纯镁粉末坯往复挤－镦的数值模拟及实验研究＊

陈振华，王金海，李 林，陈 鼎，苏 海

（湖南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410082）

镁合金密度低，比强度和比刚度较高，阻尼减震效果佳，被广泛应用于汽车、航空、航天和家电等领域.而镁的冶炼属于高能耗型，且镁合金产品的生产主要是以压铸和触变性为主[1－2]，在成形过程中会产生大量的废料如流道、浇道以及机加工的切削和边角料等.目前处理这些边角废料主要是采用重熔精炼法，缺乏安全性且成本高.因此，发展固态回收镁合金废料的方法具有重要的意义.近年来镁合金固态回收技术得到了广泛的研究[3－7].

日本东京大学研究开发出反复塑性加工的固态回收方法[8].该方法是将镁合金切削料或粉末填充到模具内，经过单纯的压缩变形后再进行挤压变形，两种方式反复进行，使镁合金粉末充分搅拌混合和均匀化，在不断的反复过程中，粉末固化到一起，晶粒得到细化，最终得到具有微细组织的材料[9].但通常这种方法是在常温下多道次进行的，镁合金粉末很难发生再结晶，其组织仅仅是机械结合在一起而并没有达到冶金结合.为了改善粉末制品的冶金质量，本文通过在往复塑性加工过程中引入一个温度场，制定了一个往复挤－镦（CEU）的工艺，其变形过程示意图如图1所示.但是往复挤－镦变形过程非常复杂，是一个涉及几何非线性、材料非线性和边界条件非线性的复杂问题.

图1 往复挤－镦工艺的示意图Fig.1 Schematic illustration of cyclic extrusion－upsetting

为此，针对上述问题，本文作者采用DEFORM－2D有限元软件模拟纯镁粉末坯的往复挤－镦块体机械冶金过程，分析材料往复挤－镦过程中的流动行为、应力、应变等相关场量分布及变化规律，旨在为深入研究纯镁粉末坯往复挤－镦变形工艺提供理论指导和现实依据.

1 往复挤－镦有限元模拟

1.1 粉末体材料的屈服准则限元列式

粉末体是一个非连续体，但是非连续介质力学的基础目前还很不完善，因此目前还是将粉末材料视为“可压缩的连续体”，采用连续体塑性力学理论来研究粉末的塑性变形[10－11].

对于相对密度较高的粉末体压缩材料（相对密度R＞0.7），本文采用Doraivelu屈服准则[12]：

式中J1和J′2分别为应力张量及应力偏张量的第一、第二不变量；A＝2＋R2；B＝1－A／3；δ＝2R2－1；σ0和σR分别为基体和粉末材料屈服应力，相应的粉末流动本构关系：

式中dεij为塑性应变增量分量，i，j＝x，y，z；d¯εR为等效塑性增量；σij为应力分量.

粉末体在压缩过程中，忽略其弹性变形，采用有限单元将粉末体离散后，利用虚功率原理可建立其可压缩性刚粘塑性有限元列式为：

式中：N为单元的形函数矩阵；B为单元的几何矩阵；v为节点虚速度列阵；D为反映材料性能关系的对称矩阵；及性能关系矩阵D都是和材料的相对密度有关.

1.2 往复挤－镦变形有限元模型的建立

由于初始坯、模具和顶杆皆为轴对称图形，将实体模型简化为二维轴对称问题来处理，网格模型如图2所示.以纯镁粉末为原料，经300℃热压制成压坯（相对密度约为0.8），试样尺寸为φ18mm×10mm，采用4节点平面四边形等参单元对初始坯进行离散，共得到3 000个单元，相关的材料常数都是温度的函数，应用ASTM标准数据输入[13]，采用荣莉等人[14]关于纯镁热压缩变形的流变应力方程：˙ε＝ 1 7.8[sinh模具和顶杆设为刚体，与初始坯温度（450℃）相同，模具过渡的倒角φ＝45°，挤压比λ＝2.25.环境温度20℃，功热转换系数β＝0.9，摩擦系数f＝0.5，冲头运行速度约1mm／s.

图2 往复挤－镦的初始有限元网格模型Fig.2 Initial model of cyclic extrusion－upsetting

1.3 模拟结果及讨论

1.3.1 流场

图3所示为初始粉末坯往复挤－镦第1道次过程中的流场速度分布图.从图3（a）～图3（d）分别是不同阶段的金属流动速度场，其中，图3（a），图3（b）为挤压阶段，图3（c），图3（d）为镦粗阶段.从图3（a）可看出，初始坯在顶模的压力作用下开始发生常规正挤压变形，材料纵向流动；顶模运行速度为1 mm／s，由于摩擦的存在，试样内部出现了显著的流速梯度，中心的流速高于表层的流速，约为2.7 mm／s.从图3（b）可看出，顶模运行至颈缩区上端面停止，挤压结束.从图3（c）可看出，顶模固定在A处，底模以1mm／s向上运行，试样开始镦粗，产生横向分量的流动.从图3（d）可看出，随着底模继续运动，试样继续镦粗并逐渐充满整个型腔.由此可以看出，试样完成挤－镦1个道次过程中，试样内部产生了交替的纵向和横向流动，有利于促进材料的均匀变形.

