（材料加工工程专业论文）zk60镁合金等通道转角挤压数值模拟及实验研究.pdf

c l a s s i f i c di n d e x t g 3 7 9 d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e eo f e n g i n e e r i n g r e s e a r c n e s0 n 刚u m e r l c a ls u n u l a n o na n d 1 llt l 1 e x p e r i m e n t i ne q u a l c h a n n e l a n g u l a r p r e s s i n go f z k 6 0 m a g n e s i u ma l l o y c a n d i d a t e s u p e r v i s o r a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r s p e c i a l i t y d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n u n i v e r s i t y c h ud es h e n g y uy a n d o n g m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g m a r c h 2 0 1 2 h a r b i nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明 此处所提交的硕士学位论文 z k 6 0 镁合金等通道转角 挤压数值模拟与实验研究 是本人在导师指导下 在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果 据本人所知 论文中除已注 明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果 对本文研究工作做出贡献 的个人和集体 均已在文中以明确方式注明 本声明的法律结果将完全由本 人承担 作者签名 日期 j 乙年乡月勿日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 z k 6 0 镁合金等通道转角挤压数值模拟与实验研究 系本人在哈尔滨 理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文 本论文的研 究成果归哈尔滨理工大学所有 本论文的研究内容不得以其它单位的名义发 表 本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存 使用学位论文的规定 同意学 校保留并向有关部门提交论文和电子版本 允许论文被查阅和借阅 本人授 权哈尔滨理工大学可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 可以公布 论文的全部或部分内容 本学位论文属于 保密口 在年解密后适用授权书 不保密口 请在以上相应方框内打4 作者签名 初像咝 日期 砂72 年夕月易日 导师签名 同期 2 0 2 弓月易6r 哈尔滨理工人学 t 学硕士学位论文 z k 6 0 镁合金等通道转角挤压 数值模拟及实验研究 摘要 镁合金具有高比强度和比刚度 优良的热传导性 易于机械加工和方便 回收利用等优点 被广泛地应用于航空航天 电子工业和汽车工业等领域 但镁合金具有室温塑性差 成形能力低等诸多不利因素 这些因素严重限制 其得到更广泛的应用 而细化晶粒不但能使材料具有更高的强度 而且能使 材料具有更好的塑性 因此 研究镁合金的细晶化方法具有重要的理论意义 和应用意义 近年来 作为大塑性变形技术之一的等通道转角挤压 e q u a l c h a n n e l a n g u l a rp r e s s i n g e c a p 法被广泛的应用于获取超细晶材料 这种变形方 法能在基本不改变材料形状的前提下获得较大的变形量 通过增加挤压道次 积累应变量 最终形成具有良好力学性能的等轴细晶 尤其值得一提的是 研究采用的是带背压的e x e c a p 法 即在e c a p 之前先进行一次常规热挤 压 并且出口通道处设置一顶杆 顶杆的作用是在挤压过程中对材料施加背 压力 这种方法既能有效地防止试样开裂 又能够避免产生死区缺陷 本文主要对z k 6 0 镁合金e c a p 变形过程进行了三个方面的研究 首先 在不同拉伸温度下对四道次e c a p 变形后的试样进行拉伸试验 研究不同 e c a p 温度下多道次挤压获得的试样的力学性能 其次利用金相 扫描及透 射电镜观察显微组织 通过探讨变形过程中组织变化 找出变形机理以及可 使组织细晶化的较佳工艺条件 最后采用d e f o r m 3 d 有限元模拟程序 模拟不同道次的e c a p 变形过程 分析该过程中流动速度 应力 温度等 参数的变化以及分布情况 并且将组织模拟结果与实验结果对比分析 关键词z k 6 0 镁合金 等通道转角挤压 背压 多道次挤压 有限元模拟 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 r e s e a r c h e so nnu m e r i c a ls l m u l a t l o na n