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半固态轻合金触变模锻成形数值模拟 摘要 半固态成形技术兼有液态和固态金属成形的优良特性，是高效、节能的材料 加工前沿技术，是2 1 世纪最具有发展潜力的金属成形技术之一。 本文采用基于刚塑性 日l l 粘塑性有限元方法对镁合金汽车中间轴螺塞的成形 过程进行数值模拟，并对两种不同成形工艺进行分析对比，得到了变形流动规律 和力能参数。 从数值模拟结果中可以看到，圆坯料一次成形方案尽管能够减少工序，但该 方案存在较大的成形缺陷。与圆坯料一次成形方案比较，预锻一终锻加工方法成 形力较低，应变分布均匀，不易产生成形缺陷和应力集中。 采用基于刚粘塑性有限元方法对镁合金触变锻造过程进行数值模拟。利用基 于多元非线性回归方法建立的半固态a z 6 1 合金本构关系确立了相关模拟参数， 并分析了高固相体积分数下半固态镁合金材料触变力学性能，得到镁合金零件半 固态触变成形过程的变形流动规律和温度场。 结果表明，半固态镁合金材料较常规态材料变形抗力小，成形载荷有较大降 低。半固态成形零件等效应力分布较为合理，而常规态材料易产生应力集中，需 要补充后续加工工序。在接近固相线温度下，半固态成形的材料充填性能与常态 的差别不大。 采用半固态模锻的方法对y 1 1 2 铝合金进行触变成形试验。用机械搅拌制出 半固态坯料，并对搅拌前原始枝晶坯料和半固态坯料进行了微观组织分析及对 比。二次加热实验表明y 1 1 2 铝合金液相线铸造坯料在5 6 5 左右保温1 5 3 0 m i n 能够获得较满意的适于半固态成形的触变组织。 y 11 2 铝合金高固相率半固态模锻过程数值模拟中变形力要略小于真实试验 中变形力，数值和变化趋势二者基本吻合。同时数值模拟结果表明半固态触变成 形后零件中应力应变分布均匀，半固态技术较传统加工方式具有优越性。 关键词：半固态数值模拟触变模锻d e f o r m 半固态轻台金触变模锻成形数值模拟 a b s t r a c t a sae n e r g yc o n s e r v a t i o n ，h i g he f f i c i e n c ym a t e r i a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ， s e m i - s o l i dm e t a lf o r m i n g ( s s m ) c o m b i n e st h es u p e r i o rp r o p e r t yo fl i q u i da n ds o l i d m e t a lf o r m i n g ，i sc o n s i d e r e da st h em o s tp o t e n t i a lo n ef o rm e t a lf o r m i n gi nt h e2 1s t c e n t u r y t h ef o r m i n gp r o c e s so fm a g n e s i u ma l l o ya u t o m o b i l ei n t e r m e d i a t es h a f tp l u gi s a n a l y z e dw i t hc o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw h i c hb a s e do nr i g i dp l a s t i c r i g i d v i s c o p l a s t i c f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t w ok i n d so ff o r m i n gp r o c e s sh a v eb e e n c o m p a r e d ， a n db e h a v i o ro fm e t a lf l o wa n dl o a d s t r o k ec u r v ew e r eo b t a i n e df r o m t h es i m u l a t i o n f r o ms i m u l a t i o nr e s u l t si t sc o n c l u d e dt h a tt h o u g hw o r k i n gp r o c e d u r ec o u l db e r e d u c e di nr o u n d - b l a n kf o r m i n g ， s i g n i f i c a n tf o r ml i m i t a t i o no c c u r r e di nt h i sc a s e a n dc o m p a r e dt oi t ，t h e r ei sl o w e rl o a d ， m o r eu n i f o r i l ls t r a i nd i s t r i b u t i o na n dl e s s s h a p e db u ga