AZ31鎂合金ECAE過程中摩擦應(yīng)力及其穩(wěn)定值
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高雷雷 張金中 沙磊 孫陽
[1.中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院；2．山東省無石棉摩擦材料技術(shù)研究推廣中心]
摘要 建立了不同模具外角半徑、模具內(nèi)角半徑與不同摩擦因數(shù)條件下的AZ31鎂合金等通道轉(zhuǎn)角擠壓有限元模型，分析了摩擦應(yīng)力在整個(gè)擠壓過程中的變化規(guī)律，研究了模具外角半徑、模具內(nèi)角半徑及摩擦因數(shù)對ECAE擠壓過程中摩擦應(yīng)力變化曲線峰值與穩(wěn)定值的影響。以AZ31鎂合金為試驗(yàn)對象進(jìn)行了擠壓試驗(yàn)，對模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，并提出了減小摩擦應(yīng)力提高擠壓成功率的措施。結(jié)果表明，試樣左側(cè)摩擦應(yīng)力最大值與試樣右側(cè)摩擦應(yīng)力最大值隨試樣移動(dòng)距離變化呈現(xiàn)出不同的變化特征。模具內(nèi)角半徑變化對試樣右側(cè)摩擦應(yīng)力最大值變化曲線的峰值及穩(wěn)定值有重要影響，而模具外角半徑變化對試樣左側(cè)摩擦應(yīng)力最大值變化曲線的峰值有重要影響。摩擦因數(shù)對摩擦應(yīng)力變化曲線的峰值與穩(wěn)定值均有重要影響。
關(guān)鍵詞 AZ31鎂合金；等通道轉(zhuǎn)角擠壓；摩擦應(yīng)力；峰值；穩(wěn)定值
鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空航天、汽車、電子電器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。近年來，國內(nèi)外學(xué)者采用大塑性變形工藝制備高性能鎂合金做了大量工作。在現(xiàn)有大塑性變形加工工藝中，等通道轉(zhuǎn)角擠壓(Equal Channel Angular Extrusion，簡稱ECAE)法，由于其采用純剪切變形方式來細(xì)化材料的微觀組織，且具有不改變試樣形狀、可多次重復(fù)進(jìn)行、顯著細(xì)化材料微觀組織等優(yōu)點(diǎn)。但該工藝存在實(shí)際擠壓時(shí)，若工藝參數(shù)選擇不合適，易導(dǎo)致試樣表面在摩擦應(yīng)力作用下出現(xiàn)較嚴(yán)重的裂紋，導(dǎo)致擠壓成功率較低。
實(shí)際進(jìn)行ECAE擠壓試驗(yàn)時(shí)，一般在模具內(nèi)角及模具外角處各設(shè)計(jì)一個(gè)過渡圓角，以減小擠壓過程中產(chǎn)生摩擦應(yīng)力對擠壓的不利影響。研究者對具有不同模具內(nèi)角、外角半徑及不同摩擦因數(shù)的ECAE過程進(jìn)行了有限元模擬，但多側(cè)重于模具外角半徑與內(nèi)角半徑變化對試樣內(nèi)部應(yīng)變、擠壓力大小與晶粒細(xì)化效果的影響，模具半徑及摩擦因數(shù)變化對摩擦應(yīng)力的影響及在整個(gè)擠壓過程中摩擦應(yīng)力的變化規(guī)律的研究還未見報(bào)道。
本課題建立了不同模具外角半徑、內(nèi)角半徑與不同摩擦因數(shù)條件下的ECAE有限元分析模型，對ECAE過程中摩擦應(yīng)力隨試樣移動(dòng)距離的變化規(guī)律及模具半徑與摩擦因數(shù)對摩擦應(yīng)力變化曲線峰值與穩(wěn)定值的影響進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。