n 一 一 一f l一 j e x p e r i m e n ti ne q u a l c h a n n e la n g u l a rp r e s s i n go f z k 6 0m a g n e s i u m a l l o y a b s t r a c t m a g n e s i u ma l l o y sh a v em a n ya d v a n t a g e ss u c ha ss p e c i f i cs t r e n g t h s p e c i f i c s t i f f n e s s g o o dt h e r m a lc o n d u c t i v i t y e a s eo fm a c h i n i n ga n df a c i l i t a t et or e c y c l e a n ds oo n t h e ya r ew i d e l yu s e di na e r o s p a c e e l e c t r o n i c s a u t o m o t i v ei n d u s t r y a n do t h e rf i e l d s h o w e v e r t h e r ea r em a n yu n f a v o r a b l ef a c t o r ss u c ha sp o o r d u c t i l i t ya tr o o mt e m p e r a t u r e p o o rf o r m i n ga b i l i t ya n ds oo n i nm ga l l o y s w h i c h s e v e r e l yl i m i tt h e i rw i d e ra p p l i c a t i o n r e f i n i n gg r a i n sc a nm a k e t h em a t e r i a lh a v e n o to n l yh i g h e rs t r e n g t h b u ta l s o b e t t e rp l a s t i c i t y t h e r e f o r e t os t u d yt h e m e t h o d so fr e f i n i n gg r a i n sh a sg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nr e c e n ty e a r s a so n eo fs e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o nt e c h n o l o g y e c a pi s w i d e l yu s e dt o o b t a i nu l t r a f i n e g r a i n e dm a t e r i a l s t h i sm e t h o dc a ng e tm o r e d i s t o r t i o no nt h ep r e m i s eo fb a s i c a l l yn o tc h a n g i n gt h es h a p eo fm a t e r i a l s b e s i d e s i tc a nu l t i m a t e l yf o r me q u i a x e df i n eg r a i n sw i t hg o o dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sb yi n c r e a s i n ge x t r u s i o np a s s e st oa c c u m u l a t es t r a i n p a r t i c u l a r l y t h e t e c h n o l o g yu s e di nt h i sr e s e a r c hi se x e c a p w i t hb a c k p r e s s u r e w h i c ht h e r ei s ac o n v e n t i o n a lh o te x t r u s i o np r i o rt oe c a p a n dt h e r ei sap l u n c ha tt h ee x i th o l e o fc h a n n e lt oa p p l yt h em a t e r i a laf o r c ed u r i n gt h ee x t r u s i o np r o c e s s t h em e t h o d c a nn o to n l ye f f e c t i v e l yp r e v e n ts a m p l ec r a c k i n g b u ta l s oa v o i dt h ed e f e c to ft h e d e a dz o n e i nt h i sp a p e r t h e r ea r em a i n l yt h r e ea s p e c t so fs t u d i e so ne c a pd e f o r m a t i o n p r o