高雷雷 张金中 沙 磊
[1.中国石油大学（华东）机电工程学院；2．山东省无石棉摩擦材料技术研究推广中心]
摘要采用Ansys软件建立了等通道转角挤压的有限元模型，对不同模具角度条件下等通道转角挤压过程进行了模拟，获得了摩擦应力、试样与模具内部应力与应变随模具角度的变化。以AZ31镁合金为试验对象，进行了等通道转角挤压试验，对模拟分析结果与试验结果进行了对比。结果表明，等通道转角挤压过程中试样与模具表面会产生较大摩擦应力，导致试样与模具内应力与应变分布不均匀，摩擦应力、材料内部应力及应变随着模具角度增加而减小。挤压后AZ31镁合金微观组织被细化，理论分析结果与试验结果一致。
镁合金具有密度低、比强度高、比弹性模量大、散热性好、减震性好、承受冲击载荷能力强等优点，近年来在汽车、电子器件及航空航天等行业得到了广泛应用。现在常用的铸造镁合金存在一定的铸造缺陷，限制了其应用范围。因此，采用塑性成形工艺制备高性能镁合金成为研究热点。
等通道转角挤压(Equal Channel Angular Extru-sion，简称ECAE)与其他塑性变形工艺相比，可以通过纯剪切变形来细化材料的微观组织，具有挤压前后不改变试样形状、挤压过程可以多次重复进行、显著细化组织等一系列独特的优点，成为一种具有广阔应用前景的强烈塑性变形方法。ECAE制备超细晶材料，逐渐受到研究者的普遍关注并进行了大量的研究。虽然ECAE工艺已被证明在获得超细晶与高性能合金材料方面具备一定优势，但目前该工艺还没有规模工业化应用。一般采用加热进行多次试验的方法进行挤压，效率较低，且试验过程中经常出现由于摩擦应力过大导致的断裂及裂纹等现象，造成挤压失败。虽然有研究者采用有限元分析对ECAE进行了数值模拟，但对ECAE过程中摩擦应力随模具角度的变化还未见报道。因此，分析ECAE挤压过程中摩擦应力对挤压的影响，研究试样在挤压过程中的应力及塑性应变的大小分布，对快速制定不同材料的ECAE工艺，加速该工艺的实际应用具有积极意义。
本课题建立了多种有限元模型，对不同条件下的ECAE进行了有限元模拟，分析了模具角度变化对摩擦应力、试样变形及塑性应变等大小及分布的影响，并对AZ31镁合金进行了ECAE挤压试验，将试验结果与理论分析进行了对比验证，获得了摩擦应力、塑性应变、试样与模具内应力等随模具内角的变化规律。
1有限元分析模型建立及试验方法
1.1有限元模型建立
采用有限元分析软件Ansys建立等通道转角挤压的分析模型，试样及模具选用plane182单元，试样与模具接触面采用接触对单元target169与contact171单元。实际挤压时试样与模具表面润滑良好时摩擦因数一般在在0.1以下，故有限元模拟时试样与模具表面摩擦因数 μ设定为0.1。模具内角p变化范围为110°～130°，模拟时试样尺寸为100 mm×10 mm。通道内角p为120°时等通道转角挤压划分网格后的有限元分析模型见图1。
1.2试验材料
试验材料为AZ31镁合金棒材，其化学成分见表1。从棒材上切割的试样尺寸为10 mm ×10 mm×100mm，与有限元模拟尺寸一致。对试样进行表面处理后表面粗糙度Ra=0.8～3.2μm，挤压时表面涂覆润滑剂，试样与模具表面间摩擦因数约为0.1。
1.3试验方法
ECAE采用了不同通道内角的模具进行了挤压试验，模具通道横戳面尺寸均为10 mm ×10 mm。挤压时加热温度为300℃，加热时间为30 min。试样与模具达到加热温度与保温时间后，在液压万能试验机上对试样进行挤压。
2 结果分析与讨论
2.1 摩擦应力变化
模具内角p分别为110 °、120°与130°条件下试样与模具接触面间的摩擦应力大小及分布见图2。由图2a可以看出，在p为110°时，无论是在竖直通道还是在斜通道，试样与模具接触表面均存在较大的摩擦应力，竖直通道内最大摩擦应力值约为47 MPa，转角处最大摩擦应力值约为149 MPa。由图2b可以看出，在p为120°时，在竖直通道内试样与模具接触表面摩擦应力与110°时相比分布区域显著减少，摩擦应力大小也显著降低。竖直通道内最大摩擦应力值减小为23 MPa，转角处最大摩擦应力值约为118 MPa。由图2c可以看出，在p为130°时，在竖直通道内试样与模具接触表面仅存在部分区域产生了摩擦应力，且摩擦应力进一步降低，竖直通道内最大摩擦应力值减小为13.8 MPa，转角处最大摩擦应力值为159 MPa。由图2还可以看出，3种模具内角条件下，在模具转角处均发生摩擦应力集中现象。该处摩擦应力值显著大于其余区域摩擦应力值，且试样两侧摩擦应力方向相反。
