任國(guó)成，趙國(guó)群，徐淑波，王桂青

(1. 山東大學(xué) 模具工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南 250061；2. 山東建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250101)

AZ31鎂合金等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形均勻性有限元分析

任國(guó)成1,2，趙國(guó)群1，徐淑波2，王桂青2

(1. 山東大學(xué) 模具工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南 250061；2. 山東建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250101)

以AZ31鎂合金為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)不同模具外角ECAP變形過(guò)程的有限元模擬，研究不同模具外角下AZ31鎂合金ECAP變形的等效應(yīng)變分布。利用微觀組織觀察以及硬度測(cè)試，分析等效應(yīng)變分布對(duì)微觀組織及力學(xué)性能影響。結(jié)果表明：當(dāng)模具外角ψ為20°時(shí)，工件可以獲得均勻的等效應(yīng)變分布。AZ31鎂合金經(jīng)過(guò)ECAP擠壓后，微觀組織顯著細(xì)化，力學(xué)性能明顯改善，但平均晶粒尺寸及微觀維氏硬度在工件橫截面上分布不均勻，等效應(yīng)變分布的不均勻性是導(dǎo)致材料微觀組織和力學(xué)性能不均勻的主要因素之一。

等通道擠壓；有限元模擬；變形均勻性分析；AZ31鎂合金

鎂及鎂合金是迄今在工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，近年來(lái)變形鎂合金的塑性成形技術(shù)已經(jīng)成為世界鎂工業(yè)的重要研究領(lǐng)域，如何提高鎂合金的塑性成形能力已成為鎂合金研究的熱點(diǎn)[1?2]。已有研究表明，經(jīng)等通道轉(zhuǎn)角擠壓(Equal channel angular pressing，ECAP)后的鎂合金具有極細(xì)的晶粒結(jié)構(gòu)并表現(xiàn)出與眾不同的力學(xué)行為[3?5]，但是，在ECAP擠壓過(guò)程中，應(yīng)變分布不均勻和工件變形分布的均勻性一直是影響ECAP擠壓材料性能的主要原因之一，提高ECAP工藝的變形均勻性對(duì)改善工件的微觀組織及力學(xué)性能具有重要的研究意義。NAGASEKHAR和TICH-HON[6]以及WEI等[7]在對(duì)方形件ECAP擠壓過(guò)程的研究中提出，模具外轉(zhuǎn)角半徑是影響試樣變形不均勻的重要因素，設(shè)置適當(dāng)?shù)哪＞咄廪D(zhuǎn)角可以有效地改善變形體應(yīng)變分布[6?7]，李繼忠等[8]在對(duì)純鈦的方形件ECAP擠壓中也得出了相似的結(jié)論，BASAVARAJ等[9]利用ABAQUS軟件分析了不同模具拐角圓形通道ECAP擠壓件應(yīng)變均勻性，而對(duì)于模具外角ψ對(duì)圓形通道ECAP擠壓過(guò)程中應(yīng)變均勻性的影響，迄今還未見(jiàn)報(bào)道。本文作者利用有限元分析軟件Deform-3D對(duì)AZ31鎂合金的ECAP變形過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，了解模具外角ψ對(duì)ECAP的變形均勻性影響，并通過(guò)光學(xué)組織觀察以及微觀硬度測(cè)試，分析ECAP變形過(guò)程中等效應(yīng)變分布對(duì)AZ31鎂合金微觀組織以及力學(xué)性能影響規(guī)律。