图3 CEU 1道次过程的流场分布图Fig.3 Velocity distribution during CEU processiong

1.3.2 应力场

图4所示为试样往复挤－镦第1道次过程中的等效应力分布图.其中图4（a）为挤压阶段；图4（b）为镦粗阶段.由图4可以看出，试样的挤压段和镦粗段都具有强烈的剪切区.强烈的剪切力能有效破碎粉末颗粒表面的氧化物及内部孔隙，形成新生的颗粒表面，有利于促进粉末多孔材料的致密化从而达到冶金结合.另外，由图4（c），图4（d）还可以看出，在往复挤－镦过程中，试样的主变形区域受到三向压应力，有效抑制裂纹的萌生，这对发挥粉末多孔材料的塑性成形是非常有利的.

1.3.3 应变场

图5所示为试样往复挤－镦第1道次的等效应变分布图.由图5（a），图5（b）可知，试样的等效应变量由表及里逐渐减小，从中心向两端也逐渐减小.由于材料在流动过程中要受到周围对其的阻碍作用，而在模壁附近的材料在流动中受到的摩擦阻力最大，因此等效应变量最大.而镦粗段试样中心区域由于受到较大的静水压力作用，也获得了较大的等效应变量（见图5（b））.由图5（c），图5（d）可以看出，经过往复挤－镦3道次后，由于较高的累积塑性应变量，试样均匀应变区的长度有所增加.由此表明随着往复挤－镦道次的增加，试样内部的均匀变形性有所改善[15].

图4 CEU过程试样的等效应力分布图Fig.4 Equivalent stress distribution in the workpiece during CEU

图5 往复挤－镦不同道次后试样内的等效应变分布图Fig.5 Equivalent strain distribution in the workpiece after CEU with different pass

2 往复挤－镦实验

实验所用初始粉末为纯镁切削废料，如图6所示，初始镁粉末的粒度在150μm左右，采用石墨－机油润滑以减小摩擦，在室温下压实，然后在300℃下经机械压制成圆柱形压坯，试样尺寸为Φ120mm×50mm.变形前将模具与试样均预热至450℃，保温0.5h，使试样受热充分均匀，本实验在630t的四柱液压机上进行.图7所示为往复挤－镦1道次试样的光学显微组织，从图7可以看出，试样内部存在少量微孔隙.

图6 原始纯镁粉末Fig.6 Initial pure magnesium powder

图7 往复挤－镦1道次试样的光学显微组织Fig.7 Microstructure of workpiece after CEU 1pass

图8所示为往复挤－镦3道次试样的光学显微组织，由图8（a）可以发现清晰的挤压变形流线和条带组织，挤压阶段，试样产生正挤压变形，颗粒沿轴向方向拉长.由图8（b）可以看出，镦粗阶段，颗粒沿径向方向压缩.试样在反复的挤压剪切和镦粗压缩过程中，试样内部的孔隙得到有效的破碎，加速试样的致密.而镁在空气中容易氧化，镁粉表面生成的氧化层将会阻碍粉末间的结合与进一步的致密[16].由图8（b）还可以看出，颗粒表面的氧化层在强烈的剪切作用下被挤出变细并形成了外加的第二相均匀分布在颗粒界面上[17]，而新生的颗粒界面逐渐微细化并在镦粗过程强烈的压力作用下焊合在一起，形成颗粒间的“吞噬”现象，出现了颗粒的部分长大.试样往复挤－镦3道次，由于塑性应变量的累积，获得了较高的累积应变量从而更进一步促进了组织的致密.经排水法测得试样的相对密度达到0.98，已接近完全致密，达到冶金结合的效果.

图8 往复挤－镦3道次试样的光学显微组织Fig.8 Microstructure of workpiece after CEU 3passes

3 结 论

1）纯镁粉末多道次往复挤－镦块体机械冶金是挤压与镦粗变形的循环交替结合过程，总是存在一对剪切力.该剪切力能有效地破碎粉末颗粒表面的氧化层与其内部孔隙，形成新生的表面，在压力作用下，新生的表面重新焊合在一起，从而促进组织的致密.

2）试样往复挤－镦过程中，挤压阶段等效应变量由表及里逐渐减小；镦粗阶段由中心向两端逐渐减小，随着挤镦道次的增加，其应变均匀性得到有所改善.

3）往复挤－镦工艺强烈的交替剪切效应对粉末多孔材料具有强烈的致密效果，能极大的焊合内部孔隙.纯镁粉末多孔材料在450℃往复挤－镦3个道次后，相对密度达到0.98，接近完全致密，达到冶金结合的效果.

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