n ds t r e s sc o n c e n t r a t i o ni np e r f o r m f i n i s hf o r g i n gp r o c e d u r e t h et h i x o f o r m i n gp r o c e s so fm a g n e s i u ma l l o ya u t o m o b i l ei n t e r m e d i a t es h a f t p l u g i s a n a l y z e d w i t h c o m p u t e r n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw h i c hb a s e do n r i g i d p l a s t i c r i g i dv i s c o p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o d 。p a r a m e t e r sf o rs i m u l a t i o nw e r ec h o s e o nt h ec o n d i t i o nt h a tc o n s t i t u t i v er e l a t i o n s h i pf o ra z 6 1a l l o yw a se s t a b l i s h e db yo u r g r o u pu s i n gm u l t i p l en o n l i n e a rr e g r e s s i o nm e t h o d t h i x om e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f s e m i s o l i da z 6 1 a l l o yi nh i g hs o l i df r a c t i o nw a sa l s oa n a l y z e d b e h a v i o ro fm e t a l f l o wa n dt e m p e r a t u r ef i e l dw e r eo b t a i n e df r o mr e s u l t s ， w h i c hw a sa l s oc o m p a r e d w i t he x p e r i m e n t a t i o nd a t a r e s u l t ss h o w e dt h a tf o r m i n gr e s i s t a n c ei ns e m i s o l i dm ga l l o yi sl o w e rt h a n n o r m a lm a t e r i a l ， f o r m i n gl o a di sr e d u c e ds h a r p l y t h ee f f e c t i v es t r a i nd i s t r i b u t i o ni n s e m i s o l i dp a r ta r em o r er e a s o n a b l e ，a n ds t r e s sc o n c e n t r a t i o nn l o r ei i a b l eo c c u r r e di n n o r m a lm a t e r i a la n dm o r ep r o c e d u r es h o u l db ea d d e d i nt e m p e r a t u r ea p p r o a c h e dt o s o l i d p h a s el i n e ，t h e r eh a sl i a l ed i f f e r e n c ei nf i l l i n gb e h a v i o rb e t w e e ns e m i s o l i d m a t e r i a la n dn o r m a lm a t e r i a 】 半固态轻合金触变模锻成形数值模拟 y 1 12a 1 a l l o yt h i x o f o r g i n ge x p e r i m e n ti m p l e m e n t e di ns e m i - s o l i ds t a t e s e m i s o l i db l a n kb em a d eb ym e c h a n i s ms t i r r i n g ，a n dm i c r o s t r u c t u r eo fo r i g i n a l b l a n ka n ds e m i s o l i db l a n ki sc o n t r a s t e da n da n a l y z e d ，t h er e h e a t i n ge x p e r i m e n t s s h o w e dt h a ta f t e rh o l d i n g2 0 0 r a i na t5 