二輥斜軋穿孔鎂合金管微觀組織演變分析

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)簡單，用途廣泛，發(fā)展成熟。通過采用二輥軋制，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）。

該模型與測試值的相對誤差小，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平面中對稱地以180°布置，并且輥的旋轉(zhuǎn)方向相反。軋輥相對于軋制線傾斜。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，形成無縫管坯的圓形。在斜軋過程中，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)過多次測試，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)新的問題

打開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 晶粒生長設(shè)置

在晶粒長大和材料常數(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；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，軟件將開始執(zhí)行微觀結(jié)構(gòu)演化過程，該過程在演化過程中會(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。