本文是一篇模具毕业论文，本文通过有限元模拟对缩环旋转挤压成形技术的载荷分布、等效应力应变分布和金属流动分布进行分析。结果表明：由于变形过程中不同区域的金属受到摩擦力以及剪切作用的影响，载荷变化规律主要分为三个阶段：载荷迅速增加阶段、载荷缓慢增长阶段以及载荷平稳阶段。
1 绪论
1.1 引言
随着全球经济的快速发展，环境、能源及资源等问题日益紧张。资源的逐步耗竭使 得越来越多的国家开始着力开发各种新型及可回收材料。其中，镁及镁合金作为一种资源丰富，且可回收利用的材料受到了更加广泛的关注。镁在地球上数量丰富，地球上 0.14%的海水都是镁，且地壳的 2%都是镁，且每立方米的海水中就可以提炼处一公斤以上的镁。因此镁可以称为“取之不尽，用之不竭”的金属材料[1-3]。
镁作为轻质金属材料中最轻的材料之一（镁的密度为 1.738g/cm3，约为铝（Al）密度的三分之二，钢密度的九分之二），镁及其合金具有比刚度高、比重轻、 比强度高、电磁屏蔽性强、减振性好、资源丰富及可回收等优点[4]，被誉为― 21 世纪最具开发和应用潜力的绿色金属材料‖[5]。虽然镁合金的具有以上优势，但镁及其合金的应用仍然大大的落后与钢铁以及铝及其合金。近年来对于轻量化以及环保的要求的不断提高以及全球资源的日益紧张，镁及镁合金逐步进入人们的视线并产生了极大的兴趣。人们也逐渐认识到对于镁及镁合金在汽车、交通等民用行业以及航空航天工业等行业的需求在不断的增加。新材料的开发及应用、结构优化设计和先进的制造技术上的不断进步会直接推动产品轻量化的不断发展。镁及其合金作为一种典型的轻质合金材料，镁合金以其独特的优势已广泛用于航空、航天器中的各种各样重要组件当中。由于大多数镁合金是密排六方结构（Hexagonal Close-packed Structure，HCP）[6]，其单胞内原子的主要晶面和晶轴方向分布如图 1-1 所示。如表 1-1 所示，镁合金的可利用滑移系少（主滑移面为基面（0001））、结构对称性低，导致塑性加工难度大；同时镁化学活性很强，易氧化、耐腐蚀性差、铸造性能差等缺点，成为阻碍其推广应用的一大障碍。正是由于镁合金的密排六方结构，其一直被认为是难以塑性变形、压力加工成型的金属材料[7]。
1.2 变形镁合金
相对于铸造镁合金在在铸造后会产生成分偏析等缺陷，变形镁合金构件成形后的性能是明显优于铸造镁合金的，所谓的变形镁合金是指通过塑性变形加工后的镁合金 [8]。上世纪四十年代伊始，变形镁合金已经在民用和军工产业有了广泛的应用。故，随着世界镁行业的发展，变形镁合金的研究技术受到了广泛的关注，并且也已经有很多的成果产出。由图 1-2 可以明显的看到，铸造镁合金的性能远远不及变形镁合金的性能。并且变形镁合金的组织均匀性明显好于铸态，铸造镁合金产生的枝晶偏析等缺陷也会随着变形得到明显消除。并且变形之后的镁合金构件的组织与性能，也可以通过热处理工艺进一步调控组织与性能，从而更好的对变形镁合金构件的应用与发展起到促进作用。
1) 镁-锂系合金：镁锂合金是目前最轻质的金属结构材料。随着合金密度的降低和锂含量的增加，锂在镁中的添加导致镁特性的特殊变化。Mg-Li 合金主要用于航空航天和民用部件的应用，如计算机外壳材料、人造卫星和飞机部件。
2) 镁-锰系合金: 这种合金耐腐蚀性高，无电压腐蚀倾向，焊接能力好。它可以处理到各种规格的管道，棒，轮廓和锻造构件，其板可用于飞机，墙板和内部部件，模铸件可以制成复杂的组件，管道主要用于汽油，润滑油和其他管道系统。
3) 镁-铝-锌-锰系合金:的合金系统主要包括 AZ31、AZ61、AZ80 等。这些合金在室温下具有良好的机械性能和焊接性能，可用于制造飞机、舱口、壁板和导弹等内部部件的铸件和变形镁合金构件。
2 实验材料和方法
2.1 实验材料
实验过程中所使用的合金材料为山西银光光华镁业股份有限公司提供的商用AZ31B 镁合金铸棒。其具体的化学成分如表 2-1 所示。初始的铸棒的尺寸为φ330mm×400mm，，之后通过线切割仪器加工为外径φ201mm、内径φ167mm、厚度为 90mm 的圆环试样，之后对坯料进行车工内、外径各自单边车去 0.5mm，确保坯料精度，减小坯料和模具之间的摩擦，之后用于缩环旋转挤压实验。
2.2 实验方法
2.2.1 均质化固溶处理
因为铸态的 AZ31B 镁合金中存在铸造内应力和大量的成分偏析，为了使微观组织均匀，防止在变形过程中产生开裂等缺陷，需要对材料进行均质化固溶处理。将线切割后的试样放入电阻加热炉中进行均匀化处理，通过查阅相关文献[40-42]得到相应的均匀化条件是 400℃×12h，均匀化后将试样空冷到室温，等待之后物理实验。
2.2.2 有限元模拟
