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摘要：针对传统的大塑性变形技术制备超细晶材料存在着生产效率低下、制造成本高等问题，在变通道转角挤压（CCAE）工艺和正挤压工艺（FE）基础上，设计出一套正挤压和变通道转角挤压复合挤压模具。以AZ31镁合金为研究对象，采用Deform3D软件对该工艺进行数值模拟。模拟结果表明： FEECAP复合变形工艺后的累积变形量大于分别进行FE和CCAE两种工艺的累积变形量之和，晶粒尺寸由135μm减小到266μm，晶粒细化效果显著。
关键词：复合挤压;AZ31镁合金;累积变形量;数值模拟
DOI：10.15938/j.jhust.2018.05.023
中图分类号： TG37652
文献标志码： A
文章编号： 1007-2683（2018）05-0134-04
Abstract：Due to the inefficiency and highcost of traditional large plastic deformation on the preparation of ultrafine crystal material，a new kinds of compound deformation combined forward extrusion and change channel angular extrusion （FECCAE） mold was designed based on the change channal angular extrusion and forward extrusion（FE）Taking the AZ31 magnesium alloy as the research object，the compound deformation was simulated by Deform 3D softwareThe numerical simulation results shows that the accumulated deformation of FECCAE better than the sum of FE and CCAE，and the grain refining significantly，which decreased from 135μm to 266μm
Keywords：compound deformation;AZ31 magnesium alloy;accumulative defor mation;numerical simulation
0引言
等通道转角挤压（equal channel angular pressing， ECAP）是由苏联的Segal[1]等首次提出并应用于钢变形研究，Valiev[2]等人将ECAP技术应用于制备超细晶铝合金，自此，ECAP技术成为研究的热点。利用该技术实现了对铝合金[3]、镁合金[4]、钛合金[5]及铜合金[6]的晶粒细化。
ECAP需要多道次变形，才能累积足够的塑性变形量，加工效率低下[7]。为此，在ECAP工艺的基础上，刘世宇[8]设计了一种两轴线相交，但两通道截面不同的一种大塑性变形工艺，即变通道转角挤压（Change Channel Angular Extru sion ，CCAE）工艺。
基于以上的优点，为了获得更大的塑性变形量，获得性能更加优异的细晶材料，在变通道转角挤压工艺的基础上，设计了一种正挤压和变通道转角挤压复合变形（FECCAE）模具[9]。本文以AZ31镁合金为研究材料，利用Deform 3D软件对FECCAE进行工艺模拟，期望对制备超细晶材料提供新的思路。
1模具结构设计及参数的设定
本文所设计的正挤压和变通道转角挤压复合变形工艺是在正挤压通道后直接连接一个横截面改变的变通道转角挤压型腔，一次挤压过程，坯料连续通过两种挤压型腔，从而提高了坯料的加工效率，该工艺原理如图1所示，装置的三维图如图2。
如图1（a）所示，金属坯料在冲头的作用下，首先流经A区域，发生墩粗、挤压变形;然后流经B区域，发生极大的纯剪切变形。这样，坯料在一次挤压过程中，同时完成了多种塑性变形，累积得到较多的塑性变形量，最终使材料内部组织发生显著变化，从而提高材料的综合力学性能。为了获得综合性能良好的细晶镁合金材料，如图1（b）所示，本实验选取以下参数：A处的挤压比为L20/L21=16∶9，B处的挤压比为L21/ L2·L1=3∶2，总的挤压比L20/L2·L1=8∶3;模具内圆角半径为5mm，外圆角半径为10mm;模具内角Φ=90°，模具外角φ=45°;正挤压模角θ=30°。
本文采用Deform 3D有限元模拟软件对正挤压和变通道转角挤压复合变形工艺进行有限元模拟，为了简化分析计算时间，取三维模型的一半进行模拟。模具型芯和冲头材料采用软件自带的AISIH13，坯料为AZ31镁合金，根据郭强等[10]所提出的AZ31镁合金热压缩流变应力方程建立模型，T≥350℃方程为：
