新型等径角挤压工艺下的5052铝合金变形行为的有限元模拟

董蔚霞，王晓溪，夏华明，朱珍

（徐州工程学院机电工程学院，江苏徐州 221018）

随着材料科学技术的发展和加工工艺的日趋完善，块体超细晶材料因其具有优良的力学性能和物理性能，特别是在不断更新换代的电子产品中的广泛应用，备受材料界的重视，成为当前材料学领域的研究热点之一［1—3］。在众多制备块体超细晶材料的工艺方法中，大塑性变形工艺因其能够制备出大块、致密材料且无污染、成本低廉等优点，被公认为是最行之有效的方法［4］。等径角挤压（Equal channel angular pressing，ECAP）是一种典型的大塑性变形工艺，它在不改变坯料的横截面积和截面形状的前提下［5］，使得坯料在转角处受到剧烈的纯剪切变形，从而使晶粒得到细化。然而，该工艺通常需要多道次重复挤压才能获得更大的累积应变量，进而使位错重排以得到超细晶组织［6—7］，如此反复投放、提取坯料，不仅导致挤压效率低下、增加成本、不利于工业上的大批量生产模式，而且使材料的有效利用长度大大降低。

为了弥补ECAP工艺上的不足，文中在传统ECAP工艺的基础上，提出了一种更为有效、细晶能力更强、材料有效利用长度更大的新型大塑性复合变形技术，即正挤压-等径角挤压工艺（Forward extrusion-equal channel angular pressing，FE-ECAP），并借助于大型商业模拟分析软件DEFORM-3D，对5052铝合金在室温条件下的变形行为进行模拟分析，获得了挤压变形过程中挤压载荷、等效应变、金属流动速度等场量的分布规律。以上这些研究将对发展新型复合大塑性变形技术、优化模具结构以及高效率制备块体超细晶材料具有重要的指导意义。

1FE-ECAP工艺原理

FE-ECAP工艺综合了FE和ECAP两种变形工艺的特点，其工艺原理如图1所示。在传统ECAP模具通道入口处增加一段横截面面积更大的正挤压入口通道，在外力作用下，坯料从模具的入口通道被挤入，经过挤压模口进入竖直通道，紧接着通过模具转角，最后从水平通道中平稳挤出。在整个变形过程中，由于坯料首先在挤压模口处发生一次剧烈的塑性变形，有效长度大大增加，材料原始晶粒也得到一定程度的细化。随后，坯料在模具转角部位发生第二次剧烈的纯剪切变形，组织得到进一步细化。虽然经过两次剧烈的塑性变形，但是坯料并没有产生破坏，且经过两次塑性变形后累积大量的应变量，有利于获得均匀的超细晶组织［8—9］。由此可见，FE-ECAP工艺在能够获得块体超细晶材料的前提下，同时也实现了“一次挤压，两次变形，有效长度增加”复合变形的目的。与传统ECAP工艺相比，FE-ECAP变形工艺挤压效率高，模具结构简单，变形复合连续，有利于实现工业化的广泛应用。

图1 FE-ECAP工艺原理Fig.1 Principle of FE-ECAP

2 5052铝合金FE-ECAP变形过程的有限元模拟

2.1 有限元模型的建立

在三维造型软件Pro/E中完成实体建模并经完整装配，导入到DEFORM-3D中进行模拟。坯料原始尺寸为φ30 mm×20 mm，材料为5052铝合金，变形温度为室温（20℃），变形速度为2 mm/s。本次模拟网格划分采用四面体单元，划分单元数量为15 000。图2为有限元网格划分示意图，为防止变形过程中因网格发生严重畸变而破坏坯料、阻止变形，将网格设置成自动重划分模式［10—12］。模具和冲头都设为刚性材料，两者之间除了在变形中因接触而产生摩擦外并不发生塑性变形，接触摩擦设为常剪切摩擦，摩擦因子为0.12。模具的内、外转角角度分别为φ=90°，ψ=90°;入口通道为 φ30 mm×20 mm，竖直通道为 φ15 mm×30 mm，水平通道为 φ15 mm×100 mm。

图2有限元网格划分Fig.2 Mesh in FEM

2.2 FE-ECAP模拟结果及分析

2.2.1 挤压载荷分析

图3是室温条件下5052铝合金在FE-ECAP工艺复合挤压变形过程中的挤压载荷-行程曲线。可以看出整个变形过程分为4个阶段，即快速增加阶段Ⅰ、快速增加阶段Ⅱ、急剧下降阶段Ⅲ、稳定变形阶段Ⅳ，图4是FE-ECAP变形过程示意图。

图3 挤压载荷-行程曲线Fig.3 The extrusion load-stroke curve

图4 FE-ECAP变形过程示意Fig.4 Deformation process of FE-ECAP

1）快速增加阶段Ⅰ:该阶段在外力的作用下坯料依次通过挤压模口，挤压载荷随着行程的增加而增大，挤压行程接近20 mm时载荷达到262 kN，第一个峰值出现。这是因为坯料在冲头的的作用下首先发生镦粗变形，向四周膨胀直至与挤压筒内壁完全接触，此后，坯料受到来自冲头和挤压筒内壁的三向压应力，开始不断进入到竖直通道中，并在模口部分发生剧烈塑性变形。