1 鎂合金ECAP變形的技術(shù)原理

AZ31鎂合金ECAP工藝的基本原理如圖1所示，模具中兩個(gè)等截面通道互相交截，沖頭將試樣擠到出口通道內(nèi)。當(dāng)經(jīng)過(guò)兩通道的交截面時(shí)，試樣產(chǎn)生近似理想的剪切變形，晶粒發(fā)生塑性變形，形成位錯(cuò)纏結(jié)，進(jìn)而形成位錯(cuò)胞；隨著ECAP過(guò)程的繼續(xù)進(jìn)行，位錯(cuò)胞數(shù)量逐漸增加，尺寸逐漸減少，胞壁的位錯(cuò)密度逐漸提高，位錯(cuò)發(fā)生交滑移，胞壁位錯(cuò)纏結(jié)不斷集聚，形成小角度的織構(gòu)界面。在剪應(yīng)力作用下，小角度織構(gòu)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，成為大角度晶界的亞晶粒，并一定程度地破碎原晶粒，在隨后的再結(jié)晶轉(zhuǎn)變中，于原晶界和亞晶界處產(chǎn)生新的細(xì)小等軸晶粒，從而使晶粒細(xì)化[10]。由于鎂合金在室溫下塑性極差，所以鎂合金的ECAP擠壓加工需要在模具的外部設(shè)置加熱保溫裝置。擠壓溫度也是影響鎂合金顯微組織和力學(xué)性能的重要因素，溫度過(guò)高會(huì)使位錯(cuò)消失的速度加快，不利于大角度晶界的形成，從而減弱晶粒的細(xì)化效果。而溫度過(guò)低又會(huì)引起鎂合金表面開(kāi)裂，甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)擠壓[11]。因此，在ECAP過(guò)程中，要嚴(yán)格控制工件的變形溫度。本研究構(gòu)建的AZ31鎂合金的ECAP實(shí)驗(yàn)裝置采用J型熱電偶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工件變形溫度，控溫精度可達(dá)±1 ℃。

圖1 AZ31鎂合金ECAP工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of ECAP die of AZ31 magnesium alloy

2 AZ31鎂合金ECAP工藝變形的數(shù)值模擬

ECAP擠壓過(guò)程中產(chǎn)生的剪切變形是鎂合金晶粒細(xì)化的主要原因，等效應(yīng)變直接影響晶粒細(xì)化和合金性能。圓形通道ECAP工藝為三維變形問(wèn)題，采用經(jīng)典塑性力學(xué)求解圓形擠壓件擠壓過(guò)程變形分布比較困難，而有限元計(jì)算模擬則提供一個(gè)有效的研究途徑，其有效性和正確性也已被許多研究所證實(shí)[12]。因此，采用三維剛塑性有限元方法研究AZ31鎂合金在不同模具外角ψ圓形通道彎角擠壓過(guò)程，可以獲得模具外角ψ對(duì)AZ31鎂合金在ECAP形變過(guò)程中的應(yīng)變分布的影響。

式中：ε&為應(yīng)變速率，適用范圍為0.01～1.0 s?1；Q為變形激活能，對(duì)于AZ31鎂合金，Q取252 kJ/mol；σ為流變應(yīng)力；n為應(yīng)力指數(shù)取9.13；T為溫度，適用溫度范圍為250～350 ℃；R為摩爾氣體常數(shù)，取8.314 J/(mol·K)；A和α為與材料有關(guān)的常數(shù)，對(duì)于AZ31鎂合金分別取5.718×1020和0.008[13]。在實(shí)際加工過(guò)程中，模具幾乎不發(fā)生變形，可將模具設(shè)定為剛性材料。由于加熱套對(duì)模具和工件進(jìn)行加熱和保溫，擠壓過(guò)程中溫度恒定，因此，可以忽略工件和模具間熱交換，設(shè)定工件變形在恒溫條件下進(jìn)行。擠壓件為直徑12 mm，長(zhǎng)度70 mm的圓棒料，單元數(shù)為7 672個(gè)。其他模擬參數(shù)由表1給出。

2.1 AZ31鎂合金ECAP模擬參數(shù)的設(shè)定

Deform-3D的自帶材料庫(kù)中并沒(méi)有提供AZ31鎂合金的具體參數(shù)，因此，首先要確定AZ31鎂合金的本構(gòu)關(guān)系。由于高溫下金屬的變形是一個(gè)熱激活過(guò)程，其變形溫度和應(yīng)變速率均對(duì)流變應(yīng)力產(chǎn)生影響，本構(gòu)關(guān)系可用Arrhenius方程表示：

表1 AZ31鎂合金等圓形截面通道彎角擠壓數(shù)值模擬參數(shù)Table 1 Simulations parameters of round-section channel of ECAP process for AZ31 magnesium

為了后續(xù)有限元分析及實(shí)驗(yàn)研究方便，根據(jù)擠壓過(guò)程的幾何特征，圖2所示為ECAP數(shù)值模擬過(guò)程中擠壓件截取的A-A截面位置示意圖。欲獲得擠壓件擠壓主要變形區(qū)橫截面的應(yīng)變分布規(guī)律，可取如圖2所示擠壓件A-A截面沿L1～L55條直線進(jìn)行分析；欲獲得擠壓件主要變形區(qū)微觀組織，可沿a～e點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)；沿1～10點(diǎn)進(jìn)行微觀硬度測(cè)試，分析其力學(xué)性能的變化。