c e s so fz k 6 0m a g n e s i u ma l l o y f i r s t l y t e n s i l et e s ti sc o n d u c t e do nt h ee c a p s a m p l e su n d e rv a r i o u st e n s i l et e m p e r a t u r e st os t u d yt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f e c a ps a m p l e so fm u l t i p a s se x t r u s i o na td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s s e c o n d l y t h e m e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r e f r a c t u r em o r p h o l o g ya n dt e m s t r u c t u r eo fe c a ps a m p l e s 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 a r eo b s e r v e d b yd i s c u s s i n gt h eo r g a n i z a t i o n a lc h a n g ed u r i n gt h ed e f o r m a t i o n p r o c e s sw et r yt of i n do u tt h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dt h em o r eo p t i m a l c o n d i t i o n s f i n a l l y w eu s et h ed e f o r m 3 df e mp r o g r a mt os i m u l a t et h e p r o c e s so fe c a pf o rd i f f e r e n tp a s s e st oa n a l y s et h ec h a n g ea n dd i s t r i b u t i o no f t h e s ep a r a m e t e r ss u c ha sv e l o c i t y s t r e s s t e m p e r a t u r ea n ds oo n a n dc o m p a r et h e r e s u l to fo r g a n i z a t i o n a ls i m u l a t i o nw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t k e y w o r d sz k 6 0m a g n e s i u ma l l o y e q u a l c h a n n e l a n g u l a rp r e s s i n g b a c k p r e s s u r e m u l t i p a s se x t r u s i o n f e ms i m u l a t i o n 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 目录 摘要 i a b s t r a c t i i 第l 章绪论 1 1 1 镁及其合金的应用发展 1 1 2 镁合金e c a p 工艺 2 1 2 1e c a p 原理 2 1 2 2 工艺参数 3 1 2 3e c a p 研究现状及展望 6 1 3 课题研究意义及研究内容 8 第2 章z k 6 0 镁合金e c a p 有限元模拟 9 2 1e c a p 有限元模拟模型建立 9 2 2e c a p 有限元模拟参数定义 一1 0 2 3e c a p 有限元模拟结果 1 1 2 3 1 应力场模拟 1 1 2 3 2 速度场模拟 一l3 2 3 3 温度场模拟 15 2 3 4 组织模拟 17 2 4 本章小结 一1 9 第3 章z k 6 0 镁合金e c a p 力学性能 2 0 3 1 实验材料及方法 2 0 3 2 不同温度e c a p 试样拉伸曲线分析 2 2 3 3 本章小结 一2 4 第4 章z k 6 0 镁合金e c a p 显微组织 2 5 4 1z k 6 0 镁合金e c a p 金相组织分析 2 5 4 1 1 不同温度一道次e c a p 金相组织 2 5 4 1 2 一至四道次e c a p 金相组织 2 7 4 2z k 6 0 镁合金断口形貌及能谱分析 2 9 4 2 1 断口形貌 2 9 4 2 2 能谱分析 3 0 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 4 3 镁合金e c a p 透射电镜分析 3 2 4 3 1 不同温度一道次e c a p 透射电镜观察 3 2 4 3 2 一道次及四道次e c a p 透射电镜观察 3 4 4 4 本章小结 3 6 结论 3 8 参考文献 4 0 攻读学位期间发表的学术论文 4 4 致 射 4 5 