ε=2.3×10-8σ8.43exp（-112000/RT）（1）
AZ31镁合金的热性能如表1所示[11]。坯料的原始尺寸为20mm×20mm×70mm，初始网格数设为8000。镁合金的挤压温度设置为370℃。摩擦因子设置为08，为了减小摩擦对挤压变形温度的影响，冲头速度设置为V=1mm/s。
2模拟结果分析
21变形过程分析
图3是FECCAE模具凸模的载荷-行程曲线，图4为试样在图3所示的不同阶段的变形示意图。根据载荷-行程曲线，将FECCAE复合变形过程分为以下4个阶段：
第Ⅰ阶段：坯料首先進入正挤压型腔，由于受到正挤压模面的镦挤作用，坯料获得较大的塑性变形量，同时凹模所受的载荷快速上升。 第Ⅱ阶段：凸模继续下行，坯料进入正挤压变形的稳定阶段，此时凸模的载荷的变化不大，近似保持稳定。
第Ⅲ阶段：坯料继续下行，在变通道转角处，坯料在受到剪切变形作用的同时，由于截面形状的改变，也受到来自模面的镦粗作用，在此处坯料获得更多的塑性变形量。同时凸模所受的载荷急剧上升，并且因为坯料在此阶段受到剪切和镦粗的共同作用，载荷曲线的上升速度快于第Ⅰ阶段。
第Ⅳ阶段：凸模继续下行，坯料进入水平通道，并最终从模具中挤出，此时的载荷在一定范围内上下波动并呈稳步下降趋势;由于变通道转角处的外角大于内角，其对坯料的阻碍作用也大，从而坯料的前端在水平通道中呈现一个向后倾斜的斜面。
22等效应变分析
金属材料的细晶效果在一定程度上由等效应变的大小和分布决定[12]。因此，对毛坯材料进行点追踪并分析其等效应变能够有效预测晶粒细化的程度。为了直观的体现FECCAE变形工艺的优势，我们分别对FECCAE工艺、正挤压（FE）工艺和变通道挤压（CCAE）工艺进行点追踪。毛坯的点追踪取点方式如图5所示，在毛坯的端面取9个等距点，分别对其进行分析。
3种挤压工艺结束后，在9个追踪点处等效应变如图6及表2所示。从表和图中可以看出：坯料分别经过三种挤压工艺后，FECCAE复合挤压工艺的等效应变均大于FE和CCAE工艺，在P1、P3、P6和P9处FECCAE工艺的等效应变均大于FE工艺和CCAE工艺等效应变之和，并且FECCAE复合变形工艺在9点处等效应变之和大于FE和CCAE工艺等效应变之和的叠加。等效应变分析结果表明：FECCAE变形工艺的累积变形量大于分别进行FE和CCAE两种工艺的累积变形量之和，因此FECCAE变形工艺能够在一次挤压过程，便能获得优于分别进行FE和CCAE工艺所获得的塑性变形量，进一步说明该工艺能够提高生产效率。
23晶粒度模拟
取毛坯的中心处为跟踪点，晶粒的原始尺寸为135μm，当跟踪点在C和D位置（如图6）处的晶粒度模拟分析结果如图6所示。如图7（a）所示，晶粒在C位置处的晶粒尺寸范围在22～117μm，平均晶粒尺寸约为663μm，在此处晶粒由于受到正挤压凹模的作用，发生了动态再结晶。晶粒经过正挤压凹模和变通道转角挤压凹模的联合作用，在D位置处，晶粒进一步细化。如图6（b）所示，晶粒在b处的尺寸范围为113～677μm，平均晶粒尺寸为266μm。并且晶粒在B处的标准偏差值SD≈103，约为C处标准偏差值SD≈345的三分之一，这说明D位置处晶粒分布更加均匀。这是由于再结晶晶粒借助界面迁移，沿着四周畸变区域长大，其界面迁移能为无晶格畸变的新晶粒与四周有晶格畸变的旧晶粒之间的应变能之差，晶界总是背离曲率中心，沿着晶格畸变区长大，直到全部形成无晶格畸变的等轴[13-14]。
由此可见，利用Deform 3d有限元模拟软件，能够分析在塑性成型过程中晶粒的变化，辅助分析晶粒微观组织的变化机理及规律。
3结论
1）针对传统的大塑性变形技术所存在的加工工艺复杂，加工效率低等问题，结合正挤压和变通道转角挤压技术的优点，提出了一种正挤压和变通道转角挤压复合变形装置。
2）利用Defrom 3D软件对FECCAE变形工艺进行等效应变分析，相同条件下，FECCAE变形工艺的累积变形量大于分别进行FE和CCAE两种工艺的累积变形量之和。
3）利用Defrom 3D软件对FECCAE变形工艺进行晶粒度分析可知：经过FECCAE工艺，晶粒尺寸由135μm减小到266μm，晶粒细化效果显著。
参 考 文 献：
[1]SEGAL V M，REZNIKOV V I，DROBYSHEVSKIY A E，et alPlastic Working of Metals by Simple Shear [J].Russian Metallurgy，1981，19（1）：99-104
[2]VALIEV R Z， ISLAMGALIEV R K，ALESANDROV I VBulk Nanostructured Materials from Severe Plastic Deformation [J].Progress in Materials Science，2000，45（2）：103
