ZK60镁合金棒材ECAP过程有限元模拟分析

于彦东， 逯允龙， 庄园， 初德胜， 李彩霞

（哈尔滨理工大学材料科学与工程学院，哈尔滨150040）

ZK60镁合金棒材ECAP过程有限元模拟分析

于彦东， 逯允龙， 庄园， 初德胜， 李彩霞

（哈尔滨理工大学材料科学与工程学院，哈尔滨150040）

采用刚黏塑性有限元理论，在挤压温度为200℃、挤压速度为2 mm/s、背压强度为40 MPa时，对ZK60镁合金棒材进行四道次ECAP过程的数值模拟，观察棒材在四道次ECAP过程中金属流动情况，并分析棒材在四道次ECAP过程中应力场和温度场的分布和变化规律。

ECAP；四道次挤压；ZK60棒材；有限元分析

0 引言

镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、电磁屏蔽效果好、抗震能力强，易于机加工成形和易于回收再利用等优点［1］。

近年来，等通道转角挤压（EqualChannelAngularPressing简称ECAP）作为一种制备超细晶材料的新技术工艺，受到材料科学学者的极大关注［2］。这种技术主要是在不改变材料外观形状和尺寸的条件下，引入强烈的近似于纯剪切的变形来达到使材料晶粒细化的目的，从而改善材料的力学性能。这是由于密排六方金属具有很强的细晶强化效应，通过细化晶粒能够使镁合金的强度得到显著提高。此外，细化晶粒还能够明显改善镁合金的塑性［3］。

本文采用体积成形有限元软件，对ZK60镁合金棒材进行了的四道次ECAP过程的三维有限元数值模拟。了解金属在挤压过程中的流动情况，分析应力场及温度场分布的模拟结果，达到减小实验工作量、降低实验成本和提高实验精度等目标。

1 建立模型及模拟设置

模拟ECAP过程所用的模具实体图主要由挤压杆、凹模和背压顶杆3个元件组成，由于要对试样以BC路径进行四道次挤压，模拟所采用的是多级连续ECAP模型，如图1所示。

图1 ECAP有限元模型

模拟中试样选用的网格划分数为18 000，凹模的网格数为200 000，挤压杆的网格数为20 000，背压顶杆的网格数为12 000，除试样材料为ZK60镁合金外，模具3个元件所采用的材料均为H13钢，这个模型中挤压模具的挤压入口通道和背压出口通道的直径为φ10 mm，等通道的夹角为90°。凹模包含了4条弯曲的90°等通道，每一次挤压就相当于完成了1次BC路径的单道次ECAP，最终完成了4次挤压。

2 模拟结果分析

2.1 应力场模拟

ECAP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程度密不可分，也与晶粒的细化效果息息相关。四道次ECAP过程中每道次挤压后的应力分布变化如图2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（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100 MPa。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ECAP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。

ECAP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2（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60 MPa，第三道次最大应力值仅为10 MPa，第四道次更低，只有5 MPa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最明显。

图2 不同道次ECAP变形过程中应力场分布

2.2 温度场模拟

ECAP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ECAP变形过程中温度场的分布如图3所示。

图3 不同道次ECAP变形过程中温度场分布

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3（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207℃，尾部区域温度最低为201℃，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，这些热量必然要通过热传导传递到温度较低的区域，因此就导致了这种剪切变形带区域温度最高，温度向着其它区域逐级递减的现象。而通过拐角区域的部位由于要向空气散热以及与凹模发生热传导，因此温度略有降低。

变形过程中试样通过第二条等通道后的温度场分布如图3（b）所示，可以看出，最高温度分布在两条相邻等通道之间剪切变形带交汇的区域，并且以此为中心呈现出向着其它部位区域性逐级递减的分布特征。相比变形前期，由于变形过程中模具向环境散热以及热传导的作用，同时变形的剧烈程度相对于试样刚通过第一条等通道时也有所降低，导致试样温度显著降低，最高温度仅能达到202℃，且最高与最低温度相差2℃。大量的变形热意味着剧烈的塑性变形，模拟结果表明剪切变形带的交汇区域由于受到两条等通道剪切力的共同作用而剧烈变形。变形过程中试样通过第三条等通道后的温度场分布如图3（c）所示，可以看出，试样温度再度降低，最高与最低温度均稍高于200℃，且两者之间仅相差0.5℃，分析认为试样整体温度的下降主要是由于模具散热及试样通过等通道时变形剧烈程度越来越低所致；此外，每条等通道拐角部位的温度虽然仍高于其它部位，但也在按照等通道的顺序逐次降低，这表明试样变形的剧烈程度也在按等通道的顺序逐次降低。这两点均与应力场分析得出的结论相同。

变形过程中试样通过第四条等通道后的温度场分布如图3（d）所示，可以看出，试样温度降低到200℃以下，最高与最低温度仅相差0.3℃。这时的最高温度位于第四条等通道的拐角位置，这表明第四条等通道处的塑性变形稍显剧烈，但由于该区域温度升高不明显以及应力作用总体减少，可以分析出该区域的晶粒细化效果仍不会很明显。

3 结论

通过对ZK60合金棒材四道次ECAP变形过程进行有限元数值模拟，探讨了变形过程中应力场及温度场的变化，主要得出以下结论：

1）对ZK60合金棒材进行四道次ECAP应力场模拟表明，随着挤压道次的增加，试样塑性变形不再剧烈，试样通过第一个等通道拐角后的最大应力以及最高温度均分布在剪切变形带区域。

2）四道次ECAP变形过程中的应力场及温度场分布模拟结果均表明，试样变形的剧烈程度不但随着挤压道次的增加而降低，同时也按照挤压道次的顺序再逐渐降低。每条等通道拐角部位的温度分布高于其它部位。

［1］ MckenziePWJ，LapovokR，EstrinY.Theinfluenceofbackpressure on ECAP processed AA 6016：Modeling and experiment［J］. Acta Materialia，2007，55：2985-2993.

［2］ Janecek M，Popov M，Krieger M G，et al.Mechanical properties and microstructure of a Mg alloy AZ31 prepared by equalchannel angular pressing［J］.Materials Science and Engineering，2007，A462：116-120.

［3］ 于彦东，周浩.MB15合金等通道转角挤压晶粒组织模拟和实验分析［J］.中国有色金属学报，2011（2）：296-302.

（编辑昊 天）

Finite Element Simulation and Analysis of ZK60 Magnesium Alloy Bar in the ECAP Process

YU Yandong,LU Yunlong,ZHUANG Yuan,CHU Desheng,LI Caixia
（School of Materials Science and Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150040,China）

The ZK60 magnesium alloy bar was conducted by numerical simulation during the four-pass equal channel angular pressing（ECAP）process through the rigid visco-plastic finite element theory at the temperature of 200℃,the extrusion of 2 mm/s and the back pressure of 40 MPa.Then the metal flow of the bar was observed,the distribution and change of the stress field and temperature field were analyzed in the four-pass ECAP process.

ECAP;four-pass pressing;ZK60 magnesium bar;finite element analysis

TG 376.2;TG 379

A

1002－2333（2014）05－0085－03

于彦东（1964—），女，教授，博士，从事镁合金精密成型技术研究。

2014-03-28

黑龙江省教育厅科学研究项目（12521075）