陳振華，王金海，李 林，陳 鼎，蘇 海

（湖南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410082）

鎂合金密度低，比強度和比剛度較高，阻尼減震效果佳，被廣泛應用于汽車、航空、航天和家電等領域.而鎂的冶煉屬于高能耗型，且鎂合金產(chǎn)品的生產(chǎn)主要是以壓鑄和觸變性為主[1－2]，在成形過程中會產(chǎn)生大量的廢料如流道、澆道以及機加工的切削和邊角料等.目前處理這些邊角廢料主要是采用重熔精煉法，缺乏安全性且成本高.因此，發(fā)展固態(tài)回收鎂合金廢料的方法具有重要的意義.近年來鎂合金固態(tài)回收技術得到了廣泛的研究[3－7].

日本東京大學研究開發(fā)出反復塑性加工的固態(tài)回收方法[8].該方法是將鎂合金切削料或粉末填充到模具內(nèi)，經(jīng)過單純的壓縮變形后再進行擠壓變形，兩種方式反復進行，使鎂合金粉末充分攪拌混合和均勻化，在不斷的反復過程中，粉末固化到一起，晶粒得到細化，最終得到具有微細組織的材料[9].但通常這種方法是在常溫下多道次進行的，鎂合金粉末很難發(fā)生再結晶，其組織僅僅是機械結合在一起而并沒有達到冶金結合.為了改善粉末制品的冶金質量，本文通過在往復塑性加工過程中引入一個溫度場，制定了一個往復擠－鐓（CEU）的工藝，其變形過程示意圖如圖1所示.但是往復擠－鐓變形過程非常復雜，是一個涉及幾何非線性、材料非線性和邊界條件非線性的復雜問題.

圖1 往復擠－鐓工藝的示意圖Fig.1 Schematic illustration of cyclic extrusion－upsetting

為此，針對上述問題，本文作者采用DEFORM－2D有限元軟件模擬純鎂粉末坯的往復擠－鐓塊體機械冶金過程，分析材料往復擠－鐓過程中的流動行為、應力、應變等相關場量分布及變化規(guī)律，旨在為深入研究純鎂粉末坯往復擠－鐓變形工藝提供理論指導和現(xiàn)實依據(jù).

1 往復擠－鐓有限元模擬

1.1 粉末體材料的屈服準則限元列式

粉末體是一個非連續(xù)體，但是非連續(xù)介質力學的基礎目前還很不完善，因此目前還是將粉末材料視為“可壓縮的連續(xù)體”，采用連續(xù)體塑性力學理論來研究粉末的塑性變形[10－11].

對于相對密度較高的粉末體壓縮材料（相對密度R＞0.7），本文采用Doraivelu屈服準則[12]：

式中J1和J′2分別為應力張量及應力偏張量的第一、第二不變量；A＝2＋R2；B＝1－A／3；δ＝2R2－1；σ0和σR分別為基體和粉末材料屈服應力，相應的粉末流動本構關系：

式中dεij為塑性應變增量分量，i，j＝x，y，z；dˉεR為等效塑性增量；σij為應力分量.

粉末體在壓縮過程中，忽略其彈性變形，采用有限單元將粉末體離散后，利用虛功率原理可建立其可壓縮性剛粘塑性有限元列式為：

式中：N為單元的形函數(shù)矩陣；B為單元的幾何矩陣；v為節(jié)點虛速度列陣；D為反映材料性能關系的對稱矩陣；及性能關系矩陣D都是和材料的相對密度有關.

1.2 往復擠－鐓變形有限元模型的建立

由于初始坯、模具和頂桿皆為軸對稱圖形，將實體模型簡化為二維軸對稱問題來處理，網(wǎng)格模型如圖2所示.以純鎂粉末為原料，經(jīng)300℃熱壓制成壓坯（相對密度約為0.8），試樣尺寸為φ18mm×10mm，采用4節(jié)點平面四邊形等參單元對初始坯進行離散，共得到3 000個單元，相關的材料常數(shù)都是溫度的函數(shù)，應用ASTM標準數(shù)據(jù)輸入[13]，采用榮莉等人[14]關于純鎂熱壓縮變形的流變應力方程：˙ε＝ 1 7.8[sinh模具和頂桿設為剛體，與初始坯溫度（450℃）相同，模具過渡的倒角φ＝45°，擠壓比λ＝2.25.環(huán)境溫度20℃，功熱轉換系數(shù)β＝0.9，摩擦系數(shù)f＝0.5，沖頭運行速度約1mm／s.

圖2 往復擠－鐓的初始有限元網(wǎng)格模型Fig.2 Initial model of cyclic extrusion－upsetting

1.3 模擬結果及討論

1.3.1 流場

圖3所示為初始粉末坯往復擠－鐓第1道次過程中的流場速度分布圖.從圖3（a）～圖3（d）分別是不同階段的金屬流動速度場，其中，圖3（a），圖3（b）為擠壓階段，圖3（c），圖3（d）為鐓粗階段.從圖3（a）可看出，初始坯在頂模的壓力作用下開始發(fā)生常規(guī)正擠壓變形，材料縱向流動；頂模運行速度為1 mm／s，由于摩擦的存在，試樣內(nèi)部出現(xiàn)了顯著的流速梯度，中心的流速高于表層的流速，約為2.7 mm／s.從圖3（b）可看出，頂模運行至頸縮區(qū)上端面停止，擠壓結束.從圖3（c）可看出，頂模固定在A處，底模以1mm／s向上運行，試樣開始鐓粗，產(chǎn)生橫向分量的流動.從圖3（d）可看出，隨著底模繼續(xù)運動，試樣繼續(xù)鐓粗并逐漸充滿整個型腔.由此可以看出，試樣完成擠－鐓1個道次過程中，試樣內(nèi)部產(chǎn)生了交替的縱向和橫向流動，有利于促進材料的均勻變形.