圖2 ECAP擠壓件截取A-A截面的示意圖Fig.2 Schematic diagram of A-A cross-section setting on ECAP processed samples

2.2 模具外角對(duì)工件縱截面等效應(yīng)變分布的影響

圓形通道的ECAP擠壓變形為三維變形，且變形關(guān)于X面左右對(duì)稱，因此，要了解模具外角ψ對(duì)工件長(zhǎng)度方向(Y向)等效應(yīng)變分布的影響，只需分析工件縱截面上的等效應(yīng)變分布即可。圖3所示為模具拐角為90°、模具外角ψ分別為0°、20°、37°、90°時(shí)AZ31鎂合金擠壓件對(duì)應(yīng)工件縱截面上的等效應(yīng)變分布。通過(guò)分析其應(yīng)變分布可以了解擠壓件的變形分布均勻程度。由圖3可以看出，ECAP擠壓件變形過(guò)程分為3個(gè)區(qū)域：Ⅰ區(qū)為料頭區(qū)，這部分?jǐn)D出過(guò)程中首先發(fā)生變形，變形自由度較大，變形情況復(fù)雜，因此變形分布極不均勻，應(yīng)變分布梯度大，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，這部分材料作為工藝廢料通常需要去除；Ⅱ區(qū)為主要變形區(qū)，等效應(yīng)變沿?cái)D壓管道方向分布基本均勻，經(jīng)過(guò)一道次擠壓變形，主變形區(qū)的等效應(yīng)變集中在0.438～1.75。

圖3 不同模具外角下AZ31鎂合金ECAP擠壓件縱截面等效應(yīng)變分布Fig.3 Effective strain distribution in longitudinal crosssection of AZ31 magnesium samples processed by ECAP for different corner angles

但是，對(duì)于不同的模具外角，應(yīng)變?cè)谪Q直方向(Z向)具有明顯的梯度變化，由圖3(a)可以看出，當(dāng)模具外角ψ=0°時(shí)，在模具的底部出現(xiàn)了劇烈塑性變形區(qū)，材料在擠壓過(guò)程極易引起破壞。由圖3(b)可看出，當(dāng)ψ=20°時(shí)，主變形區(qū)的等效應(yīng)變分布幾乎完全一致，只有在模具的底部出現(xiàn)了少量的小變形區(qū)，應(yīng)變分布均勻性良好。由圖3(c)和(d)可以看出，隨著模具外角的增大，等效應(yīng)變?cè)谪Q直方向上的變形不均勻性增大，且等效應(yīng)變的數(shù)值減小，表明在ECAP擠壓過(guò)程中，擠壓效率隨著模具外角ψ的增大而降低。Ⅲ區(qū)為正在變形區(qū)。由圖3(b)可以看出，當(dāng)ψ=20°時(shí)，工件在變形區(qū)呈現(xiàn)明顯的剪切變形特征，變形帶剪切梯度分布良好，這也是在主變形區(qū)應(yīng)變分布均勻性良好的主要原因。由于這部分區(qū)域正在發(fā)生變形，變形不完全，隨著變形的進(jìn)行，這部分金屬將進(jìn)入主變形區(qū)，其應(yīng)變分布特點(diǎn)與主變形區(qū)的一致，擠壓件主要變形部分的均勻程度在長(zhǎng)度方向(Y向)基本一致，截取擠壓件主變形區(qū)橫截面進(jìn)行詳細(xì)分析，即可獲得擠壓件擠壓過(guò)程的橫向變形分布規(guī)律。因此，沿圖2所示A-A截面的L1、L2、L3、L4、L5分析模具外角ψ對(duì)工件橫截面等效應(yīng)變分布的影響。

2.3 模具外角ψ對(duì)工件橫截面等效應(yīng)變分布的影響

圖4所示為不同模具外角ψ的ECAP擠壓件在主變形區(qū)A-A截面沿L1～L5進(jìn)行分析所獲得的等效應(yīng)變分布曲線。由圖4可見(jiàn)，當(dāng)模具外角ψ=0°時(shí)，直線L4和L5呈明顯增長(zhǎng)的趨勢(shì)，表明當(dāng)模具外角為零時(shí)，工件下部應(yīng)變變化劇烈，工件的下半部分為主要變形部分；當(dāng)ψ=20°時(shí)，等效應(yīng)變沿L1到L5的分布基本重合，這表明ψ=20°的等效應(yīng)變?cè)谡麄€(gè)橫截面上變化不大，等效應(yīng)變分布均勻。由圖4(c)和(d)看出，當(dāng)ψ為37°和90°時(shí)，直線L1和L2位于直線L3的上面，這說(shuō)明隨著模具外角的變大，模具外側(cè)對(duì)工件的反作用力加大，從而使得工件下側(cè)變形減弱。

