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

1、<p>　　純鎂粉末坯往復(fù)擠鐓的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究</p><p>　　基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50974058） </p><p>　　作者簡(jiǎn)介：陳振華（1945-），男，江西南昌人，湖南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師 </p><p>　　摘要：采用DEFORM-2D有限元軟件對(duì)純鎂粉末多道次往復(fù)擠鐓塊體機(jī)械冶金過程進(jìn)行有限元模擬，分析了往復(fù)擠鐓過程

2、中的流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)變場(chǎng)等相關(guān)場(chǎng)量變化規(guī)律模擬結(jié)果表明：擠壓段材料縱向流動(dòng)，鐓粗段材料橫向流動(dòng)，流速和流向的不一致形成強(qiáng)烈的交替剪切效應(yīng)，且試樣的主變形區(qū)域處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)試樣的等效應(yīng)變呈不均勻分布，但應(yīng)變的均勻性隨著往復(fù)擠鐓道次的增加而有所改善3道次往復(fù)擠鐓實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：試樣產(chǎn)生顯著的條帶狀組織，主變形區(qū)強(qiáng)烈的剪切力將原鎂粉表面的氧化物和其內(nèi)部的孔隙破碎，形成強(qiáng)烈的致密效應(yīng)，相對(duì)密度接近098，組織上達(dá)到了良好的冶金結(jié)合 </

3、p><p>　　關(guān)鍵詞：鎂粉末；往復(fù)擠鐓；數(shù)值模擬；冶金結(jié)合 </p><p>　　中圖分類號(hào)：TG376.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A </p><p>　　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(huì)產(chǎn)生大量的廢料如流道、澆道以及機(jī)加工的切

4、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] </p><p>　　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.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诓粩嗟姆磸?fù)過程中，粉末固化到一起，晶粒得

5、到細(xì)化，最終得到具有微細(xì)組織的材料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(chǎng)，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 </p><p>　　為此，針對(duì)上述問題，本文作

6、者采用DEFORM2D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(chǎng)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) </p><p>　　1往復(fù)擠鐓有限元模擬 </p><p>　　11粉末體材料的屈服準(zhǔn)則限元列式 </p><p>　　粉末體是一個(gè)非連續(xù)體，但是非連續(xù)介質(zhì)力

7、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 </p><p>　　13模擬結(jié)果及討論 </p><p><b>　　131流場(chǎng) </b></p><p>　　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(chǎng)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(chǎng)，其中

8、，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27 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1 mm/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

9、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 </p><p><b>　?。╝） 擠壓開始 </b></p><p><b>　?。╞） 擠壓結(jié)束 </b></p><p><b>　?。?/p>

10、c） 鐓粗開始 </b></p><p><b>　?。╠） 鐓粗結(jié)束 </b></p><p><b>　　132應(yīng)力場(chǎng) </b></p><p>　　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

11、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(duì)發(fā)揮粉末多孔材料的塑性成形是非常有利的 </p><p><b>　　133應(yīng)變場(chǎng) </b></p><p>　　圖5所示為試樣往復(fù)擠鐓第1

12、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(duì)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(zhǎng)度有所增加由此表明隨著往復(fù)擠鐓道次的

13、增加，試樣內(nèi)部的均勻變形性有所改善[15] </p><p>　?。╝） 擠壓階段開始 </p><p>　　（b） 鐓粗階段開始 </p><p>　?。╟） 擠壓階段結(jié)束 </p><p>　?。╠） 鐓粗階段開始 </p><p><b>　　2往復(fù)擠鐓實(shí)驗(yàn) </b></p>

14、<p>　　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150 μm左右，采用石墨機(jī)油潤(rùn)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Φ120 mm </p><p>　　×50 mm變形前將模具與試樣均預(yù)熱至450 ℃，保溫05 h，使試樣受熱充分均勻，本實(shí)驗(yàn)在630 t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

15、以看出，試樣內(nèi)部存在少量微孔隙 </p><p>　　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(zhǎng)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(huì)阻礙粉末間的結(jié)合與進(jìn)一步的致密[16]由圖

16、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(zhǎng)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(cè)得試樣的相對(duì)密度達(dá)到098，已接近完全致密，達(dá)到冶金結(jié)合的效果 　?。╝）擠壓階段 </p>&

17、lt;p><b>　　（b）鐓粗階段 </b></p><p><b>　　3結(jié)論 </b></p><p>　　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(duì)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 <

18、;/p><p>　　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?。荤叴蛛A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 </p><p>　　3）往復(fù)擠鐓工藝強(qiáng)烈的交替剪切效應(yīng)對(duì)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(duì)密度達(dá)到098，接近完全致密，達(dá)到冶金結(jié)合的效果 </p>&l

19、t;p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1]陳振華鎂合金[M]北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：430-435 </p><p>　　CHEN Zhenhua Magnesium alloy [M] Beijing： Chemical Industry Press， 2004：430-435（In Chinese） </p>&

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