1 分析模型建立及試驗(yàn)
1.1有限元模型建立
采用有限元分析軟件ANSYS建立了不同模具內(nèi)角Ri、不同模具外角R。，與不同摩擦因數(shù)u下AZ31鎂合金的等通道轉(zhuǎn)角擠壓的二維分析模型，見圖1，與試樣接觸的模具表面采用target169單元，AZ31鎂合金試樣表面采用contactl 71單元，試樣與模具非接觸面選用plane182單元。實(shí)際擠壓時(shí)，為減小裂紋產(chǎn)生，試樣與模具表面潤滑狀態(tài)良好時(shí)摩擦因數(shù)u一般小于0. 10，故模擬時(shí)將摩擦因數(shù)從0.01開始逐步增加至0. 10，每次的增加量為0.01。為了模擬模具或試樣表面損壞等極端情況，模擬了摩擦因數(shù)為0. 15、0.20和0. 25時(shí)的擠壓過程。模具內(nèi)角≠變化·范圍為110。～130。，模具外角半徑R。，變化范圍為0～10 mm，模具內(nèi)角半徑Ri變化范圍為0～10 mm，試樣橫截面尺寸為10 mm×100 mm，與后續(xù)的試樣尺寸一致。模擬時(shí)試樣移動(dòng)距離d<20 mm時(shí)其增量為1 mm，d≥20 mm后其增量為10 mm。
1.2試驗(yàn)材料
試驗(yàn)材料為AZ31鎂合金棒材，其化學(xué)成分見表1。從棒材上切割試樣，試樣尺寸為10 mm×10 mm×100mm。對試樣進(jìn)行表面光潔處理，試樣表面粗糙度R。=0. 8～6.3um。
1.3試驗(yàn)方法
通過更改AZ31鎂合金試樣與模具表面粗糙度與改變潤滑劑涂覆來改變試樣與模具表面的摩擦因數(shù)。擠壓時(shí)加熱溫度為300℃，加熱時(shí)間為30 min，試樣與模具達(dá)到加熱溫度與保溫時(shí)間后，在液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上對試樣進(jìn)行擠壓試驗(yàn)。
2 結(jié)果分析與討論
2.1摩擦應(yīng)力在擠壓過程中的變化
圖2是模具內(nèi)角為110。時(shí)，ECAE擠壓過程中試樣與模具表面摩擦應(yīng)力在不同移動(dòng)距離下的大小與分布。為了便于分析與討論，將摩擦應(yīng)力分為試樣左側(cè)摩擦應(yīng)力與試樣右側(cè)摩擦應(yīng)力，并取其最大值進(jìn)行討論（分別表示為SL和SR）。由圖2可以看出，擠壓剛開始時(shí)，試樣最下端開始進(jìn)入通道轉(zhuǎn)角處，試樣最下端與模具外角半徑R（，接觸，試樣在模具外角半徑與擠壓力作用下出現(xiàn)輕微彎曲變形的趨勢，故試樣下端兩側(cè)在轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生摩擦應(yīng)力，而試樣其余部位摩擦應(yīng)力較小，可忽略不計(jì)。當(dāng)d=5 mm時(shí)，SI，約為41 MPa，SR值約為11.1 MPa（見圖2a）。當(dāng)d=11 mm時(shí)，在豎直通道內(nèi)試樣左側(cè)A處摩擦應(yīng)力大小及分布面積出現(xiàn)輕微增大，而轉(zhuǎn)角處摩擦應(yīng)力數(shù)值呈現(xiàn)出顯著增大趨勢，此時(shí)SI.增加至307 MPa，SR增加至66.4 MPa（見圖2b）。d= 30 mm與d=60 mm時(shí)豎直通道內(nèi)A處摩擦應(yīng)力大小繼續(xù)增加，而SL分別為84.5 MPa與79.8 MPa，與d=11 mm時(shí)相比顯著減�。籗R為74.9 MPa與71.5 MPa，與d=11mm時(shí)相比變化較小。由圖2還可以看出，SR均產(chǎn)生于轉(zhuǎn)角處附近。