6 5 ， y 112a 1a l l o yc o u l db er e h e a t e di n t o s e m i s o l i ds t a t ew i t hm i c r o s t r u c t u r ew h i c hw a ss u i t a b l ef o rs s m t h ef o r m i n gr e s i s t a n c ei nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fy 11 2 a ia l l o yi n h i g h s o l i d f r a c t i o ni ss l i g h t l ys m a l l e rt h a nr e s u l t si nr e a le x p e r i m e n t ，a n di t si n o s c u l a t i n g b e t w e e ns i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ti nn u m e r i c a lv a l u ea n dc h a n g i n gt r e n d a n d r e s e a r c hs h o w e dt h a tt h es t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o ni np a na f t e rs e m i s o l i d t l l i x o f o r m i n gw a su n i f o r m t h es e m i s o l i dt e c h n o l o g yh a st a k e np r i o r i wo f t r a d i t i o n a lp r o c e s s i n g k e yw o r d s ： s e m i s o l i d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h i x o f o r g i n g d e f o r v l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌_ 大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：爹彀 签字日期： 年月，j 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：轵糍、 导师签名 降围锈 签字日期：。r 6 年6 月l 弓日签字日期： 6 年j 9l 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址 电话 邮编 半固态轻合金触变模锻成形数值模拟 第一章绪论 1 1 半固态成形技术概述 1 1 1 半固态金属加工技术概念 半固态成形是一种新兴的金属成形技术，它与固态成形、液态成形同属金属 成形领域在合金状态图上，半固态成形是指合金处于液相线温度和固相线温度 之间时对金属浆料进行的加工成形，利用了金属从液态向固态或固态向液态过渡 ( 即固液共存) 时的特性，填补了液相线和固相线之间没有加工成形方法的空白 1 - s 。 所谓金属半固态成形1 1 ( s e m i s o l i df o r m i n go fm e t a l s ) 或半固态加工 ( s e m i s o l i dp r o c e s s i n go f m e t a l s ) ，就是在金属凝固过程中，对其施加剧烈的搅 拌或者扰动，或改变金属的热状态、或加入品粒细化剂、或进行快速凝固，即改 变初生固相的形核和长大过程，得到一种液态金属母液中均匀的悬浮着一定球状 初生固相的固一一液混合浆料。利用这种固一一液混合浆料直接进行成形加工， 或先将这种固一一液混合浆料完全凝固成坯料，根据需要将坯料切分，再将切分 的坯料重新加热至固液两相区。利用这种半固态坯料进行成形加工，这两种方法 均称之为金属的半固态加工。相反，在金属凝固过程中，若不对其施以强烈的搅 拌或扰动，此时析山的初生固相将是树枝状晶体。它们互相搭接，形变阻力很大。 在半固态下加压成形时固液相容易分离，造成严重的宏观偏析。成形件也容易开 裂。 1 1 2 半固态成形技术的发展历史 2 0 世纪7 0 年代初，美国麻省理工学院d b s p e n c e r 等研究人员在自制的高 温粘度计中测量s n 1 5 p b 合金高温粘度时，发现了金属在凝固过程中的特殊行 为【1 2 】，如金属在凝固过程中，进行强烈搅拌，即使在较高囿相体积分数时，半 固态金属仍只有相当低的剪应力，这种特殊性能是由于基体中存在奇特的球状结 构。美国麻省理工学院的研究人员很快意识到金属凝固的这一特征具有许多潜在 的利用价值，随即对此进行了广泛深入的研究，并发展成为半固态金属加工技术 半固态轻合金触变模锻成形数值模拟 ( s e m i s o l i dm e t a lf o r m i n g ) ，简称s s m 。 