ZK60鎂合金棒材ECAP過程有限元模擬分析

于彥東， 逯允龍， 莊園， 初德勝， 李彩霞

（哈爾濱理工大學材料科學與工程學院，哈爾濱150040）

ZK60鎂合金棒材ECAP過程有限元模擬分析

于彥東， 逯允龍， 莊園， 初德勝， 李彩霞

（哈爾濱理工大學材料科學與工程學院，哈爾濱150040）

采用剛黏塑性有限元理論，在擠壓溫度為200℃、擠壓速度為2 mm/s、背壓強度為40 MPa時，對ZK60鎂合金棒材進行四道次ECAP過程的數值模擬，觀察棒材在四道次ECAP過程中金屬流動情況，并分析棒材在四道次ECAP過程中應力場和溫度場的分布和變化規律。

ECAP；四道次擠壓；ZK60棒材；有限元分析

0 引言

鎂合金具有密度低、比強度和比剛度高、電磁屏蔽效果好、抗震能力強，易于機加工成形和易于回收再利用等優點［1］。

近年來，等通道轉角擠壓（EqualChannelAngularPressing簡稱ECAP）作為一種制備超細晶材料的新技術工藝，受到材料科學學者的極大關注［2］。這種技術主要是在不改變材料外觀形狀和尺寸的條件下，引入強烈的近似于純剪切的變形來達到使材料晶粒細化的目的，從而改善材料的力學性能。這是由于密排六方金屬具有很強的細晶強化效應，通過細化晶粒能夠使鎂合金的強度得到顯著提高。此外，細化晶粒還能夠明顯改善鎂合金的塑性［3］。

本文采用體積成形有限元軟件，對ZK60鎂合金棒材進行了的四道次ECAP過程的三維有限元數值模擬。了解金屬在擠壓過程中的流動情況，分析應力場及溫度場分布的模擬結果，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。

1 建立模型及模擬設置

模擬ECAP過程所用的模具實體圖主要由擠壓桿、凹模和背壓頂桿3個元件組成，由于要對試樣以BC路徑進行四道次擠壓，模擬所采用的是多級連續ECAP模型，如圖1所示。

圖1 ECAP有限元模型

模擬中試樣選用的網格劃分數為18 000，凹模的網格數為200 000，擠壓桿的網格數為20 000，背壓頂桿的網格數為12 000，除試樣材料為ZK60鎂合金外，模具3個元件所采用的材料均為H13鋼，這個模型中擠壓模具的擠壓入口通道和背壓出口通道的直徑為φ10 mm，等通道的夾角為90°。凹模包含了4條彎曲的90°等通道，每一次擠壓就相當于完成了1次BC路徑的單道次ECAP，最終完成了4次擠壓。

2 模擬結果分析

2.1 應力場模擬

ECAP過程中應力場分布的模擬分析尤為重要，應力的大小與變形的劇烈程度密不可分，也與晶粒的細化效果息息相關。四道次ECAP過程中每道次擠壓后的應力分布變化如圖2所示，圖中標注出了每道次擠壓的位置。變形前期部分試樣通過第一條等通道后應力場分布如圖2（a）所示，可以看出，應力場主要分布在兩個等通道相交的區域，尤其是內、外角之間存在的狹長的剪切變形帶區域中應力更大，能達到100 MPa。這與低能位錯結構理論有關，通道轉角處發生劇烈的剪切變形，變形會使組織中產生高密度的纏結位錯，而位錯間存在著較大應力場，它們會相互作用并重新排列，形成亞晶結構，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，引起動態再結晶，從而細化晶粒。這也證實了ECAP主要通過通道拐角處的純剪切變形來使晶粒得到顯著細化這個理論的正確性。

ECAP變形過程中試樣通過第二、三、四條等通道后的應力場分布分別如圖2（b）、（c）、（d）所示，首先可以看出試樣所受的最大應力值在不斷降低，第二道次最大應力值能達到60 MPa，第三道次最大應力值僅為10 MPa，第四道次更低，只有5 MPa左右。這表明隨著擠壓道次的增多塑性變形不再劇烈，晶粒細化效果也會越來越弱；其次最大應力主要分布在第一條等通道拐角處，這表明第一條等通道處塑性變形的程度最劇烈，對晶粒的細化效果也必然最明顯。

圖2 不同道次ECAP變形過程中應力場分布

2.2 溫度場模擬

ECAP過程中應力場的變化直接反映在溫度場的變化上，試樣所受的應力越大，變形也就越劇烈，變形區域的溫度相比其他區域也就越高，即試樣各個區域的溫度差值明顯。因此，對于應力場和溫度場的模擬結果應綜合分析。連續四道次ECAP變形過程中溫度場的分布如圖3所示。