有限元分析结果表明，模具内角p对摩擦应力的分布及摩擦应力的大小均有影响。在等通道转角挤压过程中，试样与模具接触表面会产生较大的摩擦应力。随着模具角度增加，竖直通道内摩擦应力分布区域面及应力值均减小，最大摩擦应力值出现在转角处。由等通道转角挤压可知，当试样在转角处发生剪切变形时，试样除了发生剪切塑性变形外，转角处试样内部产生一个较大的变形抗力，试样具有一个被压缩变粗的趋势，因此会产生一个由内至外的胀力。在试样下行过程中，在此胀力作用下试样表面与模具表面产生较大的摩擦应力。而试样在等通道转角挤压过程中，模具内角的改变会影响试样与模具接触间隙及所需挤压力大小的改变。挤压力与接触面积的变化导致摩擦应力随着模具角度的改变而发生变化。试样在发生剪切变形时，在剪切变形作用下由矩形变为平行四边形，因而试样上下表面塑性变形时流变速度不一致，试样下表面与上表面反向移动，导致试样两表面摩擦应力方向不一致。
为了验证摩擦应力对挤压的影响，采用内角p=110 °与120°模具在摩擦因数为0.1条件下对AZ31镁合金进行了等通道转角挤压试验。挤压后试样表面外观形貌见图3。由图3a可以看出，p=110°条件下试样上表面出现裂纹，p=120°时试样表面无裂纹产生。
试验采用A231镁合金的屈服强度为140 MPa，而由图2可知，p =110 °时挤压过程中转角处的最大摩擦应力为149 MPa，p=120°挤压过程中转角处的最大摩擦应力为118 MPa。p=110°最大摩擦应力值大于AZ31镁合金的屈服强度，而p=120°最大摩擦应力值小于AZ31镁合金的屈服强度，故p=110°时试样出现裂纹而p=120°时无裂纹出现。由模拟结果可知，p=110°时除转角处外其余区域摩擦应力值均小于镁合金屈服强度，故裂纹仅在试样上表面产生。试验结果与模拟结果一致。
2.2试样变形情况
图4为有限元模拟的试样在ECAE挤压过程中的变形情况。可以看出，试样在经过转角处后发生明显的剪切变形，划分的有限元网格沿剪切方向被拉长。试样前端存在翘曲现象，试样最下端由初始的直线变为弯曲形状，前端面形成一定弧度，经过转角后试样下端的上表面与模具之间出现一个小的间隙。由图3还可以看出，试样经过转角处后，试样内部变形不均匀，试样前端虽发生翘曲且形状变化较大，但试样前端内部网格被拉长的剪切变形量却较小，网格无明显变化。斜通道内转角处至试样前端翘曲段之间区域内部网格被剪切拉长变形现象较明显，且变形量基本一致。
对比图3与图4可以看出，经ECAE处理后试样的外观形状与模拟结果一致，试样前端出现翘曲现象，且试样下表面出现弯曲现象。图5为未经ECAE挤压处理与经不同道次挤压处理后A231的微观组织。由图5a可以看出，初始材料的晶粒比较粗大，晶粒晶界明显呈等轴分布。由图5b可以看出，经过ECAE处理后，试样晶粒明显细化，微观组织出现较多沿挤压方向分布的剪切带，晶粒出现沿剪切方向的拉长变形现象。结合图3～图5可以得出，理论分析结果与试验结果基本一致，表明可采用有限元模拟方法对等通道转角挤压中的问题进行预测与验证。
2.3应力变化
模具内角p分别为110 °、120°与130°条件下试样与模具应力分析见图6。由图6a可以看出，在110°时，试样内部应力分布较均匀，应力大小基本一致，试样内部应力大小约为600 MPa。模具内不同区域其应力大小不同，模具最大应力出现在模具斜通道试样下表面与模具接触的A区域，该区域应力大小约为600 MPa。外模具竖直通道与试样顶端接触区域及斜通道两侧B区域也存在较大应力，应力大小约为400 MPa，其余C区域应力大小约为200 MPa。由图6b可以看出，在120°时，试样内部应力分布不均匀，应力分布主要由两部分组成：在转角处及斜通道试样与模具接触的下表面区域应力大小约为648 MPa，其余区域应力大小约为518MPa。