制备半固态合金的方法很多，除机械搅拌法外，近几年又开发了电磁搅拌法， 电磁脉冲加载法、超声振动搅拌法、外力作用下合金液沿弯曲通道强迫流动法、 应变诱发熔化激活法( s i m a ) 、喷射沉积法( o s p r a y ) 、控制合金浇注温度法等。 其中，电磁搅拌法、控制合金浇注温度法和s i m a 法，是最具工业应用潜力的方 法【13 1 。 ( 1 ) 机械搅拌法 机械搅拌是制备半固态合金最早使用的方法。f l e m i n g s 等人用一套由同心带 齿内外简组成的搅拌装置( 外筒旋转，内筒静止) ，成功地制备了锡铅台金半固 态浆液；h l e h u y 等人用搅拌桨制备了铝一铜合金、锌铝合金和铝一硅合金半固态 浆液。后人又对搅拌器进行了改进，采用螺旋式搅拌器制备了z a 2 2 合金半固 态浆液。通过改进，改善了浆液的搅拌效果，强化了型内金属液的整体流动强度， 并使金属液产生向下压力，促进浇注，提高了铸锭的力学性能。 ( 2 ) 电磁搅拌法 电磁搅拌法是利用旋转电磁场在金属液中产生感应电流，金属液在洛伦磁力 的作用下产生运动，从而达到对金属液搅拌的目的【7 1 。目前，电磁搅拌方法主要 有两种，第一种是传统电磁方法即在感应线圈内通交变电流而产生旋转磁场的方 法。第二种是1 9 9 3 年由法国学者c h a r l e s v i v e s 推出的旋转永磁体法，其优点是 电磁感应器由高性能的永磁材料组成，其内部产生的磁场强度高，通过改变永磁 体的排列方式，可使金属液产生明显的三维流动，提高了搅拌效果，减少了搅拌 时的气体卷入。 ( 3 ) 应变诱发熔化激活法( s i m a ) 应变诱发熔化激活法( s i m a ) 是将常规铸锭经过预变形，如进行挤压，滚 压等热加工制成半成品棒料，这时的显微组织具有强烈地拉长形变结构，然后加 热到固液两相区等温一定时间，被拉长的晶粒变成了细小的颗粒，随后快速冷却 获得非枝晶组织铸锭。 s i m a 工艺效果主要取决于较低温度的热) j n t 和重熔两个阶段，或者在两者 之间再加一个冷3 n q - 阶段，工艺就更易控制。s i m a 技术适用于各种高、低熔点 的合金系列，尤其对制各较高熔点的非枝晶合金具有独特的优越性。己成功应用 半固态轻合金触变模锻成形数值模拟 于不锈钢、工具钢和铜合金、铝合金系列，获得了晶粒尺寸2 0 u m 左右的非枝晶 组织合金，正成为一种有竞争力的制备半固态成形原材料的方法。但是，它的最 大缺点是制备的坯料尺寸较小。 ( 4 ) 近几年开发的新方法 近几年来，东南大学及臼本的a r e s t y 研究所发现，通过控制合金的浇注温 度，初生枝晶组织可转变为球粒状组织。该方法的特点是，不需要加入合金元素 也无需搅拌。v d o b a t k i n 等人提出了在液态金属中加细化剂，并进行超声处理后 获得半固态铸锭的方法，称之为超声波处理法。 1 1 3 半固态成形技术特点 半固态浆料或坯料与传统过热的液态金属相比，具有一半左右的初生固相， 而与固态金属相比，又含有一半左右的液相，且固相为非枝晶态 1 4 l ，所以与普 通的加工方法相比，半固态加工成形具有许多优点： 1 ) 应用范围广泛，凡具有固液两相区的台金均可实现半固态成形。 s s m 充型平稳、无湍流和喷溅、加工温度低，凝固收缩小，因而铸件尺寸 精度高。s s m 成形件尺寸与成品零件几乎相同，可实现净近成形，极大地减少 了机械) j n q - 量，做到少或无切削加工，从而节约了资源。并且s s m 凝固时间短， 从而有利于提高生产率。 2 ) 半固态合金已释放了部分结晶潜热，因而减轻了对成形装置，尤其是模 具的热冲击，使其寿命大幅提高。 3 ) s s m 成形件表面平整光滑，铸件内部组织致密、内部气孔、偏析等缺陷 少，晶粒细小，力学性能高，可接近或达到锻件的性能。 4 ) 应用半固态成形工艺可改善制备复合材料中非金属材料的漂浮、偏析以 及与金属基体不润湿的技术难题，这为复合材料的制备和成形提供了有利的条 件。 5 ) 与固态金属模锻相比，s s m 的流动应力显著降低。因此s s m 模锻成形 速度更高，而且可以成形十分复杂的零件【1 5 _ 2 3 1 。 半固态轻合金触变模锻成形数值模拟 1 2 半固态加工方法中的数值模拟技术应用 1 2 1 半固态金属成形技术的分类 半固态金属成形技术主要分为两类：流变成形和触变成形2 4 1 。 1 、流变成形 2 5 - 3 1 】 1 l二 ! 缘。相磷m 力 l 鼍 ”。辱 童一 嚣 赋。 警 酉 母 一 慝 两鸯一 ) 莲续旌变器 b ) 半匠鸯盒曩紊科进 压宣 c ) 压射或 l d ) 半融鑫压铎件 图1 - 1 半固态流变铸造过程 利用搅拌等方法制备出拟定固相分数的相分数的半固态金属浆料，并对半固 态金属浆料进行保温，将该半固态金属浆料直接送往成形设备进行铸造或锻造成 形，这种成形过程称为半固态金属的流变成形。图1 1 所示为半固态流变铸造 示意图。 2 、触变成形 3 2 。3 7 】 半固态金属的触变成形利用剧烈搅拌等方法制备出球状晶的半固态金属浆 料，将该半固态金属浆料进一步凝固成锭坯或坯料，再按需要将金属坯料分切成 一定大小，把这种切分的固态坯料重新加热至固液两相区，然后利用机械摄运将 该半固态坯料送往成形设备进行铸造或锻造成形，这种成形过程称触变成形。 