外文翻译基于三维有限元方法的AZ31镁合金等通道弯角挤压的模具结构设计中文版.doc

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1、本科毕业论文外文文献及译文文献、资料题目：The die structure design of equal channel angular extrusion for AZ31 magnesium alloy based on three-dimensional finite element method文献、资料来源：Materials and Design文献、资料发表（出版）日期：2009.1.17院 （部）： 材料科学与工程学院专 业： 材料成型及控制工程班 级： 姓 名： 学 号：指导教师：翻译日期：山东建筑大学毕业论文外文文献及译文中文译文：基于三维有限元方法的AZ31镁合金等通

2、道弯角挤压的模具结构设计摘要由于等通道弯角挤压（ECAE）可以使镁合金产生超细晶粒微观结构，所以被广泛研究。ECAE的关键是理解变形状态，应变分布和载荷要求对模具设计的影响。在论文中，下模中设计了带有不同圆心角和带或不带内部倒角的新三维几何模型，其中圆心角取值范围为90度到120度。在使用DEFORM-3D软件时，将一些重要的工艺参数定义为初始条件和边界条件，比如模具和坯料的温度，摩擦系数等。为了确保模拟的收敛性，要考虑几何条件、位移条件和合理的收敛错误限制等。从模拟和实验结果中分析了ECAE的变形不均匀性。比起没有倒角的模具，在外拐角处存在倒角的模具使变形的均匀性得到了改进。累积的最大应变使

3、ECAC模中外拐角的倒角减小、内圆心角增长。所需的挤压力使ECAC模中外圆心角处产生的倒角减小。研究表明，适当大小的外圆倒角和90度的内圆心角可以使ECAC模获得更好的结构。结果表明，预测结果很好的吻合了实验、理论计算和来自其他文献的研究结论。2009 Elsevier Ltd.保留所有权。关键词：AZ31镁合金；等通道弯角挤压；有限元；模具圆心角；变形不均匀性1. 绪 论由于超细晶材料拥有诸如高强度，高延展性的优良机械性能，从而被广泛研究。通过各种技术获得超细晶材料得到了迅速的发展。剧烈塑性变形（SPD）技术，像等通道弯角挤压（ECAE），高压扭转（HPT），循环通道模压缩（CCDC）和累积

4、轧制（ARB）是用相对低的代价在金属材料中产生亚微观晶粒结构的最常见方法。在这些方法中，等通道弯角挤压（ECAE）是获得高强度，高韧性材料的最有效方法之一，它是由Segal提出从而发展过来的。在ECAE中，挤压件在压力作用下通过两个成一定角度的等横截面管道的模具。因为挤压件在挤压过程中横截面保持不变。所以这个过程可以反复进行，从而使累积变形达到理想水平。高应变是可以达到的。有限元方法是了解ECAE过程中变形情况的重要方法之一。许多以有限元方法为基础的分析用来确定材料的变形过程和估计在ECAP过程中的增应变。这些研究工作包括Raghavan S对通道角度和外拐角对摩擦条件的影响的研究1，Kim等

5、人对通道角度和外拐角的影响的研究和Suh J-Y等人对外拐角对不均匀性的影响的研究2，Kim和Kim对转角差距变形及其影响的研究3，Lang和Shyong对通道角度和圆心角对材料流动的影响的研究4,Lee SC等人对不同材料模型，圆心角和摩擦系数的广泛研究5,Wei等人对金属不均匀变形的原因的研究6,Son等人对反压力的影响的研究，Yoon SC等人对均匀塑性变形的最佳模具设计的研究7。然而，这些研究是在假设了平面应变条件的二维近似下进行的，没有讨论应力，应变的不均匀性。通过二维分析获得的结果只提供了有限的信息，另外产生了不可避免的二维近似的误差。一些研究人员8-10在探索ECAE过程中使用了

6、三维可塑性理论与模拟软件。Luis Prez和Luri11用上限法对三维ECAE中的方形横截面进行了分析，其中将内外半径都考虑了进去并且做了交叉角。Chung等人完成了ECAP的三维模拟分析。12使用商用的有限体积法（FVM）软件对变形过程的每一道次进行等效应力应变分析。在参考论文13中三维有限元法用于分析处于在四百度下的ECAE工艺路线Bc的四个道次下的工业纯钛（CP-Ti）钢坯。但很少有研究人员通过三维仿真技术，探讨AZ31镁合金的变形过程，特别是模具结构对应变分布和挤压质量的影响。许多关于ECAP早期的研究仅仅局限于对软纯金属和固溶体合金的变形过程的研究。而在最近，复杂的合金和一些有限数