圖3為不同模具內(nèi)角與不同摩擦因數(shù)條件下摩擦應(yīng)力最大值隨d的變化規(guī)律曲線(R．，=10 mm，Ri=5mm)。由圖3可以看出，在不同模具角度與不同摩擦因數(shù)條件下，當(dāng)d<20 mm時(shí)，SL隨著d的增加呈現(xiàn)出先顯著增加后顯著減小的變化趨勢，而SR隨d的增加呈現(xiàn)出緩慢增加的變化趨勢，兩者在此過程中均存在一個(gè)最大值，且S．。顯著大于SR。以≠=110。，u=0.1條件下的S．，與SR曲線變化為例，發(fā)現(xiàn)隨著d的增加，SL由d=0 mm時(shí)的O MPa快速增加至d=12 mm時(shí)的423 MPa，隨后又快速減小至d= 20 mm時(shí)的110MPa; SR由d=0時(shí)的0MPa緩慢增加至d=12 mm時(shí)的73 MPa，至d=20 mm時(shí)其值為118 MPa，d=12mm時(shí)SL與SR數(shù)值相差高達(dá)350 MPa。當(dāng)d≥20mm時(shí)，SL與SR均呈現(xiàn)出較小的波動(dòng)，即S．．與SR隨d的變化趨于一穩(wěn)定值，且d超過20 mm后，SL與SR的數(shù)值大小相接近。由圖3還可以看出，在較高摩擦因數(shù)條件下Sl。與SR隨d的變化均高于較低摩擦因數(shù)條件下S．。與SR，即摩擦因數(shù)增加會(huì)導(dǎo)致ECAE擠壓過程中摩擦應(yīng)力最大值的增加。
2.2 Ri對峰值及穩(wěn)定值的影響
由圖3分析可知，當(dāng)d<20 mm時(shí)S，。與SR變化曲線存在一個(gè)峰值。而當(dāng)d≥20 mm后兩者變化曲線存在一個(gè)穩(wěn)定值。為了便于說明，后續(xù)討論中摩擦應(yīng)力變化曲線峰值以SP表示，穩(wěn)定值以Ss表示。圖4為不同模具角度與不同摩擦因數(shù)條件下摩擦應(yīng)力曲線峰值SP隨內(nèi)角半徑Ri的變化規(guī)律（Rc，=10 mm）�？梢钥闯�，隨著模具內(nèi)角半徑Ri的增加，右側(cè)SP呈現(xiàn)出一定下降趨勢。左側(cè)SP在不同摩擦因數(shù)條件下呈現(xiàn)出不同變化特征。當(dāng)u=0. 05與u=0.10時(shí)，左側(cè)S，隨內(nèi)角半徑Ri增加無明顯變化；摩擦因數(shù)u=0.15時(shí)，當(dāng)Ri較小時(shí)，左側(cè)SP隨Ri增加略有下降，當(dāng)R．超過一定值后，右側(cè)SP隨Ri增加顯著下降。模擬結(jié)果表明，模具內(nèi)角半徑Ri增加可在一定程度上減小右側(cè)SP的大小，但對于左側(cè)SP，僅在較大模具內(nèi)角半徑與較高摩擦因數(shù)時(shí)才能減小其大小。
圖5為不同模具角度與不同摩擦因數(shù)條件下摩擦應(yīng)力曲線穩(wěn)定值Ss隨內(nèi)角半徑Ri的變化規(guī)律(Ro=10 mm)�？梢钥闯�，隨著Ri的增加，右側(cè)Ss與左側(cè)Ss呈現(xiàn)出不同變化特征。當(dāng)R1<5 mm時(shí)，右側(cè)Ss隨著R1增加顯著下降；當(dāng)Ri≥5 mm后，Ss隨Ri增加下降趨勢趨于平緩。試樣左側(cè)Ss隨著Ri增加變化特征不明顯。由圖5還可以看出，當(dāng)R1<5 mm時(shí)，左側(cè)Ss與右側(cè)Ss數(shù)值相差較大，當(dāng)R．≥5 mm后左側(cè)Ss與右側(cè)Ss數(shù)值接近。
