純鎂粉末坯往復(fù)擠－鐓的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究＊

陳振華，王金海，李 林，陳 鼎，蘇 海

（湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410082）

鎂合金密度低，比強(qiáng)度和比剛度較高，阻尼減震效果佳，被廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天和家電等領(lǐng)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(jī)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(shù)得到了廣泛的研究[3－7].

日本東京大學(xué)研究開發(fā)出反復(fù)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(jìn)行擠壓變形，兩種方式反復(fù)進(jìn)行，使鎂合金粉末充分?jǐn)嚢杌旌虾途鶆蚧?，在不斷的反?fù)過程中，粉末固化到一起，晶粒得到細(xì)化，最終得到具有微細(xì)組織的材料[9].但通常這種方法是在常溫下多道次進(jìn)行的，鎂合金粉末很難發(fā)生再結(jié)晶，其組織僅僅是機(jī)械結(jié)合在一起而并沒有達(dá)到冶金結(jié)合.為了改善粉末制品的冶金質(zhì)量，本文通過在往復(fù)塑性加工過程中引入一個(gè)溫度場，制定了一個(gè)往復(fù)擠－鐓（CEU）的工藝，其變形過程示意圖如圖1所示.但是往復(fù)擠－鐓變形過程非常復(fù)雜，是一個(gè)涉及幾何非線性、材料非線性和邊界條件非線性的復(fù)雜問題.

圖1 往復(fù)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(fù)擠－鐓塊體機(jī)械冶金過程，分析材料往復(fù)擠－鐓過程中的流動(dòng)行為、應(yīng)力、應(yīng)變等相關(guān)場量分布及變化規(guī)律，旨在為深入研究純鎂粉末坯往復(fù)擠－鐓變形工藝提供理論指導(dǎo)和現(xiàn)實(shí)依據(jù).

1 往復(fù)擠－鐓有限元模擬

1.1 粉末體材料的屈服準(zhǔn)則限元列式

粉末體是一個(gè)非連續(xù)體，但是非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的基礎(chǔ)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(xué)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(zhǔn)則[12]：

式中J1和J′2分別為應(yīng)力張量及應(yīng)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(yīng)力，相應(yīng)的粉末流動(dòng)本構(gòu)關(guān)系：

式中dεij為塑性應(yīng)變增量分量，i，j＝x，y，z；dˉεR為等效塑性增量；σij為應(yīng)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(diǎn)虛速度列陣；D為反映材料性能關(guān)系的對稱矩陣；及性能關(guān)系矩陣D都是和材料的相對密度有關(guān).

1.2 往復(fù)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(shí)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(diǎn)平面四邊形等參單元對初始坯進(jìn)行離散，共得到3 000個(gè)單元，相關(guān)的材料常數(shù)都是溫度的函數(shù)，應(yīng)用ASTM標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)輸入[13]，采用榮莉等人[14]關(guān)于純鎂熱壓縮變形的流變應(yīng)力方程：˙ε＝ 1 7.8[sinh模具和頂桿設(shè)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(zhuǎn)換系數(shù)β＝0.9，摩擦系數(shù)f＝0.5，沖頭運(yùn)行速度約1mm／s.

圖2 往復(fù)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(jié)果及討論

1.3.1 流場

圖3所示為初始粉末坯往復(fù)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(dòng)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(dòng)；頂模運(yùn)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(yùn)行至頸縮區(qū)上端面停止，擠壓結(jié)束.從圖3（c）可看出，頂模固定在A處，底模以1mm／s向上運(yùn)行，試樣開始鐓粗，產(chǎn)生橫向分量的流動(dòng).從圖3（d）可看出，隨著底模繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，試樣繼續(xù)鐓粗并逐漸充滿整個(gè)型腔.由此可以看出，試樣完成擠－鐓1個(gè)道次過程中，試樣內(nèi)部產(chǎn)生了交替的縱向和橫向流動(dòng)，有利于促進(jìn)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(yīng)力場

圖4所示為試樣往復(fù)擠－鐓第1道次過程中的等效應(yīng)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(qiáng)烈的剪切區(qū).強(qiáng)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(jìn)粉末多孔材料的致密化從而達(dá)到冶金結(jié)合.另外，由圖4（c），圖4（d）還可以看出，在往復(fù)擠－鐓過程中，試樣的主變形區(qū)域受到三向壓應(yīng)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(yīng)變場

圖5所示為試樣往復(fù)擠－鐓第1道次的等效應(yīng)變分布圖.由圖5（a），圖5（b）可知，試樣的等效應(yīng)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(dòng)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(dòng)中受到的摩擦阻力最大，因此等效應(yīng)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(yīng)變量（見圖5（b））.由圖5（c），圖5（d）可以看出，經(jīng)過往復(fù)擠－鐓3道次后，由于較高的累積塑性應(yīng)變量，試樣均勻應(yīng)變區(qū)的長度有所增加.由此表明隨著往復(fù)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(yīng)力分布圖Fig.4 Equivalent stress distribution in the workpiece during CEU

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

2 往復(fù)擠－鐓實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)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(jī)油潤滑以減小摩擦，在室溫下壓實(shí)，然后在300℃下經(jīng)機(jī)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(yù)熱至450℃，保溫0.5h，使試樣受熱充分均勻，本實(shí)驗(yàn)在630t的四柱液壓機(jī)上進(jìn)行.圖7所示為往復(fù)擠－鐓1道次試樣的光學(xué)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(fù)擠－鐓1道次試樣的光學(xué)顯微組織Fig.7 Microstructure of workpiece after CEU 1pass

圖8所示為往復(fù)擠－鐓3道次試樣的光學(xué)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(fù)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(jié)合與進(jìn)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(qiáng)烈的剪切作用下被擠出變細(xì)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(xì)化并在鐓粗過程強(qiáng)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(fù)擠－鐓3道次，由于塑性應(yīng)變量的累積，獲得了較高的累積應(yīng)變量從而更進(jìn)一步促進(jìn)了組織的致密.經(jīng)排水法測得試樣的相對密度達(dá)到0.98，已接近完全致密，達(dá)到冶金結(jié)合的效果.

圖8 往復(fù)擠－鐓3道次試樣的光學(xué)顯微組織Fig.8 Microstructure of workpiece after CEU 3passes

3 結(jié) 論

1）純鎂粉末多道次往復(fù)擠－鐓塊體機(jī)械冶金是擠壓與鐓粗變形的循環(huán)交替結(jié)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(jìn)組織的致密.

2）試樣往復(fù)擠－鐓過程中，擠壓階段等效應(yīng)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(yīng)變均勻性得到有所改善.

3）往復(fù)擠－鐓工藝強(qiáng)烈的交替剪切效應(yīng)對粉末多孔材料具有強(qiáng)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(fù)擠－鐓3個(gè)道次后，相對密度達(dá)到0.98，接近完全致密，達(dá)到冶金結(jié)合的效果.

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