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 镁及其合金的应用发展 镁具有密排六方金属结构 是储量最丰富的轻金属元素之一 镁的密度是 1 7 3 8 9 c m 3 约为铝的2 3 钛的2 5 钢的2 9 而m g l i 合金是迄今最轻的 金属材料 1 密度甚至比水的都要小 镁的比强度 比刚度高 导电导热性能 好 并且具有很好的阻尼性 减振性 切削加工性等 除此之外 镁还具有加 工成本低 加工能量低和易于回收等优点 将铝 锌 锆 锂 锰和稀土等元素加入到镁金属中形成的镁合金同体积 质量仅有钢的2 3 锌合金的2 7 铝合金的6 4 但其比强度高于铝合金和 钢 略低于比强度最高的纤维增强塑料 比刚度与铝合金和钢相当 远高于纤 维增强塑料 耐磨性能已超过压铸铝合金a 3 8 0 比低碳钢好得多 磁屏蔽性 能和减振性能均远优于铝合金 f 因为有以上的诸多优点 镁合金作为目前密度最小的金属结构材料之 一 被广泛地应用于航空航天 汽车制造和3 c 等各个领域 镁合金最早是从 2 0 世纪4 0 年代开始首先被应用于航空航天部门 在航空航天等高科技领域应 用镁合金不但能够明显减轻结构重量 而且镁合金的特点也满足这些领域对于 轻质材料减震 吸噪 防辐射的要求 九十年代以来 世界汽车产量持续不断地增长 年均增长率为2 5 汽 车工业的发展程度是一个国家发达程度的重要标志之一 而汽车工业发展的重 要基础则是金属材料 近年来 生产节能与环保型汽车的呼声越来越高 汽车 设计家们在想方设法地减轻汽车重量 以达到减少汽油消耗量和废气排放量的 双重效果 镁合金作为目前最轻的金属结构材料 能够满足日益严格的节能环 保要求 可用于生产重量轻 耗油少 环保的新型汽车 由于3 c 产品的发展方向为 小而轻 因而镁合金由于其密度小 屏蔽性 能好等特点被越来越广泛地应用于3 c 领域 目前镁合金主要应用于制造笔记 本电脑外壳 液晶面板 支架 基座以及手机外壳等 并且相比同类产品质量 更为优越 显示出了极大的经济研究价值 总而言之 镁合金工业近年来迅猛发展 在世界范围内的年增长率高达 2 0 其应用与发展前景值得材料学者广泛关注 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 2 镁合金e c a p 工艺 1 2 1e c a p 原理 镁合金较差的塑性成型性能 严重制约着它的应用 如何提高镁合金的低 温塑性成为各国科学家研究的热点 在二十世纪七十年代初期 前苏联科学家 s e g a l 教授及其合作者 2 最早提出并研究了能够获得纯剪切变形的等通道转角挤 压技术 即e c a p e q u a l c h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g 技术 并因此获得了苏联的 发明创造奖 此方法推出后就得到了各国科学家的广泛认可 自二十世纪九十 年代以来 e c a p 技术又作为制备具有亚微米级和纳米级晶粒组织的超细晶材 料的新方法 得到了进一步的研究和应用 3 4 1 并且研究材料的范围也在不断 扩大当中 5 一 e c a p 模具 8 如图1 1 所示 主要由挤压杆和凹模组成 凹模由两个横截 面相等的通道以一定的角度相交而成 两通道内角为函 外角为i f 挤压时由 挤压杆对试样施加压力将其从出口通道如图所示的方向挤出 o 图1 1e c a p 模具示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fe c a p m o u l d e c a p 工艺是大塑性变形方法之一 主要通过纯剪切变形来使晶粒得到显 著细化 相对于传统的制备超细晶材料的方法 e c a p 在变形过程中不改变材 料的横截面积和截面形状 只需比较低的工作压力 便可实现材料的反复定向 和均匀剪切变形 从而在大变形的条件下使材料获得均匀以及显著细化的晶粒 组织i9 1 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 2 2 工艺参数 1 模具结构e c a p 模具结构参数主要包括 两通道的内角咖和外角l f 1 w a h a s h i 1 0 1 等人提出总应变公式为 1 1 铲 t 矧悯c 睁詈 近年来 g o f o r t h t l l 1 2 等学者又通过理论分析和研究 一个计算公式 1 2 提出了总应变量的另 占n 弓睾 2 c t 罢 等 c 2 通过上述公式可计算当外夹角l f 值一定时 西从4 5 0 到1 8 0 0 的应变值的变 化情况如图1 2 所示 从图中可以看到西对应变起主导作用 而l c 值随咖角 度变大 对应变影响逐渐减小 当t 毋 1 5 0 0 时 不同l f 值的应变值基本不变 化 同一函下 j f 的值越小 获得的应变量越大 理论上i 炉o 时 能产生最 大应变 但是如果l f 值过小 就会在材料的外侧形成难变形区 即所谓的死区 缺陷 不利于变形材料组织的均匀化 除此之外 f 值过小还会增大挤压力 加速模具的磨损 图1 2 不同l f 西值e c a p 变形1 道次后应变的变化 1 3 1 f i g 1 2v a r i a t i o no f t h es t a i na f t e ro n ep a s so fe c a pu n d e rd i f f e r e n tl f a