大直徑AZ80鎂合金熱模鍛有限元分析

李慧中，劉超，梁霄鵬，呂鳳，齊葉龍，朱澤曉，黃瓊

大直徑AZ80鎂合金熱模鍛有限元分析

李慧中1, 2, 3，劉超1，梁霄鵬1，呂鳳1，齊葉龍1，朱澤曉1，黃瓊1

(1. 中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2. 中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083；3. 中南大學(xué)有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

運(yùn)用Pro/Engineer進(jìn)行三維造型和建模，結(jié)合Deform-3D有限元軟件對(duì)大直徑764 mmAZ80鎂合金鍛件的熱模鍛過(guò)程進(jìn)行模擬，分析模具溫度對(duì)鍛件的溫度分布、等效應(yīng)力分布以及上模載荷曲線的影響。根據(jù)模擬結(jié)果制備大尺寸AZ80鎂合金鍛件，并采用掃描電子顯微鏡(SEM)和力學(xué)性能測(cè)試，分析鍛件不同部位的顯微組織和力學(xué)性能。研究結(jié)果表明：當(dāng)模具溫度為350 ℃時(shí)，鍛件的成形性最好；當(dāng)模具溫度為250 ℃和300 ℃時(shí)，鍛件的等效應(yīng)力和上模載荷較大；當(dāng)模具溫度為400 ℃和450 ℃時(shí)，鍛件的局部溫度將會(huì)超過(guò)400 ℃，容易產(chǎn)生過(guò)燒，均不利于加工；鍛件中不同位置的流線方向與第2相分布方向一致；在損傷值較小的區(qū)域，合金具有更高的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。

Deform-3D有限元軟件；模擬；熱模鍛；AZ80鎂合金；顯微組織

鎂合金作為一種密度低、比強(qiáng)度高、比剛度高、切削容易、減震和阻尼性能優(yōu)良的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車、電子通訊等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1?4]。鎂合金可以通過(guò)塑性變形的方式制備出各種規(guī)格的板材、棒材、管材、型材以及鍛件等，從而滿足多種結(jié)構(gòu)件的需求[5?9]。鍛造作為一種常見(jiàn)的鎂合金塑性加工方法，在制備大尺寸鎂合金零件中經(jīng)常使用，其制得的鍛件力學(xué)性能優(yōu)良，穩(wěn)定性好[10]。然而，當(dāng)制備大尺寸形狀復(fù)雜的鎂合金模鍛零件時(shí)，由尺寸效應(yīng)帶來(lái)的溫度分布和應(yīng)力分布不均勻等現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致最終模鍛成形困難，并且制備的模鍛件存在組織和力學(xué)性能不均勻等缺點(diǎn)，如何避免這些缺點(diǎn)是目前大型鎂合金鍛件的研究熱點(diǎn)。Deform有限元模擬作為一種重要的塑性變形數(shù)值模擬手段，可以直觀地反映出合金塑性成形過(guò)程中的溫度分布、應(yīng)力分布、損傷現(xiàn)象等，是實(shí)際鍛造時(shí)工藝選擇的重要輔助手段[11]。許多零件在鍛造時(shí)，均采用Deform有限元模擬的手段進(jìn)行前期模擬研究。SATISHA等[12]采用Deform對(duì)前軸梁的成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬后，改變了襯墊最佳斷面形狀，有利于前軸梁的實(shí)際模鍛成型；CHENG等[13]運(yùn)用Deform-3D有限元軟件模擬了5052鋁合金多排鏈輪在冷半精鍛成形過(guò)程中流動(dòng)速度場(chǎng)的分布情況，發(fā)現(xiàn)切向速度是決定坯料流體能否充滿凹模型腔的關(guān)鍵因素；JIANG等[14]結(jié)合Deform-3D有限元研究分析了AZ61鎂合金角架觸變成形的工藝路線；ZHANG等[15]采用Deform-3D有限元對(duì)AZ31鎂合金板材沖壓的成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，為鎂合金板材沖壓成形工藝提供了依據(jù)；BAIA等[16]結(jié)合Deform-3D有限元研究了粉末高溫合金的直接鍛造工藝，為粉末直接鍛造成形坯的幾何尺寸和厚度提供了指導(dǎo)；張玉勛等[17]采用Deform對(duì)鋁合金機(jī)輪輪轂在不同工藝參數(shù)下的鍛造流線進(jìn)行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增大坯料與模具之間的摩擦，可以減小流線與鍛件表面夾角，從而避免流線露頭。本文作者以AZ80為原料，基于剛塑形有限元方法，運(yùn)用Pro/E與Deform軟件對(duì)大尺寸形狀復(fù)雜的AZ80鎂合金熱模鍛過(guò)程進(jìn)行模擬，分析模具溫度對(duì)熱模鍛過(guò)程的影響。在模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)際鍛造，并對(duì)成形件的顯微組織及力學(xué)性能進(jìn)行分析。