為了更加直觀地分析擠壓件橫截面上的等效應(yīng)變分布均勻程度，可以計(jì)算代表等效應(yīng)變不均勻程度的參數(shù)Ci[9]：

等效應(yīng)變不均勻程度參數(shù)Ci的計(jì)算結(jié)果列于表2。

由表2可知，當(dāng)模具外角ψ=0°時(shí)，A-A截面上的平均等效應(yīng)變?yōu)?.652，而當(dāng)ψ=90°時(shí)，平均等效應(yīng)變則降為0.883，平均等效應(yīng)變隨著ψ角的增大而減小。但就等效應(yīng)變不均勻程度Ci而言，當(dāng)ψ=0°時(shí)，Ci的值高達(dá)0.94，雖然獲得了高的等效應(yīng)變，但變形均勻程度卻是最差的。比較ψ為20°、37°和90°時(shí)的變形情況可以發(fā)現(xiàn)，隨著ψ角的增大，A-A截面的平均等效應(yīng)變減小，且不均勻變形程度逐漸增大。當(dāng)ψ=20°時(shí)，既可獲得比較大的平均等效應(yīng)變，又可獲得良好的等效應(yīng)變分布。

圖4 不同模具外角 AZ31鎂合金ECAP擠壓件A-A橫截面的等效應(yīng)變分布Fig.4 Effective strain distribution in A-A cross-section of AZ31 magnesium samples processed by ECAP for different corner angles:(a) ψ=0°; (b) ψ=20°; (c) ψ=37°; (d) ψ=90°

表2 主變形區(qū)A-A截面等效應(yīng)變不均勻程度參數(shù)Table 2 Equivalent strain inhomogeneity index across section A-A in steady-state zone

3 AZ31鎂合金的ECAP變形實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

為驗(yàn)證有限元分析結(jié)果，選用d 12 mm×70 mm的工業(yè)AZ31B型鎂合金ECAP進(jìn)行加工試驗(yàn)，試樣采用MoS2潤(rùn)滑劑，試驗(yàn)前將試樣和模具預(yù)熱，隨后由YL?32型液壓機(jī)加載，由沖頭將試樣從出口通道擠出，擠壓裝置如圖5(a)所示，圖5(b)和(c)所示分別為通過(guò)有限元模擬和實(shí)驗(yàn)得到的等徑角擠壓工件。由圖5可以看出，通過(guò)有限元方法得到的工件的變形趨勢(shì)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)一致，有限元模擬分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

圖5 AZ31鎂合金等通道轉(zhuǎn)角擠壓設(shè)備及擠壓后工件Fig.5 ECAP equipment for AZ31 magnesium(a) and simulation(b) and experimental(c) samples after ECAP processed

3.2 擠壓試樣的金相組織分析

從ECAP擠壓件的穩(wěn)定變形區(qū)切割試樣，采用Epiphot300型尼康臥式金相顯微鏡觀察ECAP過(guò)程中圖2所示A-A截面點(diǎn)a～e所處位置的微觀組織變化。圖6所示為AZ31鎂合金原試樣及ECAP一次加工后試樣A-A橫截面上的光學(xué)顯微組織。由圖6(a)可見(jiàn)，初始材料的晶粒比較粗大，晶粒晶界明顯呈等軸分布。由圖6(b)～(f)可知，經(jīng)過(guò)ECAP工藝一道次擠壓后晶粒明顯細(xì)化，但試樣整體組織分布不均勻，試樣局部仍然存在較粗大的晶粒。ECAP過(guò)程中的晶粒細(xì)化是由于劇烈塑性變形所引起的動(dòng)態(tài)連續(xù)再結(jié)晶形成的，而鎂合金的塑性變形機(jī)理包括晶界滑移、基面滑移、非基面滑移以及孿生等，基面滑移仍然是鎂合金塑性變形的主要機(jī)制。