2）快速增加阶段Ⅱ:该阶段入口通道内的坯料逐渐减少，坯料所受的三向压应力和摩擦力也随之减小，因此在极短行程内挤压载荷出现下降现象。然而，由于坯料逐渐通过模具转角时受到剧烈的剪切作用力，挤压载荷很快又随着行程的增加而逐渐增大，直到第2个挤压载荷峰值的出现，此时的峰值为347 kN，也是整个挤压过程载荷最大值。

3）急剧下降阶段Ⅲ:随着变形的继续，坯料逐渐离开挤压模口进入竖直通道和水平通道，此时坯料所受的三向压应力和摩擦力不断减小，挤压载荷随着行程的增加而不断下降。

4）稳定变形阶段Ⅳ:此时坯料已完全离开挤压模口进入竖直通道和水平通道，仅发生ECAP变形，相比前3个阶段，坯料此时受力较均匀，变形较稳定，由于摩擦力的存在，挤压载荷呈现微小波动，基本保持不变。

2.2.2 等效应变的分析

等效应变的大小和分布状况能够反映出材料塑性变形的累积效果，在一定程度上它与材料内部细化和变形均匀的程度密切相关［13—15］。图5为不同变形阶段坯料中心纵截面的等效应变分布图。从图5可以看出，FE变形阶段，在来自冲头和通道内壁的三向压应力的作用下，使得坯料在挤压模口处能更好地发生剧烈的塑性变形，变形较均匀，等效应变呈现出较小的梯度分布，应变值由外到内依次递减。在FEECAP变形阶段，坯料通过模具转角，在模具转角的剪切作用下，坯料头部变形出现翘曲现象。此时，在转角附近的等效应变呈现明显的层状分布，并且等效应变值从上到下依次减小。随着变形的继续，已完成FE和FE-ECAP变形的坯料进入完整的ECAP变形阶段，此阶段坯料变形相对平稳，如图5c所示，变形坯料的等效应变梯度明显减小，坯料整体变形均匀性得到显著提高，内部形成了一个大而均匀的主要变形区，坯料内部所累积的平均等效应变约为2.27。

图5 各阶段变形坯料的等效应变分布Fig.5 The distribution of the equivalent strain of the deformed billets at different stages

为了更清楚地表示坯料内部各质点在FE-ECAP过程中的变形效果，在最终变形坯料的主要变形区内，分别沿AB，CD，EF截取中心横截面的9个不同节点进行分析，如图6中心横截面的放大图所示，3个截面上各跟踪点等效应变的大小如图7所示。从图7中可以发现，3个截面上，9个节点的等效应变值变化趋势基本一致，变化曲线在多个点处出现重叠现象，由此可见，每个节点在不同截面上其值变化不大，从而形成了一个大而均匀的主要变形区。

图6 横截面（放大）跟踪点的选取Fig.6 The tracking point on the cross section（enlarged）

图7 各点等效应变大小Fig.7 The equivalent strain of the tracking points

纵观这9个节点的等效应变值，最大值（P1）为2.85，最小值（P2）为2.29，两者相差甚微。由此可见，经过FE-ECAP变形后，等效应变大量累积，使得主要变形区达到了高度均匀的变形状态。为保证所获取的超细晶材料组织稳定、性能优越，并具有工业使用价值，应尽可能地提高坯料变形的均匀性。

2.2.3 速度场的分析

由图8可以看出，坯料在挤压模口附近的速度呈明显的梯状分布，速度值由上到下依次增加。而坯料在转角处的速度呈较小的梯状分布，并且内转角处的速度值明显小于外转角处的速度值，靠近转角部位的坯料在竖直通道内与在水平通道内的速度值相等，大小分布非常均匀，由此可见，此时坯料的变形较稳定。由图9中的表面速度矢量图可以看出，金属质点在不同部位速度方向发生微小变化，在挤压模口向竖直通道过渡阶段，坯料尾部的速度方向各异，但是从整体来看，速度方向基本与主流方向一致。

图8 中心纵截面速度分布Fig.8 Velocity distribution on longitudinal section

图9 坯料表面速度矢量分布Fig.9 Outer surface-velocity distribution on longitudinal section

3 结论

1）将5052铝合金在室温条件下的FE-ECAP挤压变形过程划分为4个阶段，即快速增加阶段Ⅰ、快速增加阶段Ⅱ、急剧下降阶段、稳定变形阶段。

2）在模具转角的剪切作用下，坯料头部变形出现翘曲现象，在最后的ECAP变形阶段，变形坯料的等效应变梯度明显减小，坯料整体变形均匀性得到显著提高，内部形成了一个大而均匀的主要变形区。

3）金属流动速度与坯料所处位置有关，挤压模口内部金属流动速度较外表面的大，且分布不均，坯料在转角处的速度呈层状分布，并且内转角处的速度值明显小于外转角处的速度值，但是整体上速度与主流方向是保持一致的。

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