本源文秘网为您提供优质参考范文! 思想汇报 党建材料 疫情防控 自查报告 谈话记录 扫黑除恶
当前位置:首页 > 范文大全 > 公文范文 >

纯镁粉末坯往复挤镦的数值模拟及实验研究

时间:2022-11-15 21:10:18 来源:网友投稿

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50974058)

作者简介:陈振华(1945-),男,江西南昌人,湖南大学教授,博士生导师

摘要:采用DEFORM-2D有限元软件对纯镁粉末多道次往复挤镦块体机械冶金过程进行有限元模拟,分析了往复挤镦过程中的流场、应力场及应变场等相关场量变化规律模拟结果表明:挤压段材料纵向流动,镦粗段材料横向流动,流速和流向的不一致形成强烈的交替剪切效应,且试样的主变形区域处于三向压应力状态试样的等效应变呈不均匀分布,但应变的均匀性随着往复挤镦道次的增加而有所改善3道次往复挤镦实验结果表明:试样产生显著的条带状组织,主变形区强烈的剪切力将原镁粉表面的氧化物和其内部的孔隙破碎,形成强烈的致密效应,相对密度接近098,组织上达到了良好的冶金结合

关键词:镁粉末;往复挤镦;数值模拟;冶金结合

中图分类号:TG376.2文献标识码:A

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.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

为此,针对上述问题,本文作者采用DEFORM2D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

11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

13模拟结果及讨论

131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27 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1 mm/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

(a) 挤压开始

(b) 挤压结束

(c) 镦粗开始

(d) 镦粗结束

132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

133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]

(a) 挤压阶段开始

(b) 镦粗阶段开始

(c) 挤压阶段结束

(d) 镦粗阶段开始

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150 μm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Φ120 mm

×50 mm变形前将模具与试样均预热至450 ℃,保温05 h,使试样受热充分均匀,本实验在630 t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098,已接近完全致密,达到冶金结合的效果

(a)挤压阶段

(b)镦粗阶段

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098,接近完全致密,达到冶金结合的效果

参考文献

[1]陈振华镁合金[M]北京:化学工业出版社,2004:430-435

CHEN Zhenhua Magnesium alloy [M] Beijing: Chemical Industry Press, 2004:430-435(In Chinese)

毛卫民,闫时建.半固态AZ91D镁合金的触变性[J] 金属学报,2005,41(2):191-195

MAO Weimin, YAN Shijian Thixotropic properties of semisolid AZ91D magnesium alloy [J] Acta Metallurgical Sinica, 2005,41(2):191-195 (In Chinese)

YASUMASA C, MAMOR U M, GEN I The solid regenerative circulation of leftover bits and pieces of magnesium alloy[ J]Materia, 2004, 43(4):270-273

[4]CHINO Y, KISHIHARA K, SHIMOJIMA K, et al Superplasticity and cavitation of recycled AZ31 magnesium alloy fabricated by solid recycling process[J] Mater Trans, 2002, 43: 2437-2442

WANG Jianyih, LIN Yingnan, CHANG Tienchan, et al Recycling the magnesium alloy AZ91D in solid state[ J] M ater Trans, 2006, 47: 1047-1051

CHINO Y, HO SHIKA T, LEE J S, et al Mechanical properties of AZ31 Mg alloy recycled by severe deformation[J] J Mater Res, 2006, 21: 754-760

KONDOH K, LUANGVARANUNT T, AIZAWA T Morphologyfree processing of magnesium alloys[J]Mater Trans, 2001,42:1254-1257

吉泽升日本镁合金研究进展及新技术[J]中国有色金属学报,2004,14 (12):1977-1984

JI Zesheng Research process and new technology of magnesium alloy in Japan[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2004,14 (12):1977-1984 (In Chinese)

KNDOH K, AIZAWA T Environmentally benign fabricating process of magnesium alloy by cy clical plastic working in solid state[ J]Mater Trans, 2003, 44(7) : 1276-1283

[10]周明智,薛克敏,李萍,等粉末多孔材料等径角挤压热力耦合有限元数值分析[J]中国有色金属学报,2006,16(9):1510-1516

ZHOU Mingzhi, XUE Kemin, LI Ping, et al Coupled thermomechanical finite element analysis of metal with porosities during equal channel angular pressing process[J] The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2006, 16(9): 1510-1516 (In Chinese)

[11]刘心宇,张继忠,占美燕,等 粉末体成形的有限元数值模拟[J]中南工业大学学报,1999,30(3):199-202

LIU Xinyu, ZHANG Jizhong, ZHAN Meiyan, et alThe finite element numerical simulation of the powder [J] J Cent South Univ Technol, 1999,30(3):199-202 (In Chinese)

DORAIVELU S M, GEGEL H L, GUNASEKERA J S, et al A new yield function for compressible P/ M material[J] Int J Mech Sci, 1984, 26( 9/ 10):527-535

[13]AVEDESIAN M M ASM specialty handbookmagnesium and magnesium alloys[C]//Metals Park, OH, USA: ASM,1999:1

[14]荣莉,聂祚仁,杜文博,等中国镁业发展高层论坛专题报告文集[R]北京:中国有色金属工业协会镁业分会,2004:122

RONG Li, NIE Zuoren, DU Wenbo, et al Dissertation corpus of forum for china magnesium industry development[R] Beijing: Chinese Magnesium Association, 2004: 122 (In Chinese)

[15]LIN Jinbao,WANG Qudong,PENG Liming, et al Study on deformation behavior and strain homegeneity during cyclic extrution and compression[J]Mater Sci,2008(43):6920-6924

[16]LIU Ying, LI Yuanyuan, ZHANG Datong, et al Microstructure and properties of AZ80 magnesium alloy prepared by hot extrusion from recycled machined chips[J] Trans Nonferrous Met Soc China, 2002,12(5):882-885

[17]吉泽升 固相合成AZ91D镁合金的组织和性能[J] 中国有色金属学报,2006,16(12):2010-2014

JI Zesheng Microstructure and properties of AZ91D magnesium alloy by solidstate recycling[J]The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2006,16(12):2010-2014 (In Chinese)

推荐访问:往复 数值 实验研究 模拟 镁粉