圖3 CEU 1道次過程的流場分布圖Fig.3 Velocity distribution during CEU processiong

1.3.2 應力場

圖4所示為試樣往復擠－鐓第1道次過程中的等效應力分布圖.其中圖4（a）為擠壓階段；圖4（b）為鐓粗階段.由圖4可以看出，試樣的擠壓段和鐓粗段都具有強烈的剪切區(qū).強烈的剪切力能有效破碎粉末顆粒表面的氧化物及內(nèi)部孔隙，形成新生的顆粒表面，有利于促進粉末多孔材料的致密化從而達到冶金結合.另外，由圖4（c），圖4（d）還可以看出，在往復擠－鐓過程中，試樣的主變形區(qū)域受到三向壓應力，有效抑制裂紋的萌生，這對發(fā)揮粉末多孔材料的塑性成形是非常有利的.

1.3.3 應變場

圖5所示為試樣往復擠－鐓第1道次的等效應變分布圖.由圖5（a），圖5（b）可知，試樣的等效應變量由表及里逐漸減小，從中心向兩端也逐漸減小.由于材料在流動過程中要受到周圍對其的阻礙作用，而在模壁附近的材料在流動中受到的摩擦阻力最大，因此等效應變量最大.而鐓粗段試樣中心區(qū)域由于受到較大的靜水壓力作用，也獲得了較大的等效應變量（見圖5（b））.由圖5（c），圖5（d）可以看出，經(jīng)過往復擠－鐓3道次后，由于較高的累積塑性應變量，試樣均勻應變區(qū)的長度有所增加.由此表明隨著往復擠－鐓道次的增加，試樣內(nèi)部的均勻變形性有所改善[15].

圖4 CEU過程試樣的等效應力分布圖Fig.4 Equivalent stress distribution in the workpiece during CEU

圖5 往復擠－鐓不同道次后試樣內(nèi)的等效應變分布圖Fig.5 Equivalent strain distribution in the workpiece after CEU with different pass

2 往復擠－鐓實驗

實驗所用初始粉末為純鎂切削廢料，如圖6所示，初始鎂粉末的粒度在150μm左右，采用石墨－機油潤滑以減小摩擦，在室溫下壓實，然后在300℃下經(jīng)機械壓制成圓柱形壓坯，試樣尺寸為Φ120mm×50mm.變形前將模具與試樣均預熱至450℃，保溫0.5h，使試樣受熱充分均勻，本實驗在630t的四柱液壓機上進行.圖7所示為往復擠－鐓1道次試樣的光學顯微組織，從圖7可以看出，試樣內(nèi)部存在少量微孔隙.

圖6 原始純鎂粉末Fig.6 Initial pure magnesium powder

圖7 往復擠－鐓1道次試樣的光學顯微組織Fig.7 Microstructure of workpiece after CEU 1pass

圖8所示為往復擠－鐓3道次試樣的光學顯微組織，由圖8（a）可以發(fā)現(xiàn)清晰的擠壓變形流線和條帶組織，擠壓階段，試樣產(chǎn)生正擠壓變形，顆粒沿軸向方向拉長.由圖8（b）可以看出，鐓粗階段，顆粒沿徑向方向壓縮.試樣在反復的擠壓剪切和鐓粗壓縮過程中，試樣內(nèi)部的孔隙得到有效的破碎，加速試樣的致密.而鎂在空氣中容易氧化，鎂粉表面生成的氧化層將會阻礙粉末間的結合與進一步的致密[16].由圖8（b）還可以看出，顆粒表面的氧化層在強烈的剪切作用下被擠出變細并形成了外加的第二相均勻分布在顆粒界面上[17]，而新生的顆粒界面逐漸微細化并在鐓粗過程強烈的壓力作用下焊合在一起，形成顆粒間的“吞噬”現(xiàn)象，出現(xiàn)了顆粒的部分長大.試樣往復擠－鐓3道次，由于塑性應變量的累積，獲得了較高的累積應變量從而更進一步促進了組織的致密.經(jīng)排水法測得試樣的相對密度達到0.98，已接近完全致密，達到冶金結合的效果.

圖8 往復擠－鐓3道次試樣的光學顯微組織Fig.8 Microstructure of workpiece after CEU 3passes

3 結 論

1）純鎂粉末多道次往復擠－鐓塊體機械冶金是擠壓與鐓粗變形的循環(huán)交替結合過程，總是存在一對剪切力.該剪切力能有效地破碎粉末顆粒表面的氧化層與其內(nèi)部孔隙，形成新生的表面，在壓力作用下，新生的表面重新焊合在一起，從而促進組織的致密.

2）試樣往復擠－鐓過程中，擠壓階段等效應變量由表及里逐漸減小；鐓粗階段由中心向兩端逐漸減小，隨著擠鐓道次的增加，其應變均勻性得到有所改善.

3）往復擠－鐓工藝強烈的交替剪切效應對粉末多孔材料具有強烈的致密效果，能極大的焊合內(nèi)部孔隙.純鎂粉末多孔材料在450℃往復擠－鐓3個道次后，相對密度達到0.98，接近完全致密，達到冶金結合的效果.

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