[3]MOGUCHEVA A， BABICH E，OVSYANNIKOV B，et alMicrostructural Evolution in a 5024 Aluminum Alloy Processed by ECAP with and Without Back Pressure [J].Material Science and Engineering A，2013，560（2）：178-192
[4]YU Yandong，KUANG Shuzhen，CHU Desheng，et al Microstructure and LowTemperature Superplasticity of FineGrain ZK60 Magnesium Alloy Produced by EqualChannel Angular Pressing [J].Metallography， Microstructure， and Analysis，2015，4（6）：518-824
[5]王力，趙西成，杨西荣，等工业纯钛ECAP变形组织与织构演变的EBSD分析[J].稀有金属，2015，39（6）：570-576
[6]刘博纯铜ECAP变形组织、力学性能与层错能差异性研究[D].兰州：兰州理工大学，2014：1-66
[7]于彦东一种正挤压和变通道转角挤压复合成型的棒材加工装置[P].CN：ZL2016205880695，2016-11-30
[8]刘世宇AZ31 镁合金双侧变通道角挤压变形时组织性能与工艺的研究[D].重庆：重庆大学，2009：16-17
[9]于彦东，李杰，匡书珍ECAP与正挤压相复合的累积变形工艺数值模拟[J].哈尔滨理工大学学报，2015，6：20-23
[10]郭强，张辉，陈振华，等AZ31镁合金的高温热压缩流变应力行为的研究[J].湘潭大学自然科学学报，2004，3：108-111
[11]陈振华变形镁合金[M].化学工业出版社，2005：25-28
[12]CHANG J Y，YOON J S，KIM G HDevelopment of Submicron Sized Grain During Cyclic Equal Channel Angular Pressing [J].Scripta Mater，2001，45（3）：347-354
[13]周浩ZK60镁合金等通道角加工组织分析和数值模拟[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2010：26-29
[14]刘筱，朱必武，李落星，等挤压态AZ31镁合金热变形过程中的孪生和织构演变[J].中国有色金属学报，2016（2）：288-295
（编辑：关毅）
关键词：复合挤压;AZ31镁合金;累积变形量;数值模拟
DOI：10.15938/j.jhust.2018.05.023
中图分类号： TG37652
文献标志码： A
文章编号： 1007-2683（2018）05-0134-04
Abstract：Due to the inefficiency and highcost of traditional large plastic deformation on the preparation of ultrafine crystal material，a new kinds of compound deformation combined forward extrusion and change channel angular extrusion （FECCAE） mold was designed based on the change channal angular extrusion and forward extrusion（FE）Taking the AZ31 magnesium alloy as the research object，the compound deformation was simulated by Deform 3D softwareThe numerical simulation results shows that the accumulated deformation of FECCAE better than the sum of FE and CCAE，and the grain refining significantly，which decreased from 135μm to 266μm
Keywords：compound deformation;AZ31 magnesium alloy;accumulative defor mation;numerical simulation
0引言