图1 2 所示为半固态触变压铸示意图 半固态轻合金触变模锻成形数值模拟 扩_ 罱 l 锣 蠹 a ) 合金原料及昱微组织b ) 电磁搅拌甜备半固态坯料 c ) 坯料切分及显擞组织d ) 坯料的蘑应半固态懿加热 e 触变压铸f ) 触变压棒件及照微组织 图1 - 2 半固态触变压铸过程 从以上流变和触变过程对比可以看到，触变技术工序相对要多，固相相对要 高，而这样的特点也决定了许多在常规) j n i 领域常用的一些如锻造、轧制、挤压 等固态材料成形方式，均可以利用半固态触变方式加工成形 3 8 。 1 - 2 2 半固态成形过程数值模拟研究进展 1 、流变成形数值模拟 液态金属铸造充填过程的模拟，已有如f l o w 一3 d 、p r o c a s t 、m a g m a s o f l 、 f l u x e x p e r t 、a n s y s t e m 等较为成熟的商品在研究或应用，较为复杂的三维充填 模拟均可利用这些软件实现。所以，对于半固态金属浆料的充填过程模拟，国内 外许多专家直接利用上述商品化的软件，再将特殊的半固态金属浆料的表观粘度 模型嵌入其中，来对半固态金属浆料的充型过程进行模拟研究，研究内容主要包 括：适合半固态合金充填行为的表观粘度数学模型的研究，压铸型表面与半固态 b 垂一 半固态轻合金触变模锻成形数值模拟 合金浆料之间的摩擦、特殊边界条件等因素的研究，液固相偏析的研究，缺陷预 测的研究和计算方法的研究等。 k a p r a n o s 和k i r k w o o d 等人利用f l o w3 d 软件，采用三种半固态金属流体 模型，即触变性流体模型、常粘度牛顿流体模型和表观粘度随剪切速率变化而不 随剪切时间变化的非牛顿流体模型，对半固态a 3 5 7 铝合金的快速压缩变形过程 中的压力变化进行了模拟研究，并与实测的压力和时间的关系曲线进行了比较。 模拟研究结果发现：结合适当的半固态金属流体模型，f l o w 3 d 软件适合于半 固态合金触变充型过程的模拟计算，半固态合金触变成形时的表观粘度与应变速 率和时间密切相关。 pks e o 和cg k a n g 等人采用m a g m a s o f i 软件，对o s t w a l d d ew a e l e 和 c a r r e a u - y a s u d a 的表观粘度模型作了对比分析，认为o s t w a l d d ew a e l e 模型能 较好的描述半固态浆料在中等剪切速率下的充填行为，而c a r r e a u y a s u d a 模型 在剪切速率很低和很高的情况下能较好的表征浆料的流动特性和触变行为。利用 该软件和o s t w a l d - d ew a e l e 表观粘度模型，b o n o l l o 等人模拟了汽车发动机支撑 件的充型过程，充型模拟结果与实验结果吻合很好，并预测了铸造缺陷的位置m 4 0 1 2 、触变成形数值模拟 半固态材料在压力作用下具有良好的流变性和填充性， 但变形过程非常复 杂，目前对触变成形过程的模拟研究大多在一些商业有限元或有限差分软件平台 上进行。 ti ms 等 4 1 1 在a ns y s t m 平台上模拟了铝合金二次加热、锭坯夹持和压铸 过程，研究了压铸件绝热条件下固液相偏析时固相分数的变化规律。并对采用基 于尤拉坐标系的三维有限差分法模拟和优化半固态压铸过程进行了尝试，开发出 s - w o l f 软件。这一建立在a ns y s t m 平台上的接口软件可望对不同压力、 温度及工件几何形状等条件下材料半固态成形工艺进行优化设计。 g e b e l i n 等采用f l uxe x p e r t 有限元软件研究了s n p b 合金压缩、a 1 一s i 合金蠕变条件下半固态材料的流变行为，其中固相采用粘塑性模型，液相流 变则用d a r c y 法则予以描述。研究表明摩擦对半固态材料流动影响非常大，而 固液相分布的不均匀性则导致材料在变形时出现严重的固液偏析现象，这对成形 半固态轻合金触变模锻成形数值模拟 并获得均匀组织性能的制品是不利的。 p a r e d i e s 等【4 3 1 采用稳态指数流动模型并用p r o c a s t 软件对a 3 5 6 铝合金半 固态压铸进行了分析，认为半固态浆体与模腔间为无滑动边界时， 模拟结果不 能解释压力变化行为和传热现象，而考虑滑动后模拟结果和观测值相符。 国内崔成林【4 4 锄步模拟了半固态a 1 s i 7 m g 铝合金的充型过程。此外，杨卯 生【4 5 】等人也对半固态铝合金的触变充型过程进行了三维充型模拟，东南大学的 苏华钦、高志强 4 6 1 研究了铸造成形过程数值模拟。潘宏平h 7 1 等人利d e f o r m 软件 对半固态铝合金触变充型过程进行了模拟。 1 3 半固态触变锻造及数值模拟 1 3 1 触变锻造成形技术 触变成形工艺主要包括触变压铸、触变锻造、触变挤压和触变轧制等工艺方 法【4 8 】。 