1 模型的建立

圖1所示為擬制備的大尺寸AZ80鎂合金零件的結(jié)構(gòu)圖和三維圖。進(jìn)行模鍛的坯料為經(jīng)過(guò)自由鍛獲得的預(yù)鍛坯，形狀尺寸如圖2所示。根據(jù)最終模鍛件的形狀，運(yùn)用Pro/E設(shè)計(jì)出相應(yīng)的模具，并將坯料與模具的幾何模型導(dǎo)入Deform-3D有限元軟件中，由于該鍛件軸對(duì)稱，模擬過(guò)程取其1/4進(jìn)行模擬，熱模鍛的三維實(shí)體模型如圖3所示。模擬時(shí)模具視為剛體，坯料定義為塑性體；根據(jù)本研究小組前期對(duì)于AZ80鎂合金熱變形行為的研究結(jié)果[18]，利用其建立的本構(gòu)方程，獲得本模擬中所需的應(yīng)力和應(yīng)變。

在模擬過(guò)程中，設(shè)定下模固定，上模壓下速度為1 mm/s，坯料溫度為380 ℃，坯料和模具之間的摩擦因子為0.3，模具溫度分別設(shè)定為250，300，350，400和450 ℃。

(a) 正面；(b) 反面；(c) 結(jié)構(gòu)尺寸

(a) 二維圖；(b) 三維圖

圖3 熱模鍛三維實(shí)體模型

2 模擬結(jié)果和分析

2.1 模具溫度的影響

圖4所示為不同模具溫度鍛造后鍛件的溫度分布。從圖4可以看出：由于各部位形狀和尺寸不同，鍛造后的鍛件溫度存在差異；當(dāng)模具溫度分別為250，300和350 ℃時(shí)，鍛件較高的溫度分布在中心凸起以及凸起與外廓之間的部位。這是因?yàn)椋号c其他部位相比，該區(qū)域的坯料變形量大，由變形與摩擦產(chǎn)生的熱量多，導(dǎo)致溫度高于其他區(qū)域的溫度；當(dāng)模具溫度分別為400 ℃和450 ℃時(shí)，邊沿上表面的接觸摩擦作用大，產(chǎn)熱多，因而較高的鍛件溫度分布在邊沿上表面區(qū)域。從整體上看，鍛造后鍛件的平均溫度隨著模具溫度升高而升高；當(dāng)模具溫度為250 ℃時(shí)，鍛造后鍛件的最低溫度為277 ℃，大部分區(qū)域的溫度在300~350 ℃之間；當(dāng)模具溫度升至450 ℃時(shí)，鍛造后零件的最高溫度達(dá)到432 ℃，大部分位置的溫度在400~430 ℃之間，這是坯料與模具之間產(chǎn)生了熱交換所致；當(dāng)模具溫度低于坯料溫度時(shí)，坯料向模具傳輸熱量，反之，模具向坯料傳輸熱量。模具與坯料溫差越大，熱量傳輸速度越快。從圖4還可以看出：當(dāng)模具溫度為350 ℃時(shí)，鍛件不同位置的最高溫度與最低溫度相差最小，溫度分布均勻。

圖5所示為不同模具溫度鍛造后鍛件中的等效應(yīng)力分布。從圖5可以看出：當(dāng)模具溫度為250 ℃時(shí)，鍛件等效應(yīng)力分布很不均勻；當(dāng)模具溫度為300 ℃時(shí)，較大的等效應(yīng)力分布在鍛件外圍；而當(dāng)模具溫度分別為350，400和450 ℃時(shí)，鍛件等效應(yīng)力的分布情況大致相同，都是中心凸起區(qū)域的等效應(yīng)力較大，外圍邊部區(qū)域的等效應(yīng)力較小。從圖5中各分圖的右邊狀態(tài)欄不難看出：隨著模具溫度升高，鍛造后鍛件中的等效應(yīng)力降低，分布愈均勻；當(dāng)模具溫度為250 ℃時(shí)，鍛件的最大等效應(yīng)力達(dá)294 MPa，等效應(yīng)力主要分布在40~110 MPa之間；當(dāng)模具溫度為350 ℃時(shí)，鍛件的最大等效應(yīng)力為104 MPa，等效應(yīng)力主要分布在40~70 MPa之間；而當(dāng)模具溫度升至450 ℃時(shí)，鍛件的最大等效應(yīng)力為85.5 MPa，等效應(yīng)力主要分布在30~65 MPa之間。這種不同模具溫度鍛造后等效應(yīng)力的差別與鍛件的溫度分布密切相關(guān)。當(dāng)溫度較高時(shí)，原子熱運(yùn)動(dòng)劇烈，合金中具有明顯擴(kuò)散特性的塑形變形機(jī)構(gòu)(晶間滑移機(jī)構(gòu)、非晶機(jī)構(gòu))都發(fā)揮了作用，使應(yīng)力降低。隨著溫度升高，在變形過(guò)程中還可能發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶而使合金發(fā)生軟化，兩者共同作用使材料的變形抗力降低。