等通道转角挤压（equal channel angular pressing， ECAP）是由苏联的Segal[1]等首次提出并应用于钢变形研究，Valiev[2]等人将ECAP技术应用于制备超细晶铝合金，自此，ECAP技术成为研究的热点。利用该技术实现了对铝合金[3]、镁合金[4]、钛合金[5]及铜合金[6]的晶粒细化。
ECAP需要多道次变形，才能累积足够的塑性变形量，加工效率低下[7]。为此，在ECAP工艺的基础上，刘世宇[8]设计了一种两轴线相交，但两通道截面不同的一种大塑性变形工艺，即变通道转角挤压（Change Channel Angular Extru sion ，CCAE）工艺。
基于以上的优点，为了获得更大的塑性变形量，获得性能更加优异的细晶材料，在变通道转角挤压工艺的基础上，设计了一种正挤压和变通道转角挤压复合变形（FECCAE）模具[9]。本文以AZ31镁合金为研究材料，利用Deform 3D软件对FECCAE进行工艺模拟，期望对制备超细晶材料提供新的思路。
1模具结构设计及参数的设定
本文所设计的正挤压和变通道转角挤压复合变形工艺是在正挤压通道后直接连接一个横截面改变的变通道转角挤压型腔，一次挤压过程，坯料连续通过两种挤压型腔，从而提高了坯料的加工效率，该工艺原理如图1所示，装置的三维图如图2。
如图1（a）所示，金属坯料在冲头的作用下，首先流经A区域，发生墩粗、挤压变形;然后流经B区域，发生极大的纯剪切变形。这样，坯料在一次挤压过程中，同时完成了多种塑性变形，累积得到较多的塑性变形量，最终使材料内部组织发生显著变化，从而提高材料的综合力学性能。为了获得综合性能良好的细晶镁合金材料，如图1（b）所示，本实验选取以下参数：A处的挤压比为L20/L21=16∶9，B处的挤压比为L21/ L2·L1=3∶2，总的挤压比L20/L2·L1=8∶3;模具内圆角半径为5mm，外圆角半径为10mm;模具内角Φ=90°，模具外角φ=45°;正挤压模角θ=30°。
本文采用Deform 3D有限元模拟软件对正挤压和变通道转角挤压复合变形工艺进行有限元模拟，为了简化分析计算时间，取三维模型的一半进行模拟。模具型芯和冲头材料采用软件自带的AISIH13，坯料为AZ31镁合金，根据郭强等[10]所提出的AZ31镁合金热压缩流变应力方程建立模型，T≥350℃方程为：
ε=2.3×10-8σ8.43exp（-112000/RT）（1）
AZ31镁合金的热性能如表1所示[11]。坯料的原始尺寸为20mm×20mm×70mm，初始网格数设为8000。镁合金的挤压温度设置为370℃。摩擦因子设置为08，为了减小摩擦对挤压变形温度的影响，冲头速度设置为V=1mm/s。
2模拟结果分析
21变形过程分析
图3是FECCAE模具凸模的载荷-行程曲线，图4为试样在图3所示的不同阶段的变形示意图。根据载荷-行程曲线，将FECCAE复合变形过程分为以下4个阶段：
第Ⅰ阶段：坯料首先進入正挤压型腔，由于受到正挤压模面的镦挤作用，坯料获得较大的塑性变形量，同时凹模所受的载荷快速上升。 第Ⅱ阶段：凸模继续下行，坯料进入正挤压变形的稳定阶段，此时凸模的载荷的变化不大，近似保持稳定。
第Ⅲ阶段：坯料继续下行，在变通道转角处，坯料在受到剪切变形作用的同时，由于截面形状的改变，也受到来自模面的镦粗作用，在此处坯料获得更多的塑性变形量。同时凸模所受的载荷急剧上升，并且因为坯料在此阶段受到剪切和镦粗的共同作用，载荷曲线的上升速度快于第Ⅰ阶段。
第Ⅳ阶段：凸模继续下行，坯料进入水平通道，并最终从模具中挤出，此时的载荷在一定范围内上下波动并呈稳步下降趋势;由于变通道转角处的外角大于内角，其对坯料的阻碍作用也大，从而坯料的前端在水平通道中呈现一个向后倾斜的斜面。
22等效应变分析
金属材料的细晶效果在一定程度上由等效应变的大小和分布决定[12]。因此，对毛坯材料进行点追踪并分析其等效应变能够有效预测晶粒细化的程度。为了直观的体现FECCAE变形工艺的优势，我们分别对FECCAE工艺、正挤压（FE）工艺和变通道挤压（CCAE）工艺进行点追踪。毛坯的点追踪取点方式如图5所示，在毛坯的端面取9个等距点，分别对其进行分析。
3种挤压工艺结束后，在9个追踪点处等效应变如图6及表2所示。从表和图中可以看出：坯料分别经过三种挤压工艺后，FECCAE复合挤压工艺的等效应变均大于FE和CCAE工艺，在P1、P3、P6和P9处FECCAE工艺的等效应变均大于FE工艺和CCAE工艺等效应变之和，并且FECCAE复合变形工艺在9点处等效应变之和大于FE和CCAE工艺等效应变之和的叠加。等效应变分析结果表明：FECCAE变形工艺的累积变形量大于分别进行FE和CCAE两种工艺的累积变形量之和，因此FECCAE变形工艺能够在一次挤压过程，便能获得优于分别进行FE和CCAE工艺所获得的塑性变形量，进一步说明该工艺能够提高生产效率。
23晶粒度模拟