n d 函 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 变形路径根据试样在相邻道次间旋转方向和角度的不同 可以把 e c a p 分为四种变形路径 14 1 在变形过程中 采用不同的变形路径可以使材料 在变形过程中产生不同的滑移系统 这就导致变形后的材料内部出现不相同的 微观组织 变形路径如图1 3 所示 路径彳 每道次挤压后 试样不旋转 直 接进行下一道次挤压 路径玩 每道次挤压后 试样交替旋转9 0 0 再进行下 一次挤压 路径b c 每道次挤压后 试样向同一方向旋转9 0 0 再进行下一道 次挤压 路径c 每道次挤压后 试样向同一方向旋转1 8 0 0 再进行下一道次 挤压 这些不同路径也可以相互结合 例如 b c 路径和c 路径相互结合 即 每道次试样旋转9 0 0 和1 8 0 0 但是通过大量的实验数据表明这些复杂的结合并 没有使变形后材料的力学性能有明显的改进 因此 对于简单加工的棒材一般 都按照这四种基本的工艺路线 目前 还有待于通过系统的理论和实验研究来进一步认识变形路径对组织 细化的影响 一些学者对此进行了研究并提出了自己的观点 希望通过实验和 变形理论分析找到一条比较好的变形路径 但是却得到不同结论 图1 3e c a p l 艺中的四种变形路径 f i g 1 3f o u rd e f o r m a t i o np a t h so ft h ee c a pt e c h n o l o g y 大量学者通过对具有f e c 结构的铝及铝合金e c a p 变形路径实验得出不 同结论 当q k 9 0 时 1 w a h a s h 等人 1 5 1 在a b c c 三种变形路径下对纯铝进 行研究 得出的结论是b c 路径的晶粒细化效果最好 o h i s h i t l 6 等人对巩路径 和b c 路径进行对比研究 认为b c 路径比毋路径细化效果更好 l a n g d o n 等 人 1 7 1 通过研究认为晶粒细化效果b c c b a 和a 当q b 1 2 0 时 p r a n g n e l l 等人 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 h 8 1 用高分辨电子背散射衍射方法研究了a 1 3 m g 0 2 z r 0 2 f e 合金4 道次后晶粒 细化效果 认为彳路径细化效果最好 c 路径细化效果最差 细化效果顺序为 彳 b c 毋 c 到目前为止还不能归纳出变形路径对晶粒细化过程的影响规律 由于国内 外研究者对e c a p 变形路径的研究大都采用面心结构的c u a i 及其合金 而 对密排六方结构的m g t i 等合金的e c a p 变形路径研究较少 对于密排六方 结构的金属 研究者根据e c a p 变形路径面心结构金属的经验规律 实验中一 般采用变形后组织均匀性较好而且较易实现多道次的变形路径b c 众所周 知 密排六方结构的金属有其独特的滑移体系 尤其在高温下棱柱面 锥面等 潜在的非基面滑移被激活使金属微观结构在塑性变形中变得更加复杂 因此 变形路径对密排六方结构的镁合金组织的微观结构和力学性能还有待进一步分 析 3 挤压温度和速度温度对挤压效果的影响主要表现在两方面 一方面 变形中如果温度越高 变形后处于不稳定的高自由能状态的金属向着变形前低 能状态回复的趋势就越大 不利于晶粒细化及大角度晶界形成 另一方面 温 度升高有利于材料的流动和提高其变形能力 特别是对常温下难变形材料有着 明显的积极作用 s h i n 等人 1 9 2 叫对不同温度下e c a p 变形后的低碳钢进行组织 分析发现 随着挤压温度升高 晶粒尺寸明显长大 k i m 等人 2 l 在对纯钛的 e c a p 变形组织观察中也发现随着挤压温度升高 晶粒的细化程度降低 镁合 金在不同温度下e c a p 变形后的晶粒细化程度如何还有待研究 但国内刘英等 人 2 2 1 对a z 3 l 镁合金进行e c a p 变形的研究结果表明 在5 7 3 k 温度下以b c 方 式挤压1 2 道次以后 晶粒尺寸大小为1 5 9 m 在6 2 3 k 温度下挤压1 2 道次 后 晶粒尺寸大小为8 1 0 1 a m 挤压速度对e c a p 变形后镁合金的微观组织也有一定影响 b e r h o n 等人 2 3 1 研究了不同挤压速度对纯铝和a 1 一1 m g 合金晶粒细化的影响 结果表明挤压 速度在一定范围内对晶粒尺寸的影响较小 而对晶粒均匀程度有较大影响 挤 压速度越低 变形过程中的回复作用时间就越长 更多的位错可以被晶界吸收 掉 这使得材料的微观结构就更加均匀 k a m a c h i 等人 2 4 在不同挤压速度下对 9 9 9 6 的铜进行e c a p 变形实验也得到类似的结果 当挤压速度在o 2 18 m m s 范围内 挤压速度对晶粒的细化影响不大 4 背压方式在所有的背压方式中 顶杆加压法和粘性介质加压法被认为 是两种最有效可行的方法 2 5 1 它们能够非常方便地设定背压大小及其位置 粘 性介质加压法是往模具型腔中注入一定的粘性介质 用封头封住挤出端 通过 哈尔滨理工大学工学颁二卜学位论文 对封头施加压力 试样挤出端将会受到粘性介质传递的均匀压力的作用 如图 1 4 a 所示 顶杆加压法则是在挤出端放置一个顶杆 如图l 一4 b 所示 并对 顶杆施加压力 当试样接触到顶杆时 顶杆便开始发挥作用 