高固相率下半固态金属最显著的特点是其具有触变性，即静止时象固体，剪 切时象流体，这种触变性是半固态金属触变成形的基础。很显然，高固相触变锻 造有两个过程。第一个过程是半固态坯在压应力作用下，粘度降低，以较小的能 量消耗，完成流动充填过程；第二个过程是密实过程，前者是成形的需要，后者 则是产品质量的需要。因此，触变锻造能获得比触变压铸更高的机械性能。 触变锻造对金属在固态一一液态之间的状态下进行成形。为了进行成形工 艺。将原材料通过加热为这样一种组织状态：即一部分材科已经变为液态，而另 一部分材料仍然是固态。在加工开始时坯件还有足够的强度，使其可以被放进模 具。当在成形时出现的剪切应力作用于加热的坯件上时，从固态的粒子和熔融物 中产生出一种可以流动的悬浮物。这种剪切率软化的材料性能称为触变性 ( t h i x o t r o p i a ) 在工艺技术上，触变锻造应位于压铸和模锻之间。 半固态锻造是将加热的半固态坯料，在锻模中进行以压缩变形为主的模锻来 获得所需的形状和性能的制品的加工方法。它介于固态成形和液态成形两种工艺 之间。因此，半固态锻造可以成形变形抗力较大的高固相率的半固态材料，并达 到一般锻造难以达到的复杂形状。 锻造工艺制造出来的结构件可以兼有两种工艺方法的优点。例如可以生产出 半固态轻合金触变模锻成形数值模拟 具有复杂几何形状的壁厚很薄的结构件，就象压铸法生产的一样。同时，结构件 也具有模锻结构件的性能，如高强度，断裂延伸率大，表面质量好和具有压力密 封组织等。和普通的锻造相比t 札x o 锻造时成形所需的冲头( 凸模) 的力明显的要 小。 图1 3 所示为触变锻造的流程示意图 o o o o o o o o a ) a o c o o o 0 o c ) r 。 i l n b ) d ) a ) 半溺态重熔加热 b ) 批熏放入锻攫型腔 c ) 锻压l 晚形 d ) 锻件 图1 3 半固态触变成形加工过程示意图 1 3 2 高固相率触变锻造成形过程数值模拟 相对于其他工艺，触变锻造过程的模拟相对较少，尤其是在高固相率条件下 触变锻造过程的数值模拟以材料半固态应力应变关系为前提。 半固态轻合金触变模锻成形数值模拟 cgk a n g h 9 5 0 】等人改进s e m i f o r m 有限元分析软件，利用改软件研究了 高固相率触变锻造过程，着重分析了改进了软件对于半固态成形过程中固相部分 的处理。 姜巨福5 1 1 等人利用d e f o r m 一3 d 研究a z 9 1 d 铸造镁合金材料高固相率下的触 变成形过程，分析托弹板制件零件成形过程及相关工艺参数的影响。 1 4 本课题意义、目的及研究内容 1 4 1 本课题意义 虽然半固态金属成形工艺的诞生已逾3 0 年，应用于镁、铝合金的半固态触 变成形技术也已应用了1 0 年，虽然文献对目前全世界拥有的半固态成形设备的 统计数据各不相同，但是有一点可以肯定，半固态触变成形技术并没有获得人们 起先所预期的那样广泛的应用，主要原因在于这种工艺本身存在的许多不完善的 地方。在加大半固态轻合金生产应用研究的同时，基础理论研究也必须要给以足 够的重视。只有充分掌握了其本质规律，才能更好地对半固态轻合金的生产进行 指导和改善。 随着计算机数值模拟技术的不断改进，计算机模拟技术作为产品设计、生产、 加工等主要的辅助手段，其应用范围不断扩大，已开始应用于半固态镁合金触变 成形由于半固态金属加工是在固液两相区进行的，它融合了铸造和塑性成形的 工艺特点。因此，其成形过程模拟难度较大在低固相率( 5 0 6 0 ) 时，半固 态金属的性质主要是流变特性；在高固相率( 5 0 6 0 ) 时，半固态金属的性 质既有流变特性，但更主要表现为晶粒颗粒构成的固体骨架的粘塑性变形特性 1 2 6 1 。国内外不少学者对半固态金属加工过程模拟进行了大量研究工作，但绝大 部分数值模拟是针对触变压铸，而在高固相率前提下的半固态模锻数值模拟相对 较少。 当今，随着半固态加工技术研究的不断深入，半固态触变成形技术的优势也 更加日益凸现，与低固相率轻合金相比，高固相率轻合金的触变成形研究的还不 够充分因此，对高固相率轻合金的触变成形的研究将更具有良好的发展前景其 优势如下：1 ) 低的成形温度，低的保温时间，更少的热疲劳，对模具的热腐蚀也 少：2 ) 节省能耗；3 ) 可以避免高温时镁合金的腐蚀和燃烧；4 ) e h 于较少的液体固 半固态轻合金触变模锻成形数值模拟 化因此限制了其收缩孔隙；5 ) 生产周期更短。 综上所述，本课题的研究在社会、经济与科研方面都有重大的实践与理论意 义。 1 4 2 本课题的研究内容 1 ) 基于数值模拟的常规镁合金锻造工艺对比，分析其宏观力学性能，通过 对计算机实验结果分析，研究两种工艺方案对零件成形及性能的影响作用。 2 ) 利用基于多元非线性回归方法建立的半固态a z 6 1 合金本构关系确立相 关模拟参数，并分析高固相体积分数下半固态镁合金材料触变力学性能。对比常 规镁合金与半固态镁合金材料的成形结果。 3 ) 通过铝合金y 1 1 2 二次加热试验，分析经过半固态制浆工艺制得的坯料 最佳重熔工艺，进而寻求较适合半固态铝合金模锻的试验工艺参数。 4 ) 进行铝合金半固态高围相率模锻试验，研究铝合金半固态零件性能及微 观组织。