圖6所示為不同模具溫度下鍛造過(guò)程中上模載荷的變化曲線。從圖6可以看出：不同模具溫度條件下的上模載荷曲線變化情況大致相同；模具溫度越高，同一階段對(duì)應(yīng)的上模載荷越小。這是因?yàn)槟＞邷囟仍礁?，?duì)應(yīng)的鍛件溫度越高，金屬的流動(dòng)性越好，變形抗力越小，在變形過(guò)程中發(fā)生了消除加工硬化的再結(jié)晶軟化過(guò)程。當(dāng)上模行程為0~50 mm時(shí)，鍛件的變形量小，變形抗力較低；鍛件與模具接觸面積小，在變形過(guò)程中受到的摩擦阻力小，因而所需的載荷不大，不同模具溫度下的上模載荷差距較小。從圖6(b)可以看出：當(dāng)上模行程在90 mm附近時(shí)，載荷曲線急劇升高，上模行至100 mm處，對(duì)應(yīng)模具溫度250 ℃的上模載荷比模具溫度450 ℃的上模載荷高1.450 MN。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：一方面，接觸面積急劇增加，摩擦力顯著增大，導(dǎo)致載荷增加；另一方面，隨著變形進(jìn)行，金屬的加工硬化作用增強(qiáng)，當(dāng)鍛件繼續(xù)變形時(shí)，需要更大的外界作用力。當(dāng)上模行程為100~ 138 mm時(shí)，上模載荷比前2個(gè)階段的大。這是因?yàn)殡S著模具型腔逐漸被金屬填充，金屬的流動(dòng)性減弱，變形抗力增大；此外，接觸面積增大也會(huì)導(dǎo)致摩擦阻力增大。

模具溫度/℃：(a) 250；(b) 300；(c) 350；(d) 400；(e) 450

模具溫度/℃：(a) 250；(b) 300；(c) 350；(d) 400；(e) 450

上模行程/mm：(a) 0~50；(b) 50~100；(c) 100~138模具溫度/℃：1—250；2—300；3—350；4—400；5—450。

從以上不同模具溫度鍛造的模擬結(jié)果可以看出：當(dāng)模具溫度為250 ℃和300 ℃時(shí)，鍛件的平均溫度較低，且溫度分布不均勻，對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力和上模載荷均較大，不利于零件的鍛造成形；當(dāng)模具溫度為400 ℃和450 ℃時(shí)，鍛件的溫度分布相對(duì)均勻，等效應(yīng)力和上模載荷較小，但在模擬過(guò)程中，鍛件局部的溫度升至400 ℃以上，而AZ80鎂合金在400 ℃以上變形時(shí)容易產(chǎn)生氧化腐蝕及過(guò)熱過(guò)燒等現(xiàn)象。當(dāng)模具溫度為350 ℃，鍛件溫度分布在335~385 ℃，等效應(yīng)力最大值為104 MPa時(shí)，上模載荷較小，有利于大直徑AZ80鎂合金熱模鍛成形。

2.2 鍛造過(guò)程損傷模擬

金屬材料在伴有拉伸應(yīng)力的塑性變形過(guò)程中存在損傷現(xiàn)象，據(jù)物理學(xué)觀點(diǎn)，損傷可看作是由微空洞和微裂紋的形成和發(fā)展，最后成為宏觀裂紋；據(jù)力學(xué)觀點(diǎn)，損傷可看作是影響材料強(qiáng)度的狀態(tài)變量[19]。在Deform-3D有限元軟件分析結(jié)果的后處理模塊中，損傷值能反映金屬材料變形過(guò)程的這種損傷劣化情況，用于表征材料在加工過(guò)程中出現(xiàn)缺陷的難易程度，通常，損傷值越高的位置發(fā)生破壞的可能性就愈大。當(dāng)模具溫度為350 ℃，坯料溫度為380 ℃，摩擦因子為0.3，上模速度為1 mm/s時(shí)，鍛造過(guò)程中鍛件不同時(shí)期損傷值分布見(jiàn)圖7。從圖7可以看出：隨著變形進(jìn)行，鍛件的最大損傷值不斷增大，從最初的0.061增加到1.100；在變形初期(模擬第20，40和60步)，位于上模中心下的坯料損傷較大，這是因?yàn)樵摬糠峙髁显谏夏：拖履５淖饔孟卤焕断蛳逻\(yùn)動(dòng)，變形量相對(duì)較大；此外，表面摩擦也起到促進(jìn)作用；在變形中期(模擬第80，100和120步)，中部凸起的損傷值較大，其他區(qū)域由于變形量較小，損傷并不明顯；金屬在上模與下模之間的型腔內(nèi)流動(dòng)，該部分的坯料變形量較大；隨著接觸面積增大，摩擦帶來(lái)的影響越來(lái)越大。變形后期(模擬第130和140步)，較大的損傷值分布在鍛件的邊沿和中央凸起部位。由圖7可知：較大的損傷值分布在A，B，D和E區(qū)域， C區(qū)域的損傷較少。這是由于在相同的變形條件下，變形量大的部位，損傷較嚴(yán)重。