7、量的滑移系统的金属的挤压过程被更多的重视，特别是对镁合金。对于这些难变形的材料，ECAE的三个方法可以使其成功变形。当前的研究趋势是从ECAE中处理以获取细晶粒镁合金样本14-20。图1. ECAP模具拐角（）和圆心角（）示意图图1是一个ECAE的示意图。底模中包含两个具有相同截面积的交叉通道，这两个通道以拐角交叉（如图一）。在图中，两个通道交叉的外曲面被定义为角。在这样的背景下，利用极端原则，例如，广泛使用上限法去估计所需冲头的压力和ECAE方法所导致的累积等效应变。基于有限元法（FEM）的数值模拟广泛运用优化了ECAE方法21-25。ECAE过程中的塑性变形过程主要受模具的几何形状，材料本

8、身和加工条件的影响。模具几何形状对ECAE过程有影响已经通过实验数据和有限元分析得到了证实。有必要为了更好的控制成型过程而从理论上建立ECAE过程模型分析研究各种复杂的因素。这项研究系统的分析了AZ31镁合金在等通道弯角挤压（ECAE）过程中的变形情况，并预测了不同模具结构下ECAE形成纳米结构过程的应变与挤压力。在最近的研究中，提出了一种通过有限元方法模拟ECAE过程的准静态处理方法。这种方法所用的模具含内角90度和120度，并且只有一道次挤压。用UG软件建立了四种ECAE模型并且也用DEFORM-3D软件对这四种模型划分了网格、进行了模拟。数字模拟程序、模具的建模、坯料、边界条件、限制变形

9、模拟的收敛误差和基础公式都相继被提出。已经研究了在ECAP过程中不同的模具几何形状对变形不均匀性的影响。在实验室通过用两个有或没有倒角的ECAE模具做试验证实了模拟的结果。因为显微组织的变化和变形金属的力学性能直接与塑性变形量有关，而对与应变变化有关的现象的理解在ECAE过程中很重要。等效应力应变的分布、模具拐角对不同地方的变形和均匀变形的影响、最大应变都已经详细的研究过。2. 材料模型及模拟细节商业化的有限元程序（DEFORM 5.0版） ，被用来对ECAE的一道次进行模拟。2.1一些假设和数值模拟程序在电脑模拟和实验验证中，由3%镁和1%锌构成的AZ31可锻镁合金被用来做坯料。运用商业化的

10、有限元软件（DEFORM-3D）准静态地进行数值模拟。DEFORM-3D是由SFTC公司开发的一款商业软件。它是一套基于工艺模拟系统的有限元系统（FEM），专门设计用于分析各种金属成形过程中的三维流动。它提供了有关于成形过程中材料和温度流动的重要信息。坯料被假定为弹塑性材料。在本文中遵守以下几个假设：（1）容器和模具都是刚体；（2）被挤压的坯料是一个刚塑性材料；（3）被挤压坯料和冲头、容器、模具之间的摩擦因子是常数的。模拟程序如下：（1）在UG软件中通过建立三维CAD模型定义三维几何特征（钢坯，冲头和模具）。几何数据可以被定义为3D IGES或STL文件。（2）设置停止路径，设定步数，选择模拟

11、模式和英制或国际单位。（3）对研究对象（坯料和模具）划分网格。确定研究对象的位置，以挤压件作为参考对象，模具与冲头与挤压件接触。定义材料性能。（4）设定热边界条件。（5）研究物体温度的初始化。（6）生成接触性边界条件，设定模具与坯料、冲头与坯料间的摩擦系数。（7）设定冲头的运动参数（速度与方向）。（8）核对数据，运行并计算，对模拟的热挤压过程进行有限元分析。（9）从后处理中分析模拟结果。图2. 三维ECAP模具的有限元模型示意图：（a）模具拐角等于90度；（b）模具拐角等于120度；（c）存在内部倒角的模具拐角等于90度（d）存在内部倒角的模具拐角等于120度，这里r是拐角的半径，R是内部倒角

12、的半径2.2冲头和模具的建模如图2为模拟中所用的模具的几何特征。本研究中，坯料所用坐标轴如图2所示。X，Y,Z方向分别平行于挤压方向，垂直方向和横向方向。图2中a和b分别为模具拐角等于90和120度，假定模具圆心角（）等于零。图2中c和d为修改后的在外拐角处存在内部倒角的几何特征。图2中的四个ECAE模具的几何参数如表2所列。两个通道的内交叉拐角半径为2毫米，外交叉拐角为18毫米。进物通道的长度为50毫米，出物通道的长度为25毫米。进物通道和出物通道有相同的横截面积（直径为16毫米）。表3列出了在计算机模拟中使用的尺寸，挤压速度和温度等，这些数据和挤压试验中所用一样。在模拟和试验中，冲头的速度

