纯铝等通道转角挤压过程模拟
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摘要：使用有限元模拟软件模拟纯铝的转角挤压过程，对挤压前后试样的硬度及晶粒度进行对比。
Abstract:Using the software of MSC.Marc to simulate the ECAE process of pure aluminum,compare the hardness and grain of the sample between before and after the extrusion
关键词：等通道转角挤压（ECAE）、有限元、纯铝、硬度、组织
Keywords: Equal Channel Angular Extrusion（ECAE）,finite element,pure aluminum, hardness,structure
中图分类号：P618.45文献标识码： A
1、前言
等通道转角挤压（ECAE）工艺①具有工艺简单，生产成本低以及能获得大体积亚微米晶、纳米晶材料等优点，然而，通过实验研究的ECAE的工作量较大，因此开展有限元分析法对ECAE变形过程中的参数及工艺参数的优化，是一条十分有效的途径。本文利用有限元模拟软件MSC.Marc②对纯铝进行等通道转角挤压后的硬度及晶粒度进行了研究。
2、挤压工艺及原理：
本模拟实验过程采用的试样为：1000系纯铝（纯度为99.3%），尺寸：Ф65mm×150mm，实物见图2（a），该材料弹性模量：71000MPa，泊松比0.31，屈服强度80MPa。选用模具两通道的内交角Ф为90°，外接弧角③ψ为37°（内交角与外接弧角示意见图1a），设备选用国产500T立式挤压机，挤压温度:350℃，挤压速度为:10mm/s，剂:胶体石墨，进行ECAE实验。
等通道转角挤压模具示意图如图1所示。等通道转角挤压过程中模具的预热温度和试样的挤压温度相匹配，ECAE过程中试样塑性变形时产生的热量补偿了模具和试样向外传出的部分热量，凹模下部的垫板也采取了一定的预热措施，且凹模的厚度直远大于通道的孔径，保证了凹模通道内部降温需一段时间，这样试样几乎在等温条件下变形。
（a） （b）
3、实验过程及硬度分析
本次实验采用日本FM7000维氏硬度计来测量硬度值，加载载荷为10g,加载时间为10s，为方便硬度检测，对试样进行纵向切割，剖面示意图见图2（b）。
图2 实验前后工件的实物图（a为实验前，b为实验后）
由于难以在实物图上显示各模块的硬度,于是引入图3进行模拟,实验后的组织硬度如图3所对应的表1所示
图3挤压后试样的模拟图
表1 挤压后各模块的组织与原始组织硬度对比表（单位：HV）
由表1的数据可得出结论：AB线右侧的硬度都要比原始组织的硬度要高出一些，而在等通道挤压的过程中G线和H线组成的那部分基本没有参与挤压过程，所以硬度改变不太明显。相比较而言，M线要比N线上的组织硬度要大些，是因为模具内角处有摩擦。因此可以得出结论：通过ECAE过程，可以提高1000系纯铝Φ65×150cm工件的硬度。
4、组织观察
本次实验采用的腐蚀剂为4%氢氟酸HF，腐蚀时间为30s，腐蚀完后放大500倍观察并对比实验前后的照片，观察其组织的变化(图4)。
原始组织的纵断面(500×) 挤压后的纵断面(500×)
图4原始组织与挤压后组织对比
图中白色部分是基体铝，窄的条状物为第二相，由于试样纯度不可能达到100％，必定伴随有第二相的出现，它正好可以帮助我们更加清楚地观察组织和分析问题。从图4中还可以看到原始组织的第二相比较有序，当挤压后组织开始变得越来越杂乱无章，原始组织中的第二相被挤压成比较细小的组织，尤其是中间和前端部分变化非常明显，而后端部分则不太明显，且试样中间部分显得比其它部分要均匀，结合图形来分析，挤压后的试样的等效应变值增加，晶粒得到细化，此种变形为纯剪切变形，这与ECAE有限元模拟非常相似。
因此，对比图4中的原始组织和挤压后的组织，可以得到这样的结论：单道次ECAE工艺可以使1000系Φ65×150纯铝晶粒细化，组织变得均匀。
5、结论：
经ECAE单道次挤压尺寸为Φ65×150cm的1000系纯铝，可以提高该工件的硬度；使纯铝的晶粒细化，组织变得均匀。
参考文献：
①李金山，曹海涛，胡锐等.等径角挤压法制备超细晶的研究现状-《特种铸造及有色合金》，2004（3）：1-3
②刘祖岩, 王尔德, 王仲仁，等径侧向挤压变形载荷的有限元分析-《塑性工程学报》, 1999, 6(3): 7-11
③吴炬，向国权，程先华.模具外接圆弧角对纯铝ECAE影响的有限元分析；《上海交通大学学报》，2005,7(3):12-15
第一作者简介：孙文涛，1985年生，男，山西省天镇县人，内蒙古工业大学学士，助理工程师，从事工艺制定、质量管理及销售等工作，联系方式：13834638339。