两者之间的接触 力随着接触面积的增加而增大 当接触力大于顶杆对试样施加的背压力时 顶 杆便开始移动 最终随着试样被挤出通道 p a 粘性介质加压方法b 顶杆直接加压法 图l 4 背压方式 f i g 1 4w a y st op r o v i d eb a c k p r e e s u r e p 研究表明 同传统e c a e 工艺相比较 施加背压法会降低材料被破坏的可 能性 使试样产生较大的塑性变形量 并且在一定的压力范围内还能够有效地 提高试样内部变形的均匀性 通过进一步的研究得出 在获得静水压力的效果 方面粘性介质加压法比顶杆加压法要好 而在获得变形的均匀性和大变形量方 面顶杆加压法比粘性介质加压法要好 1 2 3e c a p 研究现状及展望 由于e c a p 具有适用于各类合金以及化合物的大块坯料生产 应变高 可 通过多次挤压来积累应变 便于加工等诸多优点 成为材料界学者普遍关注的 新兴研究领域 目前 国外科学研究者已经利用e c a p 制备出块状超细晶材 料 并且投入到实际应用当中 近年来 许多材料学研究者都对e c a p 变形过程进行了计算机数值模拟方 面的研究 p r a n g n e l l 等 2 6 首先采用有限元数值模拟的方法研究了等通道转角挤 压变形过程以及摩擦对于变形过程的影响 s u h 等 2 7 1 在不考虑摩擦影响的条件 下研究了e c a p 过程中的非均匀变形行为 s h a n 等人 2 8 在早期的实验中也观 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 察分析了非均匀剪切变形 r a g h a v a n l 2 明研究了模具内角西 外角l c 和 t n 圆弧 半径尺对应变分布的影响 发现最大应变与内角西和外侧圆弧半径尺有关 k i m t 3 0 1 通过有限元模拟分析了模具转角间隙形成的原因及规律 然而 e c a p 变形过程的计算机数值模拟研究还是与实际变形情况相差很大 因此建立有效 变形模型对工艺参数的优化有重大意义 已进行的e c a p 有限元模拟工作主要集中在以下方面 研究材料本构方程 在变形过程中的影响 应变硬化或应变软化 应变速率的敏感性等 口1 3 3 1 模具 的几何条件的影响 内角西 外角 口7 3o 3 2 1 变形条件 如 摩擦 热传递等 对 e c a p 变形的影响掣2 蚴 3 4 1 而对于e c a p 有限元组织模拟方面目前国内外学 者研究的还不算很多 在国外 主要是美国 俄罗斯 日本 韩国等国家的科研工作者正致力于 e c a p 制备工艺的理论与应用研究 并且对于e c a p 过程中工艺原理 工艺参 数和组织演变等有了初步的了解 但是仍在很多方面存在分歧 例如 e c a p 变形路径对不同金属组织细化的影响 e c a p 产生超细晶材料的变形机理等 迄今为止 适用于所有可加工材料的细化机理及工艺参数还尚未清楚 对 e c a p 的理论研究还处于摸索探讨阶段 并且e c a p 实际生产中还存在着生产 效率低 模具成本高 材料损耗严重等诸多问题 尽管如此 e c a p 仍有望应 用于大规模的工业化生产当中 可以预见未来对于e c a p 技术的研究主要在如 下几个方面 1 系统研究工艺参数对于e c a p 加工材料组织细化的影响 找出适用于 所有加工材料的完备理论 2 织构在组织演化中发挥的作用不容忽视 织构演化需要重点研究 从而 完善组织演变规律 3 利用计算机模拟对实验步骤进行仿真研究 实现多种工艺参数组合的 组织与性能预测 这需要建立有效的变形模型 解决模拟研究与实际情况相差 过大的问题 4 设计出行之有效的连续e c a p 模具 解决工艺存在的生产效率过低 原材料及模具损耗严重等问题 5 开发技术扩展e c a p 应用范围 使其能够应用于难变形的陶瓷基复合 材料 铁基材料等 6 改善技术提高应变量 解决应变量随着道次增加而显著降低的问题 7 将e c a p 技术与合金化等技术相融合 达到技术互补的目的 8 开发出适用于工业化大尺寸产品生产的e c a p 技术 使其不再局限于 哈尔滨理工大学工学硕一 学位论文 实验室中的小试样研究 完成技术商业化转变 1 3 课题研究意义及研究内容 等通道转角挤压工艺产生的超细晶材料具有良好的综合性能 强度高 塑 性好 且该工艺本身生产成本低 污染小 工艺简单 因此 研究该工艺过 程有着重要的理论意义和应用价值 但是 通过对影响e c a p 工艺因素的分析 可知e c a p 模具的设计 挤压途径 道次 温度 速度以及变形热对j j n r 过程 及材料性能影响极大 而工件与模具接触面之间的摩擦状态等因素又使得 e c a p 过程难于控制 如果通过实验来研究该工艺则面临着工作量大 材料内 部流动规律和流动过程中各种场的分布以及大小难以获得等问题 采用有限元方法模拟e c a p 变形过程可以直观动态的观察该过程 且获得 任意时刻各种场的分布及大小 此外 通过对e c a p 多道次的模拟研究 可以 建立简单可行的e c a p 多道次挤压有限元模型 同时还可以优化挤压路径 由 此可见 通过建立合适的e c a p 模型并借助于先进的计算机技术 来对e c a p 变形过程中的工艺参数进行优化 有利于e c a p 工艺深入的研究和开发 尤其 是本课题的组织模拟研究对e c a p 变形理论的应用与发展都有着重要的意义 研究课题来源于哈尔滨市科技创新人才专项资金资助项目 