挤压过程中在模具内部产生较大应力的区域面积与110°模具相比有所减小，主要集中在斜通道两侧。转角处试样下表面与模具接触的Al区域应力值约为389 MPa，Bl与Cl区域应力大小分别约为259 MPa和130 MPa。由图6c可以看出，在130°时，试样内部应力分布也不均匀，应力分布与120°模具类似，主要由两部分应力组成，在转角处及斜通道试样与模具接触的下表面区域应力大小约为600 MPa，其余部分区域应力大小约为400 MPa。在模具内部产生较大应力的区域面积进一步减小，在转角处及试样最下端与模具接触A2区域应力大小约为400 MPa，B2区域应力大小约为200MPa。
由以上分析结果可知，随着模具内角p的增加，等通道转角挤压过程中试样及模具内应力大小及存在区域面积均发生变化。试样及模具内应力大小随模具角度增加有下降趋势，试样内应力随模具角度增加出现应力分布不均的现象，而模具内应力影响区域面积随着模具角度增加显著减小。由摩擦应力模拟结果可知，在等通道转角挤压过程中，试样表面与模具表面之间会产生较大的摩擦应力，且试样与模具内应力分布及大小变化趋势与摩擦应力随模具角度的变化趋势相一致，这说明摩擦应力影响了试样及模具内的应力分布，导致模具角度较小时模具内应力较大。而随着模具角度增加，摩擦应力分布区域与应力值减小，使模具与试样内应力分布与应力值相应减小。
2.4塑性应变变化
等通道转角挤压时，试样在经过转角后发生剪切塑性变形，而模具为弹性变形，无塑性变形产生。模具内角分别为110 °、120°与130°条件下试样等效塑性应变变化情况见图7。为了便于说明，将斜通道内试样的等效塑性应变由底部到顶部分4个区域。4个区域分别为：试样底部的A区域，靠近试样底部的B区域，靠近试样顶部的C区域和试样顶部的D区域。由图7可以看出，在3种模具角度情况下，应变分布规律类似，试样内部塑性应变在不同区域大小不同。试样应变大小由A到D区域逐步增大，靠近试样顶部的D区域等效应变最大。由图7还可以看出，在模具内角p=110°时竖直通道内试样上端有塑性应变产生，但在其余模具角度该部位无塑性应变产生。4个区域等效塑性应变随模具内角的变化见图8。由图8可以看出，随着模具内角p增加，试样内部等效塑性应变逐步减小。
当试样与模具表面处于理想状态无摩擦应力时，试样内部应变不均匀是由于试样在经过转角发生剪切变形时，试样上下表面塑性流动速度不一致，试样内部变形量不均匀，导致试样内部等效应变不均匀。等效应变随模具角度增加而逐渐减小，这与等通道转角挤压剪切应变的计算结果相一致，等效应变的计算公式为：
式中， Ψ为模具外角角度。由上式可以计算出，当模具内角p增加时，试样内部的等效应变增加。但该公式未考虑摩擦应力的影响，故存在一定的局限性。由图7a可知，试样在竖直通道最上端处虽还未发生剪切变形，但该处仍存在较大应变，这是因为当模具内角较小时，竖直通道内也分布有较大的摩擦应力。试样在向下移动过程中，在摩擦应力作用下导致试样在竖直通道内产生一定的塑性应变。而实际进行挤压时，由于摩擦应力的存在，导致试样表面在进行等通道转角挤压时，试样与模具接触表面在摩擦力作用下产生粘滞效应，阻碍了试样表面的金属流动，加剧了试样表面等效应变与试样心部应变量的不均匀程度。因此，实际进行等通道转角挤压时，应采用较小摩擦因数的试样和模具，以保证晶粒细化效果的均匀性。
3 结 论
(1) ECAE挤压过程中试样与模具接触表面会产生较大的摩擦应力，摩擦应力的分布区域面积与摩擦应力的大小随着模具角度的增加而逐步减小，最大摩擦应力出现在转角处。
(2)试样在等通道转角挤压过程中，试样前端发生翘曲，内部网格剪切变形不均匀，对AZ31镁合金进行等通道转角挤压试验后试样变形与有限元分析结果一致。通过微观组织分析可观察到晶粒组织被细化，且存在大量的剪切变形带。
(3)摩擦应力对试样及模具内应力的大小及分布产生影响，模具内角越小，模具内应力分布区域与应力值越大，试样内塑性应变大小随模具内角增加而减小，塑性应变由于摩擦应力影响而在试样内部分布不均匀。