并与相应模拟试验结果对照分析。 0 半固态轻合金触变模锻成形数值模拟 第二章三维刚塑性有限元基础 2 1 有限元法求解的数学基础 2 1 1 塑性力学基本方程及假设 材料在一定的条件下应力应变曲线是应变速度的函数，这就是所谓材料的粘 性变形性质，低碳钢在高温下的反挤压成形可以看作是一种粘塑性流动，刚粘塑 性有限元就是只考虑粘塑性变形而忽略了弹性变形的一种数值计算方法。 刚塑性有限元法是假设材料具有刚塑性的特点，把实际的加工过程定义为边 值问题，从刚塑性材料的变分原理或上界定理出发，接有限元模式把能耗率表示 为节点速度的非线性函数，利用数学上的最优化原理，在给定变形体某些表面的 力边界条件和速度边界条件的情况下，求满足平衡方程、本构方程和体积不变条 件的速度场和应力场。 刚塑性刚粘塑性材料在塑性变形区内满足下列塑性力学基本方程： 5 2 - 5 6 ( 1 ) 静力平衡方程： ，2o ( 2 1 ) 其中“f 为质点的应力张量 ( 2 ) m i s e s 屈服准则： 孑。j 吾( 嘞嘞) = 万( 云n ( 刚塑性材料) 式中，孑为材料的等效应力。 孑2 j 三( 略屯) = 万( 云邑n ( 刚粘塑性材料) ( 3 ) 本构关系( l e v y m i s e s 方程) ： e u2 a 6 u 五：三三 ) ) ) ) 2 3 4 5 协 协 沼 半固态轻合金触变模锻成形数值模拟 舯享= 厮吲料， ( 4 ) 几何方程( 变形协调条件) ： j 。= j 1 ( “p + “，) ( 5 ) 体积不变条件： i u 6 u = 0 ( 6 ) 边界条件： 在力面上的应力边界条件：盯口”，2e ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 在速度面6 ”上速度比较条件：“r2 “-( 2 - 1 0 ) 刚塑性有限元求解列式基于下列假设【5 7 铘】： ( 1 ) 忽略材料的弹性变形，不计质量力和惯性力； ( 2 ) 材料均质，且各向同性； ( 3 ) 材料体积不变； ( 4 ) 材料服从m i s e s 屈服准则，且等向强化； ( 5 ) 刚塑性材料仅发生应变强化，而刚粘塑性材料同时存在应变强化和应 变速率的强化。 2 1 2 刚塑性有限元的变分原理 刚粘塑性有限元的理论基础是m a r b o v 变分原理【59 1 ，它可以表述为：对于刚 粘塑性边值问题，在满足几何方程、体积不可压缩和速度边界条件的一切动可容 速度场中，真实解使泛函 万= 审d y i f , u , d s ” s f ( 刚塑性材料)( 2 - 1 1 ) 万= e ( i f 矽矿一f , u a s 或 ” s ， ( 刚粘性材料)( 2 1 2 ) 取驻值，式( 2 1 2 ) 中e ( i v ) 为功函数，其表达式为： e 婶口) = 譬。q d u = l 云菇 ( 2 1 3 ) 半固态轻合金触变模锻成形数值模拟 当泛函取驻值时，其一阶变分为零。对( 2 1 1 ) 取变分可得 6 耳= 西菇d y n & | d s = 0 ps 。 ( 2 1 4 ) 在采用变分原理求解金属塑性加工问题时，常通过某种方法将体积不变条件 引入到泛函表达式中，作为对体积变化的一个约束项，同时得到一个新的泛函。 体积不变条件处理方法的不同，引入到泛函中的约束项就不相同，得出的刚 塑性恫4 粘塑性有限元求解方法和求解列式也不相同，其中主要有l a g r a n g e 乘子 法、材料体积可压缩法和罚函数法。 拉格朗日乘子法和罚函数法都是从数学角度解决问题，而可压缩特性法则从 改变材料模型材料入手，即采用刚塑性可压缩材料模型。从理论上讲，拉格朗日 法精确地引入了体积不可压缩条件，但同时也引进了附加未知数，即乘子五。由 此而增加了单元自由度，也就使方程数增多，总刚度矩阵增大。因此虽然在有限 元处理时将乘子五在个单元内设为不变，但往往求解规模的增加也仍然很大。 此外，拉格朗日乘子法的刚度阵不呈带状，而罚函数法和可压缩特性法的刚度都 呈带状，所以拉格朗日法需要更多的存储空问和计算时间。 如果罚函数法中的罚数口选得过大，或可压缩特性法的g 值选得过小，都可 能使刚度方程病态，求解失效。总之，作为塑性问题的数值解法，三种方法都不 可避免地带有某种程度的近似。解决工程问题时，如果运用得当，都可以给出很 好的结果，而罚函数法和可压缩特性法的解题效率高也是很重要的优点。 2 2 刚塑性有限元方程的建立及求解 刚塑性有限元的求解过程主要包含以下四步6 0 6 1 】： ( 1 ) 离散化；( 2 ) 建立单元刚度矩阵；( 3 ) 将单元刚度矩阵组装成整体刚 度矩阵：( 4 ) 求解整体刚度矩阵。 2 _ 2 1 离散化 离散化就是将变形体的求解区域划分成一定的数量和种类的单元。单元的类 型的选择是离散化的首要任务，它需要综合考虑各种因素的影响，对于单元的选 择一般应按以下原则：对结构几何形状的适应性，单元计算精度的高低，计算量 半固态轻合金触变模锻成形数值模拟 的大小，数学处理上的方便与否等。 