项目编号为 2 0 1 1 r f x x g 0 0 6 该项目围绕光机电一体化 电子信息 生物工程及新医药 航空航天 新材料和高效节能与环保 农业高新技术等六大高新技术领域 重 点支持具有自主知识产权 创新性强 技术含量高 有竞争力 市场前景好的 研究项目和为社会可持续发展 关系人民生活健康的科研项目 本文的研究符 合该课题项目的宗旨 对高新技术的发展具有重要意义 具体的研究内容如 下 1 对1 8 0 2 0 0 2 2 0 三种温度下四道次e c a p 获得的试样在2 0 0 2 2 0 2 5 0 下做拉伸试验获取拉伸数据并进行分析 同时对拉伸断口进 行s e m 和能谱分析 2 对1 8 0 2 0 0 2 2 0 三种温度下e c a p 获得的镁合金试样进行金 相 断口及透射组织分析 3 通过d e f o r m 3 d 有限元模拟软件对一至四道次e c a p 过程进行组织 及各种场的模拟来与实验分析结果对比验证 哈尔滨理工大学t 学硕 卜学位论文 第2 章z k 6 0 镁合金e c a p 有限元模拟 2 1e c a p 有限元模拟模型建立 模拟e c a p 过程所用的模具实体图主要由挤压杆 凹模和背压顶杆三个元 件组成 由于要对试样以b c 路径进行四道次挤压 模拟所采用的是多级连续 e c a p 模型 如图2 1 所示 图中标注出了每条等通道所对应的挤压道次 这 三个元件连同挤压试样在p r o e 三维制图软件中绘制完成 并都以扩展名为 s t l 的二进制格式保存 第1 道 第3 道 第4 道次 励 簇弘挤压杆 背压力 图2 1e c a p 有限元模型 f i g 2 1f i n i t ee l e m e n te c a pm o d e l 进入d e f o r m 3 d 前处理窗口后将这些三维模型一一导入 并进行网格划 分 这是由于如果不给模具划分网格 会导致试样与模具之间无法进行热传 递 e c a p 过程中所产生的变形热会全部被试样吸收 造成其温度急剧上升 从而使模拟结果不准确 模拟中试样选用的网格划分数为1 8 0 0 0 凹模的网格 数为2 0 0 0 0 0 挤压杆的网格数为2 0 0 0 0 背压顶杆的网格数为1 2 0 0 0 除试样 哈尔滨理工大学工学硕 l 学位论文 材料为z k 6 0 镁合金外 模具三个元件所采用的材料均为h 1 3 钢 划分完网格 后的模具各向视图如图2 2 所示 这个模型中的凹模包含了4 条弯曲的9 0 等 通道 每一次挤压就相当于完成了1 次b c 路径的单道次e c a p 最终完成了4 次挤压 并且挤压后可对试样进行不同道次的组织结构对比 a 止视图 b 侧视图 c 俯视图 图2 2e c a p 网格划分各向视图 f i g 2 2v i e w so fm e s hd i v i s i o ni na l ld i r e c t i o n s 2 2e c a p 有限元模拟参数定义 进入前处理加载完几何模型并对其进行网格划分以后 需对模拟过程中的 各个参数进行定义 模拟采用的是国际单位制 模具和试样的初始加工温度均 哈尔滨理工大学工学硕二e 学位论文 设置为2 0 0 c 挤压杆的运动速度定义为2 m m s 背压顶杆的运动定义力为 3 1 4 0 n 相当于背压强度为4 0 m p a 模拟步数设置为2 0 0 0 步 每2 0 步保存一 次 模拟中对参数的定义还需要注意以下几个问题 1 为了提高模拟精度 对试样采用的是绝对网格划分方式 最小单元尺寸 能达到o 8 5 m m 2 模拟过程中模拟计算步长的确定非常重要 如果步长设置太小会引起不 必要的计算时间消耗 而设置过大则会造成迭代计算不收敛 导致计算中断 步长一般选择模型中最短单元尺寸的l 3 作为参考标准 但由于e c a p 过程变 形剧烈 局部网格严重畸变 因此不但要尽量的细化网格 而且步长设置为最 短单元尺寸的1 2 0 3 模拟过程中需要不断调整接触容差 使试样节点与模具充分接触 否则 会造成模拟结果不准确 4 由于模拟过程包含显微组织模拟 所以需要定义材料再结晶模型参数 模拟是根据a v r a m i 方程来设定这些参数 动态再结晶体积分数x r 和真应变 之间符合公式 2 1 x r l e x p 一 占 0 8 3s p 七 2 1 动态再结晶晶粒尺寸模型如式 2 2 d a g g a o e x p q r 丁1 2 2 式中 a n m k 为常数 d 为动态再结晶后平均晶粒尺寸 而为动态再结 晶前平均晶粒尺寸 q 为动态再结晶形变激活能 尺为摩尔气体常数 t 为动 态再结晶变形温度 利用多元线性回归法计算出各常数的值 如式 2 3 所示 d 6 7 4 1 0 6 占0 5 9 7 5 5 一o 1 3 9 3 a 0 2 4 5 9 1 e x p 2 8 6 4 9 7 8 1 0 5 r t 2 3 2 3e c a p 有限元模拟结果 2 3 1 应力场模拟 e c a p 过程中应力场分布的模拟分析尤为重要 应力的大小与变形的剧烈 1 1 哈尔滨理工人学工学硕 l 学位论文 程度密不可分 也与晶粒的细化效果息息相关 四道次e c a p 过程中每道次挤 压后的应力分布变化如图2 3 所示 图中标注出了每道次挤压的位置 变形前期部分试样通过第一条等通道后应力场分布如图2 3 a 所示 可以 看出 应力场主要分布在两个等通道相交的区域 尤其是内 外角之间存在的 