圖4與圖5的分析結(jié)果表明，模具內(nèi)角半徑R．的變化主要影響試樣右側(cè)SP與Ss，而對試樣左側(cè)SP與Ss影響較小。這是因?yàn)槟＞邇?nèi)角半徑Ri變化會(huì)引起擠壓過程中試樣右側(cè)與模具在轉(zhuǎn)角處的接觸面積的變化。隨著RI增加，試樣右側(cè)與模具接觸面積也隨之增大，接觸面積的增加可減輕擠壓過程中在試樣右側(cè)產(chǎn)生的摩擦應(yīng)力集中，摩擦應(yīng)力可分布于較大面積的試樣與模具內(nèi)部，故隨著模具內(nèi)角Ri增加，右側(cè)SP與Ss均呈下降趨勢。
2.3 Ro對峰值及穩(wěn)定值的影響
圖6為不同模具角度與不同摩擦因數(shù)條件下摩擦應(yīng)力曲線峰值S，隨外角半徑Ro的變化規(guī)律(Ri=5mm)。由圖6可以看出，隨著Ro的增加，試樣右側(cè)SP及試樣左側(cè)SP呈現(xiàn)出不同變化特征。左側(cè)SP總體上隨著R．，增加而減小，且當(dāng)Rn超過一臨界值后SP顯著減小，不同模具角度及不同摩擦因數(shù)條件下該臨界值不同。當(dāng)R。，由0增至5 mm時(shí)，SP減小了7%，而當(dāng)R c，由5 mm增至10 mm時(shí)，SP減小了23%，即Rf，超過5mm后S，減小明顯。當(dāng)摩擦因數(shù)u=0.05與u=0.1時(shí)，R．，超過5 mm后SP開始顯著下降，而當(dāng)u=0.15時(shí)，當(dāng)Ru超過7 mm后才開始出現(xiàn)顯著下降。不同模具角度及不同摩擦因數(shù)條件下，試樣右側(cè)SP隨著R c，變化無明顯變化，SP基本保持一恒定值，Ro對右側(cè)的SP影響可忽略不計(jì)。
圖7為不同模具角度與不同摩擦因數(shù)條件下摩擦應(yīng)力曲線穩(wěn)定值Ss隨外角半徑R。，的變化規(guī)律(Ri=5mm)。可以看出，隨著R．，的增加，試樣右側(cè)與試樣左側(cè)Ss均隨著Ru的變化無明顯規(guī)律，但試樣左側(cè)Ss隨R。變化的波動(dòng)幅度要大于試樣右側(cè)Ss隨R c，變化的波動(dòng)幅度。
由圖6和圖7可知，當(dāng)Ro發(fā)生變化時(shí)，主要影響試樣左側(cè)SP的變化，對試樣右側(cè)SP及對左右兩側(cè)的穩(wěn)定值Ss影響較小。即R。，僅對移動(dòng)距離d<20 mm內(nèi)產(chǎn)生的最大摩擦應(yīng)力有影響。這是因?yàn)閐<20 mm時(shí)為擠壓初期，此時(shí)試樣由豎直通道經(jīng)過轉(zhuǎn)角處開始逐步進(jìn)入斜通道。當(dāng)R．，增加時(shí)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)角處試樣最下端左側(cè)在經(jīng)過轉(zhuǎn)角處時(shí)其曲率半徑變大，試樣與模具接觸面積增加，削弱了摩擦應(yīng)力集中，故左側(cè)SP隨R．，的增加而減小。而當(dāng)d≥20 mm時(shí)，試樣下端已由豎直通道進(jìn)入斜通道，轉(zhuǎn)角處由于試樣變形與模具在轉(zhuǎn)角處存在一定間隙，轉(zhuǎn)角處無摩擦應(yīng)力產(chǎn)生，此時(shí)摩擦應(yīng)力分布主要集中在斜通道內(nèi)，故模具外角半徑R．，變化對左右兩側(cè)的穩(wěn)定值均無顯著影響。
2.4摩擦因數(shù)對峰值及穩(wěn)定值的影響