2 2 2 单元刚度矩阵的建立 对于金属的塑性变形问题，其刚度方程是非线性的，通常采用迭代法进行求 解，求解时需要进行线性化处理，这可以通过t a l o r 展开的方法来实现， 罚函数法通过引入罚因子口，在泛函式( 2 - 1 1 ) 或( 2 - 1 2 ) 中增加一项 阵a 唧, 2 d 矿 ；2 ，同时解除体积不变这一约束条件，从而得到两个新的泛函： 霄= l 蔬d y + ，- - 一? s v d v 一时t d s r”。 s f ( 2 1 5 ) z = l e ( g v w v + 黑d y 一婚? d s 或 ”。 5 r ( 2 - 1 6 ) 式中，5 v 为体积应变率。 在一假定的速度场，对于能量泛函式( 2 - 1 5 ) ，进行关于节点速度“的一阶 和二阶偏导，可得到下式： k 】- ( k 。一【c 鼻) p 】= ( f r p f ) ( 2 1 7 ) 式中， c 】；和扩 ；矩阵分别表示引入界面摩擦单元的摩擦矩阵和等效摩擦 力，i x 。为单元刚度矩阵。 2 2 _ 3 刚度方程的求解 刚塑性刚粘塑性有限元中的刚度方程是一个非线性方程组，通常采用 n e w t o n r a p h s o n 方法进行迭代求解。该方法具有较快的收敛速度，但对初始速 度场的质量要求较高。 当初始速度场接近于真实速度场时，n e w t o n - r a p h s o n 法具有良好的收敛性： 相反，若初始速度场偏离过大，则会使迭代发散。因此，正确的选择初始速度场 是极为重要的。初始速度场的生成方法有以下几种：经验法、上限元或滑移线法、 4 半固态轻合金触变模锻成形数值模拟 网格细分法、迭代泛函法以及直接迭代法。其中直接迭代法可以使用任意形状的 坯料和边界条件，并与n e v n o n r a p h s o n 法共用求解程序和收敛判据，广泛应用 于刚塑性有限元分析下初始速度场的生成。 直接迭代法具有稳定的收敛性。但在整个迭代过程中，直接迭代的收敛速度 是不同的。在迭代前期，收敛速度较快，随着迭代结果逐渐趋近于真实解，收敛 速度明显减慢。因此，在实际计算中，往往采用直接迭代与n e v a o n r a p h s o n 迭 代相结合的方法，先采用直接迭代获得较好的速度场，再用n e v a o n r a p h s o n 迭 代加速收敛，最终得到圆满的结果。 2 3 有限元数值模拟概述 2 - 3 1 有限元模拟技术的应用 塑性加工过程的有限元数值模拟，可以获得金属变形的详细规律，如网格变 形、速度场、应力和应变场的分布规律，以及载荷行程曲线。通过对模拟结果 的可视化分析，可以在现有的模具设计上预测金属的流动规律，包括缺陷的产生 ( 如角部充不满、折叠、回流和断裂等) 。在金属塑性加工有限元方法中，根据 被模拟对象的塑性变形特点，建立合理的理论模型，选择适宜的求解方法是模拟 真实与否的关键。由于影响金属塑性成形的因素比较复杂，其成形过程又是一个 具有物理非线性和几何非线性的塑性大变形过程，对其进行理论分析一般是比较 困难的。利用得到的力边界条件对模具进行结构分析，从而改进模具设计，提高 模具设计的合理性和模具的使用寿命，减少模具重新试制的次数。在制造技术飞 速发展、市场竞争日益加剧的今天，塑性加工过程的计算机模拟可在模具虚拟设 计、制造阶段就能充分检验模具设计的合理性，减少新产品模具的开发研制时间， 对用户需求做出快速响应，提高市场竞争能力。由此可见，金属成型过程的有限 元模拟已是模具计算机集成制造系统中必不可少的模具设计检验环节。 金属成形工艺分体积成形和板料成形两大类，相应地，用于分析其流动规律 的有限元法也分为两类，即：刚塑性、刚粘塑性有限元和弹塑性有限元。体积成 形中的挤压成形和锻造成形在实际生产中应用很广，中外学者在这方面进行了很 多研究，其中二维模拟技术已相当成熟，三维模拟是目前的世界研究热点。刚塑 性、刚粘塑性有限元模拟能否对模具设计的合理性做出可靠校验，取决于模拟的 半固态轻合金触变模锻成形数值模拟 精度和效率。 基于此，本文采用有限元模拟，能对零件加工过程加以比较说明，但模拟与 真实试验的精确度以及匹配度，取决于模拟试验中的精度和环境设置。 2 3 2 有限元模拟软件概述 1 、金属液态成形模拟软件 目前液态金属成形的模拟主要包括以下几个方面： 1 ) 充型过程的计算机数值模拟 充型过程的数值模拟近十年来取得了迅速的发展，已出现了一些商品化的软 件包，并在压力铸造、低压铸造、消失模铸造等领域实际铸件的缺陷分析和优化 工艺等方面得到了积极的应用，取得了较好的效果【6 2 耐】。目前充型过程的数值 模拟中存在的主要问题是数学模型还需要进一步验证，提高可信度；流动场计算 的效率和网格离散方法有待于进一步提高，以使模拟计算能够处理复杂形状铸 件，减少计算时间，降低对计算机硬件的过高要求。 2 ) 凝固过程的数值模拟 凝固过程的模拟包括温度场、应力场及微观组织形成过程的模拟。通过铸件 凝固过程数值模拟的计算，确定了铸件内的温度场后，就可以画出铸件在任意断 面上的等温线分布，凝固前沿进程，以及等时线分布，或者以动态的方式显示铸 件在三维方向上的凝固进程，以确定最后凝固的部位和分析产生缩孔、缩松缺陷 的位置和大小。 应力场的模拟计算能够帮助预测和分析铸件的裂纹、变形及残余应力，为控 制由应力应变造成的缺陷、优化铸造工艺、提高铸件尺寸精度及稳定性提供科学 依据。表