1.1 鎂合金材料的力學(xué)模型

        由于Deform-3D中沒(méi)有鎂合金材料,因此需要建立該材料的力學(xué).模型。使用的本構(gòu)方程為:其中:ε是應(yīng)變率(s?1),σ是應(yīng)力(MPa); R是氣體常數(shù)為; T是變形溫度(K)。

        該模型與測(cè)試值的相對(duì)誤差小,工作溫度適用于300℃~450℃[2]。

        1.2 幾何模型

        二輥斜軋穿孔是指兩個(gè)輥在垂直于軋制線的相對(duì)平面中對(duì)稱(chēng)地以180°布置,并且輥的旋轉(zhuǎn)方向相反。軋輥相對(duì)于軋制線傾斜。坯料進(jìn)入軋輥,金屬和軋輥后,在它們之間的摩擦力的作用下,它沿軋輥的反方向旋轉(zhuǎn),并同時(shí)被軋輥咬住,然后向前移動(dòng)。在軋輥和頂頭的作用下,坯料變形。在第一次咬合和第二次咬合,毛管縮小壁厚,光滑內(nèi)表面,壁厚均勻,形成無(wú)縫管坯的圓形。在斜軋過(guò)程中,軋輥傾斜排列并以一定的傾斜角度與軋制線交叉,如圖1所示。

        圖1 二輥斜軋穿孔示意圖

        軋制速度,孔喉和頂頭參數(shù)的設(shè)計(jì)對(duì)軋制穿孔金屬的流動(dòng)速度,應(yīng)變和機(jī)械性能有較大影響。因此,輥速、孔喉和頂頭參數(shù)是影響產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)計(jì)的主要因素。二輥斜軋穿孔模設(shè)計(jì)的基本參數(shù)如下:輥的入錐角為2.5°,出錐角為3°,進(jìn)給角為10°,軋制角為0°,最大直徑為Φ60mm,輥壓下降率為20%。輥旋轉(zhuǎn)速度為12rad·s?1,頂部旋轉(zhuǎn)速度為15rad·s?1,孔喉為85mm[3]。

        1.3 初始條件

        (1)管坯的建立:管坯的直徑為110mm,長(zhǎng)度為250mm,溫度為400℃。材料為AZ31鎂合金,網(wǎng)格分為50000個(gè)。

        (2)設(shè)定運(yùn)動(dòng)條件:使鋼管未達(dá)到第一咬合狀態(tài),將軋輥的速度設(shè)定為280rpm。在達(dá)到穩(wěn)定的軋制之后,速度增加到600rpm。

        (3)摩擦條件的設(shè)定:經(jīng)過(guò)多次測(cè)試,軋輥與工件之間的摩擦力必須大于1.7,以實(shí)現(xiàn)咬合和穩(wěn)定的軋制。塞子和工件之間的摩擦力設(shè)置為1.3,導(dǎo)板和工件之間的摩擦力設(shè)置為0.1。建立的有限元模型如圖2所示。

        圖2 有限元模型

        1.4 有限元組織模型的建立

        1.4.1 創(chuàng)建一個(gè)新的問(wèn)題

        打開(kāi)DEFORM-MICROSTRUCTURE窗口,單擊Add project按鈕添加一個(gè)計(jì)劃。

        1.4.2 追蹤選項(xiàng)設(shè)置

        在坯料的空白處選擇兩個(gè)點(diǎn)設(shè)為跟蹤點(diǎn)。

        1.4.3 離散點(diǎn)陣設(shè)置

        在離散晶格界面中,行和列設(shè)置為50,絕對(duì)大小設(shè)置為1。

        1.4.4 晶粒邊界條件設(shè)置

        在“晶粒邊界”選項(xiàng)界面中,將“Neighborhood”設(shè)置為“Moore’s Neighborhood”,將半徑設(shè)置為1。

        1.4.5 位錯(cuò)密度常數(shù)設(shè)置

        在位錯(cuò)密度參數(shù)界面中,參數(shù)設(shè)置為:

        1.4.6 形核狀況設(shè)置

        在核形成條件界面2中,將Critical dislocation density for DRX設(shè)定為0.02,Probability of nucleation設(shè)定為0.01。

        1.4.7 晶粒生長(zhǎng)設(shè)置

        在晶粒長(zhǎng)大和材料常數(shù)之間的界面處,常數(shù)設(shè)置為1。

        1.4.8 流動(dòng)應(yīng)力和材料常數(shù)設(shè)置

        在流應(yīng)力與材料常數(shù)的界面中,輸入溫度為100,流應(yīng)力為2000萬(wàn);溫度為500,流動(dòng)應(yīng)力為10000000。以MPa為單位的Elastic Shear Modulus(G) in MPa設(shè)置為260e9,以微米為單位的Burgers vector(b)設(shè)置為0.352e-9。

        單擊完成,軟件將開(kāi)始執(zhí)行微觀結(jié)構(gòu)演化過(guò)程,該過(guò)程在演化過(guò)程中會(huì)受到許多因素的影響,例如應(yīng)變率,應(yīng)變,溫度等[4]。

        2 位錯(cuò)密度變化

        圖3是表示斜軋穿孔的AZ31鎂合金的位錯(cuò)密度變化的圖。從圖中可以看出在斜軋和穿孔過(guò)程中,在外力的作用下,金屬彼此分離,從而使位錯(cuò)彼此纏結(jié),相互擠壓,并擠壓晶粒間隙,從而導(dǎo)致位錯(cuò)密度迅速增加。為獲得良好的動(dòng)態(tài)重結(jié)晶組織創(chuàng)造了條件[5]。

        圖3 斜軋穿孔AZ31鎂合金位錯(cuò)密度變化圖

        3 微觀組織變化

        圖4斜軋穿孔時(shí)AZ31鎂合金的顯微組織變化。從圖中可以看出,晶粒從原始的塊狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闂l狀。隨著變形程度的增加,穿孔即將結(jié)束時(shí),幾乎所有晶粒都會(huì)變成細(xì)條狀結(jié)構(gòu)。

        圖4 斜軋穿孔AZ31鎂合金微觀組織變化圖

        4 結(jié)論

        隨著斜軋穿孔的發(fā)展,變形程度增加,組織受到加工硬化和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化的影響,位錯(cuò)密度和晶粒尺寸發(fā)生明顯變化。位錯(cuò)密度逐漸增加,晶粒逐漸細(xì)化,這對(duì)鎂合金的組織具有重要影響,為之后鎂合金穿孔的微觀分析研究提供了科學(xué)參考。

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