取毛坯的中心处为跟踪点，晶粒的原始尺寸为135μm，当跟踪点在C和D位置（如图6）处的晶粒度模拟分析结果如图6所示。如图7（a）所示，晶粒在C位置处的晶粒尺寸范围在22～117μm，平均晶粒尺寸约为663μm，在此处晶粒由于受到正挤压凹模的作用，发生了动态再结晶。晶粒经过正挤压凹模和变通道转角挤压凹模的联合作用，在D位置处，晶粒进一步细化。如图6（b）所示，晶粒在b处的尺寸范围为113～677μm，平均晶粒尺寸为266μm。并且晶粒在B处的标准偏差值SD≈103，约为C处标准偏差值SD≈345的三分之一，这说明D位置处晶粒分布更加均匀。这是由于再结晶晶粒借助界面迁移，沿着四周畸变区域长大，其界面迁移能为无晶格畸变的新晶粒与四周有晶格畸变的旧晶粒之间的应变能之差，晶界总是背离曲率中心，沿着晶格畸变区长大，直到全部形成无晶格畸变的等轴[13-14]。
由此可见，利用Deform 3d有限元模拟软件，能够分析在塑性成型过程中晶粒的变化，辅助分析晶粒微观组织的变化机理及规律。
3结论
1）针对传统的大塑性变形技术所存在的加工工艺复杂，加工效率低等问题，结合正挤压和变通道转角挤压技术的优点，提出了一种正挤压和变通道转角挤压复合变形装置。
2）利用Defrom 3D软件对FECCAE变形工艺进行等效应变分析，相同条件下，FECCAE变形工艺的累积变形量大于分别进行FE和CCAE两种工艺的累积变形量之和。
3）利用Defrom 3D软件对FECCAE变形工艺进行晶粒度分析可知：经过FECCAE工艺，晶粒尺寸由135μm减小到266μm，晶粒细化效果显著。
参 考 文 献：
[1]SEGAL V M，REZNIKOV V I，DROBYSHEVSKIY A E，et alPlastic Working of Metals by Simple Shear [J].Russian Metallurgy，1981，19（1）：99-104
[2]VALIEV R Z， ISLAMGALIEV R K，ALESANDROV I VBulk Nanostructured Materials from Severe Plastic Deformation [J].Progress in Materials Science，2000，45（2）：103
[3]MOGUCHEVA A， BABICH E，OVSYANNIKOV B，et alMicrostructural Evolution in a 5024 Aluminum Alloy Processed by ECAP with and Without Back Pressure [J].Material Science and Engineering A，2013，560（2）：178-192
[4]YU Yandong，KUANG Shuzhen，CHU Desheng，et al Microstructure and LowTemperature Superplasticity of FineGrain ZK60 Magnesium Alloy Produced by EqualChannel Angular Pressing [J].Metallography， Microstructure， and Analysis，2015，4（6）：518-824
[5]王力，趙西成，杨西荣，等工业纯钛ECAP变形组织与织构演变的EBSD分析[J].稀有金属，2015，39（6）：570-576
[6]刘博纯铜ECAP变形组织、力学性能与层错能差异性研究[D].兰州：兰州理工大学，2014：1-66
[7]于彦东一种正挤压和变通道转角挤压复合成型的棒材加工装置[P].CN：ZL2016205880695，2016-11-30
[8]刘世宇AZ31 镁合金双侧变通道角挤压变形时组织性能与工艺的研究[D].重庆：重庆大学，2009：16-17
[9]于彦东，李杰，匡书珍ECAP与正挤压相复合的累积变形工艺数值模拟[J].哈尔滨理工大学学报，2015，6：20-23
[10]郭强，张辉，陈振华，等AZ31镁合金的高温热压缩流变应力行为的研究[J].湘潭大学自然科学学报，2004，3：108-111
[11]陈振华变形镁合金[M].化学工业出版社，2005：25-28
[12]CHANG J Y，YOON J S，KIM G HDevelopment of Submicron Sized Grain During Cyclic Equal Channel Angular Pressing [J].Scripta Mater，2001，45（3）：347-354
[13]周浩ZK60镁合金等通道角加工组织分析和数值模拟[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2010：26-29
[14]刘筱，朱必武，李落星，等挤压态AZ31镁合金热变形过程中的孪生和织构演变[J].中国有色金属学报，2016（2）：288-295
（编辑：关毅）