简介概要

MB15合金等通道转角挤压组织模拟和实验分析

来源期刊:中国有色金属学报2011年第2期

论文作者:于彦东 周浩

文章页码:296 - 302

关键词:MB15合金;等通道转角挤压(ECAP);晶粒细化;模拟

Key words:MB15 alloy; equal-channel angular pressing (ECAP); grain refinement; simulation

摘    要:采用等通道转角挤压(ECAP)对MB15合金试样进行挤压,利用有限元软件DEFORM-3D进行ECAP晶粒组织模拟,探索采用有限元模拟与实验分析相结合的方法,研究镁合金ECAP成形过程的晶粒组织变化规律。模拟结果表明:数值模拟后试样从头部P1处、中部P2处到尾部P3处的晶粒组织细化程度明显减小,平均晶粒尺寸从初始的13.32 μm减小到2.3~3.1 μm;采用ECAP方法进行一道次挤压,试样的平均晶粒尺寸从13.32 μm减小到2.2 μm。对比数值模拟与实验分析结果表明:两者在晶粒细化程度上吻合良好。

Abstract: The process of equal channel angular pressing (ECAP) was numerically simulated using a finite element software Deform-3D to study the improvement and advancement of plastic processing performance. The method of the combining application of finite element simulation and experimental analysis was explored to investigate the variation of grain structure during the ECAP forming process of Mg alloy. The results show that the grain size of the sample in different zones reduce remarkably, following the sequence of P1, P2 and P3. Its average grain size reduces to 2.3-3.1 μm from its former average size of 13.32 μm. The microstructures of the sample was observed by an metalloscope after the ECAP experiment within one pass. Its average grain size reduces from 13.32 μm to 2.2 μm. After comparing the results of finite element numerical simulation and the ones from experimental analysis, there is a good fit in grain refinement between the two.



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文章编号:1004-0609(2011)02-0296-07

MB15合金等通道转角挤压组织模拟和实验分析

于彦东,周  浩

(哈尔滨理工大学 材料科学与工程学院,哈尔滨  150040)

摘  要:采用等通道转角挤压(ECAP)对MB15合金试样进行挤压,利用有限元软件DEFORM-3D进行ECAP晶粒组织模拟,探索采用有限元模拟与实验分析相结合的方法,研究镁合金ECAP成形过程的晶粒组织变化规律。模拟结果表明:数值模拟后试样从头部P1处、中部P2处到尾部P3处的晶粒组织细化程度明显减小,平均晶粒尺寸从初始的13.32 μm减小到2.3~3.1 μm;采用ECAP方法进行一道次挤压,试样的平均晶粒尺寸从13.32 μm减小到2.2 μm。对比数值模拟与实验分析结果表明:两者在晶粒细化程度上吻合良好。

关键词:MB15合金;等通道转角挤压(ECAP);晶粒细化;模拟

中图分类号:G379       文献标志码:A

Simulation and experiment analysis of grain structure of MB15 alloy prepared by equal-channel angular pressing

YU Yan-dong, ZHOU Hao

(School of Materials Science and Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150040, China)

Abstract: The process of equal channel angular pressing (ECAP) was numerically simulated using a finite element software Deform-3D to study the improvement and advancement of plastic processing performance. The method of the combining application of finite element simulation and experimental analysis was explored to investigate the variation of grain structure during the ECAP forming process of Mg alloy. The results show that the grain size of the sample in different zones reduce remarkably, following the sequence of P1, P2 and P3. Its average grain size reduces to 2.3-3.1 μm from its former average size of 13.32 μm. The microstructures of the sample was observed by an metalloscope after the ECAP experiment within one pass. Its average grain size reduces from 13.32 μm to 2.2 μm. After comparing the results of finite element numerical simulation and the ones from experimental analysis, there is a good fit in grain refinement between the two.