数值模拟分析法是目前最常用得塑性成形得研究方法之一，主要是在最为理想化的条件下通过计算机将成形过程进行模拟，通过计算机演示将变形过程中的各个阶段的变形情况，分析试验方案的可行性，对之后的物理实验起到一定的指导作用。Deform-3D V11.2 软件作为一种常用的体积成形的塑性成形分析软件，其主要适用于块状坯料的各种变形方式的模拟。
将 AZ31B 合金的热压缩方程得到的本构方程导入到 Deform-3D V11.2 软件中获得AZ31B 的材料模型，为之后进行有限元模拟变形奠定基础。
3. 缩环旋转挤压成形有限元模型.................18
3.1 引言 ........................... 18
3.2 DEFORM 模拟 ................. 19
4. 不同变形参数下缩环旋转挤压成形规律有限元模拟分析..................31
4.1 引言 ....................................... 31
4.2 变形参数 .................................... 31
5. 缩环旋转挤压模具设计及 AZ31 镁合金微观组织分析...................47
5.1 引言 ......................... 47
5.2 缩环旋转挤压成形模具结构设计 ........................ 48
5 缩环旋转挤压模具设计及 AZ31 镁合金微观组织分析
5.1 引言
大塑性变形技术作为国际材料科学界中被认为是获得超细晶合金最有效且最优潜力的方法之一。对于镁合金这种层错能较低的合金来说，细晶强化对于镁合金性能改善远高于同时密排六方结构的铝合金。但是由于镁合金室温条件下的塑性变形以基面滑移为主，只有 3 个独立的滑移系统，不足以满足 Von Mises 准则。研究人员研究表明，晶粒细化后的变形镁合金，其内部的孪生等变形方式受到抑制，但合金内部的独立滑移系增加，变形协调能力增强，同时镁合金强度和塑性都会得到提高，对于 AZ31B 镁合金来说，细晶强化是镁合金强化的主要方法[51]。
在纯镁中添加 Al、Zn 等元素可以显著改善合金的可加工性能，在添加范围合理的情况下，镁合金的抗拉强度随 Al、Zn 含量的增加而提高。当 Al、Zn 含量达到 3wt%（质量分数）时，合金的延伸性最高，但当 Al、Zn 含量超过 3wt%时，镁合金会有大量第二相析出，但是此时镁合金可加工性能较差。AZ31 镁合金作为一种常用的锻造镁合金，具有良好的延展性，但在实际的镁合金应用中，其强度低，且第二相含量低，并且通过热处理很难改善其性能。AZ31B 镁合金主要用于制造汽车零部件、壳体以及通讯设备。由于该合金基本不含第二相，故 AZ31 镁合金的主要强化方式是细晶强化。
结论
本文以商用 AZ31B 镁合金为研究对象，提出了缩环旋转挤压大塑性变形工艺，并成功挤压出符合工艺要求的构件。结合有限元仿真模拟分析与相关的组织性能分析，研究变形构件的变形特征、显微组织以及织构和显微硬度变化。主要的结论如下：
(1) 通过有限元模拟对缩环旋转挤压成形技术的载荷分布、等效应力应变分布和金属流动分布进行分析。结果表明：由于变形过程中不同区域的金属受到摩擦力以及剪切作用的影响，载荷变化规律主要分为三个阶段：载荷迅速增加阶段、载荷缓慢增长阶段以及载荷平稳阶段。
(2) 在同一截面处金属的等效应力应变的分布规律与 ECAP 分布规律相似，且由于旋转运动产生的剪切作用的影响，金属的等效应变存在着沿竖直方向的梯度差，但金属的等效应变在厚度方向分布均匀，变形后在试样的拐角处存在一定的应力集中现象。金属网格流动特征与其速度矢量变化基本一致，金属流动速度均匀，无金属对流现象。并且在缩环旋转挤压成形过程中金属的流动方向大致呈螺旋状流动。
(3) 通过单一变量法对缩环旋转挤压成形技术进行模拟，结合变形后的金属填充效果、变形过程中载荷分布和应力应变分布等衡量成形质量的因素。最终得到最优的参数匹配为凸模挤压速度为 2mm/s、凹模的旋转速度为 3rpm、水平通道宽度为 16mm、接触面高度为 2mm。
(4) 在最优匹配参数的前提下，对模具结构进行了合理的设计，之后基于相应的模具结构试制出合理的变形模具，最终在合理的工艺参数下制出了符合要求的构件。对变形后的试样进行微观组织观察，观察分析得到：经过整个缩环旋转挤压成形过程，晶粒细化得到了明显的改善。具体来看，初始的 AZ31B 镁合金晶粒尺寸超过了 400μm，经过变形后大晶粒明显消失，平均晶粒尺寸最终细化到 8.563μm，变形过程中大角度晶界比例明显增多，晶粒细化机制主要由动态再结晶完成。
参考文献（略）