ZK60鎂合金等徑角擠壓研究.pdf

1、等徑角擠壓工藝(ECAP)是基于大塑性變形(SPD)理論的一種制備大塊體超細(xì)晶材料的先進(jìn)技術(shù)，由于其特殊優(yōu)點(diǎn)，已引起眾多學(xué)者的研究。隨著汽車輕量化和高性能的發(fā)展，迫切需要輕質(zhì)材料的使用。目前，作為結(jié)構(gòu)件的鎂合金，具有密度輕、比強(qiáng)度和比剛度高的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已應(yīng)用于汽車、航空航天等領(lǐng)域。因此，研究鎂合金的ECAP晶粒細(xì)化，積極探索改善鎂合金力學(xué)性能和成形性能的途徑，對于推動鎂合金材料的應(yīng)用有重要意義。
　　 本文主要以變形鎂合金中強(qiáng)度最

2、高的ZK60鎂合金棒材為研究對象，從DEFORM-3D有限元模擬和實(shí)驗(yàn)的角度分別探索了等徑角擠壓這種晶粒細(xì)化的新工藝，為ECAP晶粒細(xì)化工藝的工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用提供了理論和技術(shù)依據(jù)。具體的研究內(nèi)容與成果如下：
　　 (1)本文基于ECAP三維實(shí)體幾何模型和三維塑性變形有限元力學(xué)模型，通過解決ZK60鎂合金的材料模型、網(wǎng)格劃分、邊界條件等關(guān)鍵建模技術(shù)，在DEFORM-3D中建立了準(zhǔn)確的ECAP變形三維剛塑性有限元模擬模型。
　

3、　 (2)基于ZK60鎂合金的ECAP三維有限元模型，揭示了試樣在ECAP變形過程中的載荷、等效應(yīng)力、應(yīng)變和速度的基本變形規(guī)律；探究了各工藝參數(shù)(模具內(nèi)角、擠壓溫度、摩擦因子、擠壓速度、擠壓道次等)對ECAP變形的影響；并進(jìn)一步重點(diǎn)模擬分析了試樣的直徑尺寸變化(φ6-40mm)對載荷、應(yīng)變以及變形不均勻性的影響，為ECAP實(shí)驗(yàn)提供了理論依據(jù)。模擬得到的主要結(jié)論為：鎂合金ZK60的ECAP擠壓應(yīng)使用φ=90°的模具，在T=250℃且較低

4、的擠壓速度下，采用Bc路徑在潤滑良好的條件下進(jìn)行多道次擠壓獲得的擠壓效果最好，并且小尺寸試樣的變形比大尺寸試樣的變形程度大且均勻。
　　 (3)對鑄態(tài)和熱處理后的ZK60試樣分別進(jìn)行了ECAP實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：均勻化熱處理后的試樣變形相對較好，晶粒細(xì)化效果更明顯。所以，對ZK60鎂合金鑄態(tài)試樣進(jìn)行均勻化退火處理是進(jìn)行ECAP變形實(shí)驗(yàn)的必要前提條件。
　　 (4)在不同溫度下(T=180，200，250，300℃)對ZK60

5、分別進(jìn)行ECAP實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：ZK60試樣低于200℃擠壓時會發(fā)生裂紋甚至斷裂；綜合結(jié)果，當(dāng)T=250℃擠壓后的晶粒分布最均勻，細(xì)化效果相對較好。
　　 (5)對ZK60試樣連續(xù)進(jìn)行了4道次ECAP實(shí)驗(yàn)，分析表明：隨著擠壓道次的增加，晶粒細(xì)化程度越好，小尺寸細(xì)晶數(shù)量不斷增多，晶粒分布更為均勻。1道次擠壓后ZK60的晶粒尺寸由～110μm細(xì)化到～11μm，細(xì)化程度很大；4道次擠壓后細(xì)化到～5μm，說明ECAP法是一種有效的晶粒細(xì)

6、化手段。
　　 (6)用自行設(shè)計(jì)的兩套ECAP模具對比研究了徑向尺寸分別為φ10mm與φ30mm的ZK60鎂合金試樣前兩道次ECAP變形，得到的平均晶粒尺寸分別為～6μm和～8μm。微觀組織觀察結(jié)果表明：小尺寸φ10mm試樣的晶粒細(xì)化程度較大，細(xì)化后的晶粒尺寸和形狀的分布更為均勻；而大尺寸φ30mm試樣局部的細(xì)晶數(shù)量較多，但大尺寸粗晶的數(shù)量也比較多，晶粒尺寸分布很不均勻。
　　 (7)對比了ECAP變形后的兩種尺寸試樣橫

7、截面上有代表性區(qū)域的晶粒細(xì)化情況。結(jié)果表明：ZK60試樣橫截面上晶粒細(xì)化程度與模擬中的等效應(yīng)變分布有正相關(guān)性，試樣維氏硬度值的變化與變形程度是一致的。所以，利用有限元模擬的等效應(yīng)變分布情況可以解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的晶粒細(xì)化狀態(tài)和硬度變化。
　　 (8)有限元模擬得到的擠壓后試樣形狀和ECAP實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的，并且模擬中等效應(yīng)變的分布和晶粒細(xì)化結(jié)果相對應(yīng)，從而驗(yàn)證了在DEFORM中建立的模擬模型的準(zhǔn)確性，說明了模擬結(jié)果具有一定的可靠性。