Key words: MB15 alloy; equal-channel angular pressing (ECAP); grain refinement; simulation

镁合金作为一种结构材料[1-2],具有密度低、比强度和比刚度高、电磁屏蔽效果好、抗震能力强,易于机械加工成形和易于回收再利用等优点[3-4]

20多年来,等通道角加工(ECAP)被公认为一种生产超细晶坯料的最流行和有效的方法。该技术对很多金属和合金都能达到有效的强化作用。镁合金由于密度低(1.74 g/cm3)和比强度高,在许多科技设备选材上,尤其是在自动化工业领域,都引起人们的注意。ECAP不但能细化镁合金的晶粒,增强它们的力学性能,而且能提高它们在高温下的成型性能。国内外一些学者在这些方面进行了大量研究[5-7]。采用不同的工艺参数,ECAP加工后得到的试样性质也不同。研究结果表明:模具结构、挤压速度、挤压温度、背压大小都对ECAP加工材料性质有重要影响[8-12]

有限元数值模拟技术已经在众多成形工艺中得到应用。许多学者已经成功利用数值模拟技术辅助制定实验方案、分析实验结果,达到减小实验工作量、降低实验成本和提高实验精度等目标[13-17]

本文作者通过实验和数值模拟相结合的方式,对MB15合金进行ECAP加工并对晶粒微观组织方面进行研究。该研究主要有两个途径:一是利用有限元数值模拟软件预报ECAP试样变形过程中各部分晶粒尺寸的变化趋势;二是进行ECAP实验分析晶粒尺寸变化规律。

1  ECAP有限元模拟设定

挤压模具的挤压入口通道和背压出口通道的直径为d10 mm,等通道的夹角为90°,两通道转角处的内外圆均无倒角。采用有限元软件Deform-3D进行数值模拟,所用的ECAP模具实体剖视图如图1所示。对模具进行网格划分,选用的网格数为200 000。试样材料选择为MB15合金。试样由推杆沿着挤压方向推入ECAP模具入口,加工时模具和坯料的温度均选择为200 ℃,并在数值模拟过程中恒定不变。边界热交换系数为11。边界摩擦系数为0.3。在模具出口通道施加一个背压。对试样进行网格划分,选用的网格数为8 000。P1、P2和P3分别是试样的头部、中部和尾部。试样头部P1,加工时率先进入通道转角;P2位于材料中部;尾部P3与推杆相接触。根据Avrami方程设定晶粒尺寸模拟数学模型参数。

动态再结晶体积分数Xr和真应变ε之间符合:

                  (1)

式中:β和k为常数;εp为峰值应变。

动态再结晶晶粒尺寸模型为

                    (2)

式中:A,n,m,k为常数;d为动态再结晶后平均晶粒尺寸;d0为动态再结晶开始前的平均晶粒尺寸;Q为动态再结晶形变激活能;R为摩尔气体常数;T为动态再结晶变形温度。

图1  有限元模拟ECAP模具实体剖视图

Fig.1  Entity of ECAP die of finite element simulation

2  数值模拟结果与分析

数值模拟完成后进入有限元软件后处理模块,得到组织模拟结果图片。图2所示为ECAP挤压加工初期试样的各部分晶粒尺寸的变化情况及组织模拟结果。横坐标表示晶粒尺寸的数值,单位为μm;纵坐标表示晶粒数目。

从图2(a)中可以看出:头部P1处晶粒尺寸范围为1~6 μm,其平均晶粒尺寸约为2.40 μm,相对于初始晶粒明显减小。这是由于在ECAP挤压加工初期,试样的头部P1处先进入通道转角部位,产生剧烈的剪切塑性变形,此剧烈变形提供的能量导致该区域材料高度的位错缠结,相互缠结的位错间存在较大的应力场,根据低能位错结构理论,这些位错会相互作用并重新排列,形成亚晶结构。而形成的亚晶界会进一步演化为小角度晶界和大角度晶界,引起了动态再结晶,从而细化了晶粒。

从图2(b)中可看出,试样中部P2处晶粒尺寸范围为2~13 μm,其平均晶粒尺寸约为8.97 μm,相对于初始晶粒略有减小。该处以10 μm以上的粗大晶粒为主,只在少数局部区域存在晶粒尺寸较小的晶粒。在P2处的试样,由于背压的作用,受到一个较小的径向应力,所提供的能量引起的位错缠结也较低,所以只有少数动态再结晶现象发生。

试样尾部P3处晶粒尺寸范围为3~18 μm,其平均晶粒尺寸约为13.12 μm,接近于初始晶粒的尺寸 (13.32 μm)(见图2(c))。由于P3处试样受到的应力更小,相应的位错缠结最小,动态再结晶现象基本没有发生。综上所述,在ECAP加工初期,晶粒细化程度最高的是头部P1处,P2处的次之,P3处基本没有发生晶粒细化现象。

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