圖8為不同模具內(nèi)角條件下SP隨摩擦因數(shù)u的變化規(guī)律（Ro=10 mm，Ri=5 mm）。由圖8可以看出，右側(cè)SP隨摩擦因數(shù)增大呈現(xiàn)出線性增加的趨勢。當(dāng)u<0.1時(shí)，左側(cè)SP隨摩擦因數(shù)增大也基本符合線性增大特征；當(dāng)u≥0.1后，左側(cè)SP呈現(xiàn)出隨摩擦因數(shù)增大而顯著增加的變化。由圖8還可以看出，當(dāng)摩擦因數(shù)較小時(shí)，左右兩側(cè)的SP數(shù)值相差較小，而隨著摩擦因數(shù)增大，左右兩側(cè)的SP數(shù)值相差越來越大。
圖9為不同模具內(nèi)角條件下摩擦應(yīng)力最大值變化曲線穩(wěn)定值Ss隨摩擦因數(shù)的變化規(guī)律（R．、=10 mm，R1=5 mm）。由圖9可以看出，左側(cè)Ss與試樣右側(cè)Ss均隨摩擦因數(shù)增加呈現(xiàn)出線性增加的變化。與摩擦因數(shù)對SP影響不同的是，隨著摩擦因數(shù)增大，左右兩側(cè)的Ss數(shù)值比較接近，兩者隨摩擦因數(shù)增大數(shù)值相差不大。
由圖8與圖9可知，Ss與SP均隨摩擦因數(shù)u的增加而增加，且左側(cè)SP當(dāng)摩擦因數(shù)超過一定數(shù)值后會(huì)急劇增加，造成擠壓過程中產(chǎn)生較大的摩擦應(yīng)力。模具在實(shí)際擠壓過程中，模具表面會(huì)隨著擠壓次數(shù)增加出現(xiàn)摩擦因數(shù)增加現(xiàn)象。因此實(shí)際ECAE擠壓時(shí)，若摩擦因數(shù)經(jīng)過多道次擠壓后出現(xiàn)增加現(xiàn)象，則應(yīng)采取一定措施減小摩擦因數(shù)，以減小擠壓過程中由于摩擦因數(shù)增加引起的摩擦應(yīng)力大小，可避免表面在摩擦應(yīng)力作用下出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。
2.5 實(shí)際擠壓結(jié)果
圖10為采用不同摩擦因數(shù)u與不同模具外角半徑R。條件下對AZ31鎂合金進(jìn)行實(shí)際擠壓后的外觀形貌�？梢钥闯�，在較高摩擦因數(shù)與較小R。條件下，試樣表面產(chǎn)生較多較深的裂紋，擠壓未成功(見圖10a)；在增加模具外角半徑與減小摩擦因數(shù)后，試樣表面仍產(chǎn)生裂紋，但裂紋深度有所減小（見圖10b）；當(dāng)進(jìn)一步減小摩擦因數(shù)與增加外角半徑后，試樣表面無裂紋，ECAE可順利完成擠壓。
3 結(jié)論
(1) ECAE擠壓過程中，試樣左側(cè)摩擦應(yīng)力最大值隨試樣移動(dòng)距離增加呈現(xiàn)出先顯著增加后顯著減小最后趨于一穩(wěn)定值的變化特征；試樣右側(cè)摩擦應(yīng)力最大值隨試樣移動(dòng)距離增加呈現(xiàn)出先增加后趨于一穩(wěn)定值的變化特征。
(2)模具內(nèi)角半徑的變化主要影響試樣右側(cè)摩擦應(yīng)力峰值與穩(wěn)定值，而對試樣左側(cè)摩擦應(yīng)力峰值與穩(wěn)定值影響較小；模具外角半徑R。變化主要影響試樣左側(cè)摩擦應(yīng)力峰值大小，對試樣右側(cè)摩擦應(yīng)力峰值SP及對左右兩側(cè)的穩(wěn)定值影響較小。
(3)隨著摩擦因數(shù)增加，摩擦應(yīng)力曲線的峰值與穩(wěn)定值均隨摩擦因數(shù)的增加而增加，且左側(cè)峰值當(dāng)摩擦因數(shù)超過一定數(shù)值后會(huì)急劇增加，造成擠壓過程中產(chǎn)生較大的摩擦應(yīng)力。
(4)減小摩擦因數(shù)與增加模具外角半徑可顯著減小ECAE擠壓過程中摩擦應(yīng)力的峰值大小，避免試樣表面出現(xiàn)裂紋，提高擠壓成功率。