狭长的剪切变形带区域中应力更大 能达到1 0 0 m p a 这与低能位错结构理论 有关 通道转角处发生剧烈的剪切变形 变形会使组织中产生高密度的缠结位 错 而位错间存在着较大应力场 它们会相互作用并重新排列 形成亚晶结 构 而形成的亚晶界会进一步演化为小角度晶界和大角度晶界 引起动态再结 晶 从而细化晶粒 这也证实了e c a p 主要通过通道拐角处的纯剪切变形来使 晶粒得到显著细化这个理论的正确性 a 一道次e c a pb 1 二道次e c a p c 三道次e c a pd 四道次e c a p 图2 3 不同道次e c a p 变形过程中应力场分布 f i g 2 3d i s t r i b u t i o no fs t r e s s e f f e c t i v ed u r i n gt h ee c a pp r o c e s s 哈尔滨理工大学工学硕二 学位论文 e c a p 变形过程中试样通过第二 三 四条等通道后的应力场分布分别如 图4 3 b c d 所示 首先可以看出试样所受的最大应力值在不断降低 第 二道次最大应力值能达到6 0 m p a 第三道次最大应力值仅为1 0 m p a 第四道 次更低 只有5 m p a 左右 这表明随着挤压道次的增多塑性变形不再剧烈 晶 粒细化效果也会越来越弱 其次最大应力主要分布在第一条等通道拐角处 这 表明第一条等通道处塑性变形的程度最剧烈 对晶粒的细化效果也必然会最明 显 2 3 2 速度场模拟 由绪论中的模具结构分析可知 理论上 f o 时 能产生最大应变 但是y 值过小 会在变形材料外侧形成难变形区 即死区缺陷 由于构造的模拟模型 中第一条9 0 等通道相当于未施加背压力 e c a p 变形前期部分试样通过第一 条等通道后不同部位流动速度的模拟结果如图2 4 所示 死区 萱 二 图2 4e c a p 变形前期流动速度模拟示意图 f i g 2 4s i m u l a t i o ns c h e m e so fv e l o c i t ya tt h ee a r l ys t a g eo fe c a p 观察发现 通道拐角部位流动速度接近于o 即试样在这个部位发生滞留 现象 产生了所谓的死区缺陷 同时还可以看出 试样头部的底面部分流动速 度最快 这是由于通道外角处剪切应力的横向分力对试样的推动作用所致 而 通道内角部位以及靠近死区缺陷部位是除死区缺陷部位外流动速度最慢的 通 道内角部位是由于内角处剪切应力的横向分力对试样的拉扯作用所致 靠近死 区缺陷部位则是外角处剪切应力的纵向分力对试样的阻碍作用所致 此外 虽 哈尔滨理工大学工学硕二l 学位论文 然试样外表面与凹模内壁之间存在摩擦力 但由于m o s 2 的润滑作用 使得试 样的心部流动速度与试样外表面部分基本一致 如图2 5 所示 模拟过程中产生了飞边 飞边的产生与加工过程中受力不 均衡有关 分析认为这主要是由于变形时并未施加背压力 摩擦力和剪切力的 共同作用使试样某些部位流动速度过快而产生飞边 从飞边位于试样外表面可 以看出摩擦力作用不够 可以尝试减少润滑剂的用量来减少飞边 在塑性加工 成型过程中 飞边的产生不可避免 如何减少飞边提高塑件质量是重要的研 究课题 图2 5 模拟过程中产生的飞边 f i g 2 5b u r ra p p e a r e di nt h es i m u l a t i o np r o c e s s e c a p 变形中后期流动速度分布如图2 6 所示 a e c a p 变形中期b e c a p 变形后期 图2 6e c a p 变形中后剜流动速度模拟示意图 f i g 2 6s i m u l a t i o ns c h e m e so fv e l o c i t y a tt h em i d l a t es t a g eo fe c a p 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 可以看出 试样速度分布的总体规律没有什么变化 都是未经过第一条等 通道的部位速度维持在2 m m s 左右 而经过第一条等通道后的部位速度很低 尤其值得注意的是试样在第一条等通道外角部位的速度非常高 分析认为 变 形过程中试样不断地被挤入转角部位 不但在剪切力作用下发生剧烈变形 同 时在挤压力作用下加速运动 导致该部位速度过快 而通过了转角的部位在多 条等通道的剪切带作用下粘滞 导致试样通过了第一条等通道的部位运动缓 陧 2 3 3 温度场模拟 e c a p 过程中应力场的变化直接反映在温度场的变化上 试样所受的应力 越大 变形也就越剧烈 变形区域的温度相比其他区域也就越高 即试样各个 区域的温度差值明显 因此 对于应力场和温度场的模拟结果应综合分析 连 续四道次e c a p 变形过程中温度场的分布如图2 7 所示 变形前期部分试样通过第一条等通道后温度场的分布如图2 7 a 所示 可 以看出 温度分布由剪切变形带开始向着变形试样尾部区域性逐级递减 温度 较高部位仍主要分布在通道拐角处 剪切变形带区域温度最高能达到2 0 7 尾部区域温度最低为2 0 1 同时还观察到已通过通道拐角区域的部位温度略 低于剪切变形带区域 这种温度场分布状况主要是塑性变形热 摩擦热和热传导共同作用的结 果 试样在通过通道拐角区域时会由于受到纯剪切变形力的作用而发生剧烈的 塑性变形 产生大量的塑性变形热 另外 与凹模内壁摩擦也会产生摩擦热 这些热量必然要通