数值模拟对镁合金挤压的优化

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摘 要：镁合金的优点在于它有跟钢一样的强度和硬度，但重量却比钢轻得多，跟塑胶很接近，且具有良好热传导能力。正由于它具有密度小、强度高、刚性好的优点，使其在工业和日常生活中占据了重要的位置。文章采用刚粘塑性有限元法对AZ31镁合金的挤压成形过程进行数值模拟。并分析其过程中各种场变量的分布及变化，研究不同工艺参数对场变量分布的影响，揭示镁合金挤压成形规律。

关键词：镁合金；数值模拟有限元法；挤压；成形

1 相关基础理论及应用

有色金属及钢铁等材料的生产工艺与零部件加工成型的基本方法有挤压、拉拔等，同时挤压和拉拔也是目前应用较为广泛的粉末材料、金属基复合材料等先进材料制备、加工的重要方法。挤压是对位于容器或挤压桶内的坯料施加外力，使变形后的金属从挤压模中流出（拔出），以获得所需形状及尺寸的常用材料塑性成型法，如图1所示。

1.1 挤压加工的特点

挤压加工的主要研究对象是挤压变形过程中应力应变状态的变化情况，材料的流动和变形行为，挤压后材料的的性能、加工工艺的多样性以及成品率和成本等方面的特点。

挤压加工工艺的优点：

挤压制品组织均匀。细化晶粒可以改善金属材料的组织结构，并能显著的提高其力学性能，对于一些具有挤压效应的铝合金，淬火时效能够明显改善其纵向（挤压方向）力学性能；

改善材料的塑变能力。挤压变形区中的材料所处状态为三向压应力的应力场，利用变形区的材料受到了强烈的三向压应力场的作用，充分发挥材料的塑韧性，得到大变形量的金属材料；

生产灵活性大。挤压加工具灵活性大，适应性强，在同一台设备上尺寸规格、生产形状及种类不同的产品只需更换模具即可实现，而且模具易于维护，更换工模具的操作，对工人的要求不高，操作简单、费时少、效率高；

挤压加工工艺的缺点：

挤压工模具的工作条件恶劣、工模具损耗大。挤压时坯料处于不等三向压力状态，应变状态为延轴向伸长，模具承受的压力很高，这极大的影响了模具的强度，同时，热挤压时模具通常还要受到高温、剧烈的摩擦作用，以上情况都会对模具的使用寿命造成不同程度的影响；

制品性能不均匀。挤压时，金属会出现流动不均匀的现象，这种现象会导致制品的表面与中心、头部与尾部出现组织性能不均匀，挤出材料的末端易开裂，在无正向挤压时这种现象尤为严重；

生产效率较低。除连续挤压法外，其他的一些常用挤压方法，都无法进行连续生产。一般情况下，制品的挤压速度远小于制品的轧制速度，而且挤压生产过程中会产生较大的成品损耗，其成品率也较低。

1.2 挤压时工件的微观组织及性能和材料的流变特点

挤压变形过程中材料的流动行为的研究具有重要意义。挤压制品的组织性能、尺寸形状、表面质量、和制品精度、成品率、挤压模的设计制造、挤压工艺流程等因素，均与金属材料的塑性变形过程有紧密的联系。

解析法和实验法等方法是研究挤压变形过程中金属流动行为的重要方法。解析法主要有滑移线法、以上限法为代表的能量法、有限单元法等；实验法有坐标网格法、视塑性法、高低倍组织法、云纹法、光塑性法等。这些方法适用于不同的具体研究对象，同时具有其他方法无法比拟的一些特点。

2 基于AZ31镁合金有限元模型分析

AZ31 镁合金具有良好的强度、塑性和耐蚀综合性能，而且价格较低。AZ31 镁合金主要通过轧制、挤压和锻造等变形方式加工成型，制成各类棒、杆、型材和管材。其典型的室温力学性能见表1。

表1 AZ31室温力学性能表

合金材料的高温变形行为是其微观变形机制及变形过程中组织结构演变的宏观反映。材料的变形温度、变形速率、变形程度以及内部微观组织结构等因素都会对材料高温变形行为产生一定的影响。材料的流动曲线反应了温度、应力、应变和应变速率之间的关系，本文拟对铸态均匀化后的AZ31镁合金高温流变行为进行研究，由于有限元模拟能够准确的模拟和预测该合金的流动行为，如应力、应变、温度分布等，故该模拟法可以使物理模拟成形过程的时间大为降低，本文采用材料对热力学参数变化的动态响应的本构方程来对材料的变形温度、应力与应变等加工参数之间的关系进行模拟。有关AZ31镁合金热物理-热挤压参数如表3所示。

表3 镁合金热挤压的物理参数

图2 不同初始坯料温度下场变量分布图

由图2不同初始坯料温度下的场变量分布分布图可知，当形变温度和应变速率一定时，应力随应变的增加而逐渐增大，当真应变达到一定值时，真应力出现了稳态流变的特性。随变形温度的升高，AZ31镁合金的流变应力逐渐减小，随应变速率的提高，其流变应力又逐步增大，不同初始坯料温度对等效应变速率的分布状况影响不大，由温度影响应变速率峰值的各个曲线得出，随着初始坯料温度升高，第3道次的等效应变速率峰值先呈现逐步上升趋势然后又逐渐下降。结果表明，当初始坯料温度高于330℃时，工件的变形剧烈程度随坯料温度的上升而逐渐减弱。1、2道次变形量为80%时，会先达到一个峰值（此时坯料初始温度为 300℃），然后又出现下降趋势，而在坯料初始温度大于 330℃时，变形剧烈程度又随坯料初始温度的上升而增加。

3 结束语

通过热模拟分析、有限元数值模拟、挤压加工实验、加工过程中参数的测定及 AZ31镁合金空心型材的组织和性能分析，可以得出以下结论：

3.1 AZ31合金高温流变应力模型能对复杂制品的挤压加工过程进行模拟，在变形温度和应变速率一定的情况下，应力随应变的增加而逐渐增大，而当真应变超过一定值后，真应力出现了稳态流变的特性。

3.2 热挤压过程后，由电子通道褊度技术分析可知，工件的变形温度升高，变形样品的晶粒度呈现逐增长的趋势，随变形速率增大，变形样品的晶粒度逐渐减小。

3.3 SEM-ECC成像技术制样方法简单，是一种观察AZ31镁合金显微组织的有效手段，此方法在变形态铝合金样品的分析中有着良好的应用前景。

参考文献

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[3]贾玉玺.挤压加工对SiCp/A1复合材料组织和性能的影响[J].塑性工程学报，2000.7（4）：5-7.