圖3 不同道次ECAP變形過程中溫度場分布

變形前期部分試樣通過第一條等通道后溫度場的分布如圖3（a）所示。可以看出，溫度分布由剪切變形帶開始向著變形試樣尾部區域性逐級遞減，溫度較高部位仍主要分布在通道拐角處，剪切變形帶區域溫度最高能達到207℃，尾部區域溫度最低為201℃，同時還觀察到已通過通道拐角區域的部位溫度略低于剪切變形帶區域。

這種溫度場分布狀況主要是塑性變形熱、摩擦熱和熱傳導共同作用的結果，試樣在通過通道拐角區域時會由于受到純剪切變形力的作用而發生劇烈的塑性變形，產生大量的塑性變形熱。另外，與凹模內壁摩擦也會產生摩擦熱，這些熱量必然要通過熱傳導傳遞到溫度較低的區域，因此就導致了這種剪切變形帶區域溫度最高，溫度向著其它區域逐級遞減的現象。而通過拐角區域的部位由于要向空氣散熱以及與凹模發生熱傳導，因此溫度略有降低。

變形過程中試樣通過第二條等通道后的溫度場分布如圖3（b）所示，可以看出，最高溫度分布在兩條相鄰等通道之間剪切變形帶交匯的區域，并且以此為中心呈現出向著其它部位區域性逐級遞減的分布特征。相比變形前期，由于變形過程中模具向環境散熱以及熱傳導的作用，同時變形的劇烈程度相對于試樣剛通過第一條等通道時也有所降低，導致試樣溫度顯著降低，最高溫度僅能達到202℃，且最高與最低溫度相差2℃。大量的變形熱意味著劇烈的塑性變形，模擬結果表明剪切變形帶的交匯區域由于受到兩條等通道剪切力的共同作用而劇烈變形。變形過程中試樣通過第三條等通道后的溫度場分布如圖3（c）所示，可以看出，試樣溫度再度降低，最高與最低溫度均稍高于200℃，且兩者之間僅相差0.5℃，分析認為試樣整體溫度的下降主要是由于模具散熱及試樣通過等通道時變形劇烈程度越來越低所致；此外，每條等通道拐角部位的溫度雖然仍高于其它部位，但也在按照等通道的順序逐次降低，這表明試樣變形的劇烈程度也在按等通道的順序逐次降低。這兩點均與應力場分析得出的結論相同。

變形過程中試樣通過第四條等通道后的溫度場分布如圖3（d）所示，可以看出，試樣溫度降低到200℃以下，最高與最低溫度僅相差0.3℃。這時的最高溫度位于第四條等通道的拐角位置，這表明第四條等通道處的塑性變形稍顯劇烈，但由于該區域溫度升高不明顯以及應力作用總體減少，可以分析出該區域的晶粒細化效果仍不會很明顯。

3 結論

通過對ZK60合金棒材四道次ECAP變形過程進行有限元數值模擬，探討了變形過程中應力場及溫度場的變化，主要得出以下結論：

1）對ZK60合金棒材進行四道次ECAP應力場模擬表明，隨著擠壓道次的增加，試樣塑性變形不再劇烈，試樣通過第一個等通道拐角后的最大應力以及最高溫度均分布在剪切變形帶區域。

2）四道次ECAP變形過程中的應力場及溫度場分布模擬結果均表明，試樣變形的劇烈程度不但隨著擠壓道次的增加而降低，同時也按照擠壓道次的順序再逐漸降低。每條等通道拐角部位的溫度分布高于其它部位。

［1］ MckenziePWJ，LapovokR，EstrinY.Theinfluenceofbackpressure on ECAP processed AA 6016：Modeling and experiment［J］. Acta Materialia，2007，55：2985-2993.

［2］ Janecek M，Popov M，Krieger M G，et al.Mechanical properties and microstructure of a Mg alloy AZ31 prepared by equalchannel angular pressing［J］.Materials Science and Engineering，2007，A462：116-120.

［3］ 于彥東，周浩.MB15合金等通道轉角擠壓晶粒組織模擬和實驗分析［J］.中國有色金屬學報，2011（2）：296-302.

（編輯昊 天）

Finite Element Simulation and Analysis of ZK60 Magnesium Alloy Bar in the ECAP Process

YU Yandong,LU Yunlong,ZHUANG Yuan,CHU Desheng,LI Caixia
（School of Materials Science and Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150040,China）

The ZK60 magnesium alloy bar was conducted by numerical simulation during the four-pass equal channel angular pressing（ECAP）process through the rigid visco-plastic finite element theory at the temperature of 200℃,the extrusion of 2 mm/s and the back pressure of 40 MPa.Then the metal flow of the bar was observed,the distribution and change of the stress field and temperature field were analyzed in the four-pass ECAP process.

ECAP;four-pass pressing;ZK60 magnesium bar;finite element analysis

TG 376.2;TG 379

A

1002－2333（2014）05－0085－03

于彥東（1964—），女，教授，博士，從事鎂合金精密成型技術研究。

2014-03-28

黑龍江省教育廳科學研究項目（12521075）