KOBAYASHI等[14]通過(guò)對(duì)AZ31鎂合金在ECAP過(guò)程中所激活的滑移系研究發(fā)現(xiàn)，塑性變形過(guò)程中所激活的滑移系與晶粒大小有著重要關(guān)系。對(duì)于較粗的晶粒(約50 μm)，晶界附近的非基面α位錯(cuò)被激活，而在晶粒內(nèi)部的基面α位錯(cuò)處于支配地位；對(duì)于較細(xì)晶粒(約7 μm)，整個(gè)區(qū)域的非基面α位錯(cuò)均被激活，并且α位錯(cuò)的密度約占整個(gè)位錯(cuò)密度的40%。對(duì)于粗晶，這種影響僅限于晶界附近，而對(duì)于細(xì)晶則擴(kuò)大到整個(gè)晶粒內(nèi)部。從AZ31B鎂合金原始態(tài)光學(xué)微觀金相組織來(lái)看，視場(chǎng)中存在部分粗大的晶粒，這也許就是在ECAP擠壓后試樣中仍然存在部分粗大晶粒的原因，STANFORD和RARNETT[15]在對(duì)AZ31鎂合金的連續(xù)大變形軋制過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了類似結(jié)果。

圖7所示為AZ31鎂合金原始試樣及一道次擠壓后試樣在圖2所示A-A面a～e所處位置的平均晶粒度分布。由圖7可知，壓縮試樣各點(diǎn)的晶粒大小差別不大，整個(gè)截面的平均晶粒尺寸為12.5 μm。經(jīng)過(guò)一道次ECAP擠壓后，晶粒明顯細(xì)化，平均晶粒尺寸迅速減小為4.89 μm。但是，比較擠壓后各點(diǎn)的平均晶粒尺寸可以發(fā)現(xiàn)，a點(diǎn)靠近模具上邊緣的晶粒細(xì)化最為明顯，平均晶粒尺寸為4.02 μm，而心部組織細(xì)化稍慢，晶粒細(xì)化效果不如上邊緣的，c和d位置的平均晶粒度大約為5.5 μm，而最下邊緣所觀測(cè)到的晶粒尺寸也比試樣中部的略小，平均晶粒尺寸為5.04 μm；由有限元模擬分析可知，在ECAP擠壓過(guò)程中試樣縱截面靠上通道壁的等效應(yīng)變較大，外層金屬在剪切力及摩擦力作用下晶粒遭到較大破碎，再結(jié)晶程度大；內(nèi)層比外層晶粒遭到破碎的程度小，再結(jié)晶程度變小，而心部的更小。從整個(gè)橫截面的平均晶粒尺寸來(lái)看，晶粒細(xì)化對(duì)應(yīng)變累積的變化敏感，晶粒細(xì)化的趨勢(shì)與有限元模擬所得到的應(yīng)變累積的變化規(guī)律相同。

圖6 AZ31鎂合金原試樣及ECAP一道次加工后試樣A-A橫截面上的光學(xué)顯微組織Fig.6 Optical microstructures in A-A cross-section of AZ31 magnesium alloys unprocessed and processed by one pass ECAP:(a) Unprocessed sample; (b) Point a; (c) Point b; (d) Point c; (e) Point d; (f) Point e

圖7 AZ31鎂合金ECAP一道次加工后試樣A-A橫截面上的晶粒度Fig.7 Grain size distribution in A-A cross-section of AZ31 magnesium alloys processed by one pass ECAP

3.3 擠壓試樣的顯微硬度變化分析

YOSHIDA等[16]研究顯示，對(duì)于經(jīng)過(guò)ECAP擠壓的鎂合金，其強(qiáng)度與晶粒尺寸之間的關(guān)系式為：σ0.2=30+0.17d?1/2?？梢?jiàn)，合金的晶粒細(xì)化應(yīng)該對(duì)鎂合金的強(qiáng)度的提高具有明顯效果。硬度是材料彈性、塑性、強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能的綜合指標(biāo)，通過(guò)分析試樣ECAP擠壓前后顯微硬度變化，可以推斷ECAP變形對(duì)鎂合金強(qiáng)度的影響。