模擬步數(shù)/步：(a) 20；(b) 40；(c) 60；(d) 80；(e) 100；(f) 120；(g) 130；(h) 140

3 模鍛成形試驗(yàn)驗(yàn)證

從數(shù)值模擬結(jié)果可知，當(dāng)模具溫度為350 ℃時(shí)，坯料具有較好的模鍛成形性。因此，在此條件下對(duì)大尺寸AZ80鎂合金鍛件進(jìn)行模鍛成形試驗(yàn)，獲得成形零件。零件表面質(zhì)量良好，未發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂等缺陷。圖8所示為模鍛件不同位置的宏觀流線分布圖(腐蝕液為4%硝酸+96%酒精，體積分?jǐn)?shù))，宏觀流線反映了變形過(guò)程中的金屬流動(dòng)情況，也是判斷鍛件成形好壞的重要指標(biāo)。從圖8可以看出：模具型腔內(nèi)的金屬在外力的作用下呈現(xiàn)出不同的流動(dòng)情況；A區(qū)域和C區(qū)域的流線呈現(xiàn)水平分布，B區(qū)域和D區(qū)域的流線呈現(xiàn)出圓弧狀。鍛件不同位置的金相顯微組織見(jiàn)圖9。從圖9可見(jiàn)：鍛件的晶粒分布與宏觀流線分布基本相同。

圖10所示為鍛件不同區(qū)域(圖8中A，B，C和D)的SEM形貌分布圖。從圖10可以看出：在不同的變形條件下，對(duì)應(yīng)的第2相粒子分布情況不同；A區(qū)域和C區(qū)域的第二相粒子呈水平分布；B區(qū)域和D區(qū)域的第2相粒子呈垂直分布；D區(qū)域的第二相粒子分布不均勻，尺寸較大；A，B和C區(qū)域的第2相粒子尺寸較小，且分布較均勻。

圖8 鍛件不同部位的宏觀流線

(a) A區(qū)域；(b) B區(qū)域；(c) C區(qū)域；(d) D區(qū)域

鍛件不同位置的力學(xué)性能如表1所示。試樣的取樣區(qū)域?yàn)閳D8中A，B，C和D共4處，取樣平面垂直于橫截面。從表1可見(jiàn)：A區(qū)域和C區(qū)域的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均比B區(qū)域和D區(qū)域的高，這是A區(qū)域和C區(qū)域的損傷較少、第二相粒子分布較均勻所致。

表1 室溫下鍛件的力學(xué)性能

4 結(jié)論

1) 在熱模鍛過(guò)程中，隨著模具溫度升高，AZ80鎂合金鍛件整體溫度升高，最大等效應(yīng)力和上模載荷降低。當(dāng)大尺寸AZ80鎂合金熱模鍛坯料溫度為380 ℃時(shí)，最佳模具溫度為350 ℃。

2) 在大尺寸AZ80鎂合金模鍛件中，鍛件不同部位的宏觀流線運(yùn)動(dòng)方向與金屬粒子分布方向保持 一致。

3) 損傷值反映了鍛件不同部位的力學(xué)性能，損傷值較小的區(qū)域?qū)?yīng)的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均比損傷值較大區(qū)域的高。

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(編輯 陳燦華)

Finite element analysis of hot die forging process for large size AZ80 magnesium alloy

LI Huizhong1, 2, 3, LIU Chao1, LIANG Xiaopeng1, 2, Lü Feng1, QI Yelong1, ZHU Zexiao1, HUANG Qiong1

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China;3. State Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering, Ministry of Education, Central South University, Changsha 410083, China)

Deform-3D finite element software; simulation; hot die forging; AZ80 magnesium alloy; microstructure

TG316

A

1672?7207(2018)01?0039?08

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.01.006

2017?01?29；

2017?03?26

國(guó)家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(51074186) (Project(51074186) supported by the National Natural Science Foundation of China)

梁霄鵬，副教授，從事鈦鋁金屬間化合物，鋁合金以及鎂合金塑性變形研究；E-mail: mselxp@163.com