采用FM?700型數(shù)顯式顯微硬度計(jì)測(cè)量圖2所示1～10所處不同位置的顯微維氏硬度。圖8所示為AZ31鎂合金一道次ECAP擠壓件變形前后圖2所示A-A橫截面1～10點(diǎn)所示位置的顯微維氏硬度。由圖8可知，材料原始試樣的硬度在整個(gè)橫截面上分布均勻，硬度值相差不大，硬度分布在56～58之間，平均值為57.668。經(jīng)過(guò)一道次ECAP擠壓后，材料的硬度有了明顯的提升，平均值升至79.091。這是由于ECAP前，材料內(nèi)部存在大量的缺陷，晶粒較粗大，宏觀上反映出材料的力學(xué)性能較低。在ECAP過(guò)程中產(chǎn)生的純剪切力的作用下，材料內(nèi)部的孔隙等得到閉合，內(nèi)部缺陷減少，顯微組織得到改善，從而使材料的力學(xué)性能得到改善，硬度提高。但從AZ31鎂合金經(jīng)ECAP變形后不同位置的硬度分布來(lái)看，硬度在整個(gè)橫截面上分布并不均勻，靠近上部的部分硬度最高，達(dá)81.4；而沿橫截面向下硬度逐漸降低，最小為69.4；而靠近下表面附近，由于摩擦的作用，應(yīng)變積累有所上升，表現(xiàn)為硬度有所上升，為73.7。從圖3也可以看出，試樣橫截面上部的變形最劇烈，等效應(yīng)變最大，然后自上而下呈減小的趨勢(shì)分布，從分析來(lái)看，應(yīng)變分布與硬度分布相當(dāng)吻合。

圖8 AZ31鎂合金ECAP擠壓件A-A橫截面不同位置的微觀維氏硬度Fig.8 Microhardness in different sites of A-A cross-section for AZ31 magnesium alloys processed by ECAP

4 結(jié)論

1) 在ECAP擠壓過(guò)程中，工件的平均等效應(yīng)變隨著模具外角ψ的增大而減小。當(dāng)模具外角ψ≥20°時(shí)，工件的不均勻變形程度隨ψ的增大而逐漸增大；當(dāng)ψ=20°時(shí)，既可以獲得比較大的平均等效應(yīng)變，又可以獲得良好的等效應(yīng)變分布。

2) 由于受到劇烈剪切塑性變形，AZ31鎂合金晶粒在首道次ECAP工藝擠壓后細(xì)化明顯，但組織在整個(gè)橫截面分布不均勻，且晶粒的細(xì)化程度與變形過(guò)程中的應(yīng)變累計(jì)趨勢(shì)一致。

3) 經(jīng)過(guò)一道次ECAP變形后，AZ31鎂合金的晶粒尺寸明顯減少，但仍然有部分大尺寸晶粒存在，小晶粒分布在大晶粒周圍，晶粒尺寸跨度較大。因此，要獲得組織均勻的超細(xì)晶材料，可采取多次ECAP變形的方式，以使晶粒充分破碎。

4) AZ31鎂合金晶粒經(jīng)ECAP擠壓后硬度明顯提高，表明ECAP工藝可以明顯改善鎂合金的力學(xué)性能，但在ECAP擠壓后微觀硬度在工件橫截面上分布不均勻，擠壓過(guò)程中應(yīng)變分布的不均勻性是造成試樣橫截面上硬度分布不均的主要原因，在擠壓過(guò)程中采用合適的變形工藝以獲得更為均勻的應(yīng)變累積，仍然是ECAP工藝獲取均勻塊體超細(xì)晶材料的重要研究方向。

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Finite element analysis of homogeneous deformation of AZ31 magnesium during equal channel angular pressing process

REN Guo-cheng1,2, ZHAO Guo-qun1, XU Shu-bo2, WANG Gui-qing2
(1. Engineering Research Center for Mould and Die Technology, Shandong University, Jinan 250061, China;2. School of Materials Science and Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China)

The effective strain size and distribution of AZ31 magnesium deformed by equal channel angular pressing(ECAP) for different die corner angles were investigated through the finite element simulation. The effect of the stain distribution in pressed workpiece on the microstructure and mechanical properties of the pressed workpiece was explored by optical observation and micro-hardness testing. The results show that the effective strain distribution in the samples is more homogeneous at 20° than those at other angles. After the AZ31 magnesium alloy is processed by ECAP, its microstructure is significantly refined and its mechanical property is improved, but the distribution of the grain size and micro-hardness in the cross-section of the pressed samples is inhomogeneous. The inhomogeneous distribution of the effective strain is one of the main factors that lead to the uneven microstructure and property.

equal channel angular pressing; finite element simulation; homogenous deformation analysis; AZ31 magnesium alloy

TG379

A

1004-0609(2011)04-0848-08

山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(Y2007F39)；山東省中青年科研獎(jiǎng)勵(lì)基金資助項(xiàng)目(2008BS05002)；山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎(jiǎng)勵(lì)基金資助項(xiàng)目(2007BS05004)

2010-04-20；

2010-06-28

趙國(guó)群，教授；電話：0531-88393238；E-mail: zhaogq@sdu.edu.cn

(編輯 李艷紅)