13、为每秒10毫米，方向为沿着进物通道向下运动。冲头的路径为50毫米。为了简便起见，假定冲头和模具为刚性材料，这些材料不产生永久变形，如图3a和b为冲头和模具所用H13工具钢的机械性能，a图为杨氏模量随温度的关系，b图为热传导随温度变化的关系，泊松比为0.3。通过有限元分析方法分析四种不同几何结构的模型，揭示了变形过程和设计结构之间的相互关系。表1 AZ31坯料的物理性能表2 ECAE模具的几何特征表3 模拟和实验参数 图3. H13的材料性能2.3坯料的建模用于模拟的坯料是一个横截面为圆形（直径为16毫米），高为50毫米的圆柱。视AZ31为各向同性的弹塑性材料。如图4所示，为AZ31坯料在300

14、摄氏度下的拉伸应力应变曲线，其中坯料经过12小时，400度的退火处理。从单轴压缩试验中所得的流动应变应力数据被用于进行有限元分析，进行分析所用的商用软件为DEFORM-3D。弹性性能为E=45Gpa的杨氏模量和泊松比为0.3。AZ31坯料的力学性能参数列于表一。2.4划分网格的方法在整个模拟中，自动划分网格系统是用来调整大的应变并计算局部流动的发生。减少模拟过程中产生的误差。在ECAE模拟过程中，如果元素变得混乱就会自动生成网格。在模拟过程中所有的挤压工具都可以划分网格生成四面体单元，并且它与坯料进行的热交换也可以进行模拟。所使用的模拟参数列于表3。为了提高模拟的效率，获得对于特殊影响区域的详

15、细解释，一些被细化的网格被用于表示一些细小的部分，特别是围绕模具的模具拐角处。为了保证模拟的稳定性与准确性，用绝对的网格密度来保证在模拟过程中任何位置的元素尺寸几乎不变，因为一定的密度将限定了在坯料表面单位长度上的元素个数。每个元素的最小尺寸为0.25到0.35毫米，坯料被划分为20000个四面体单元，冲头和模具的网格个数分别为8000和20000。通过计算各种不同的网格数，很好的描述了应变率不明显坯料的局部变形。为了限制模拟文件的大小和提高模拟速度，当挤出的长度超过50毫米时在长为50毫米处截断。当坯料边缘的任何一个网格已经渗透，并且渗透的深度超过了表面边缘的原始长度的百分之三十，这个表面边

16、缘在每个尾端有了接触点，那么0.3的相对小的干扰深度被定义唤起划分网格系统。图4. 在测试过程中修正了变形热的AZ31在300下不同应变速率挤压过程的真实应力应变关系图2.5边界条件2.5.1接触和摩擦边界条件接触边界条件是指坯料的节点和这些节点与冲头的特定接触。为了保证软件中使用的牛顿-拉普森方法的二次收敛，在坯料顶端的垂直方向的压缩位移被确定以0.1毫米的增量增加到总体为50毫米的位移。牛顿-拉普森方法被用来解决很多问题。因为比起其他现有的方法，这种迭代方法的重复性更小。然而比起其他方法，解决问题更有可能不与这种方法衔接。为了用摩擦性能描述剪切应变和接触应力的结果，一般使用库伦定律。工件与

17、模具之间的摩擦力被认为是剪切力。众所周知，这一定律阐述了由于摩擦存在剪切屈服应力和接触压力之间的平衡关系。特别是在DEFORM软件中，这个通过米塞斯屈服准则验证过的关系修订成为简单剪切条件，并且可以用等式（1）来表示： (1)在这里是摩擦切应力，是工件的等效流动应力。是摩擦因素。在本模拟中，模具和工件间的摩擦系数为0.25。假定工件与冲头间有相同摩擦系数。2.5.2温度边界条件无论是模具和周围环境间的热交换，还是坯料和模具间的热交换都应该被考虑在内。所使用的牛顿冷却原理表示为等式（2）： (2)为坯料和模具的热传递系数，是模具的温度，为方向上的法线。在本课题中，环境温度设为25摄氏度，ECAE

18、模具的温度为275摄氏度。在实验中，压下力受到冲头最高速度的限制。模具与坯料之间的热传递系数为11，工件与环境间的热传导系数为0.02。AZ31和H13工具钢的辐射系数分别为0.12和0.7。2.6模拟中的收敛性通过改变不同参数使被研究的变量变成不变量估计的收敛性是有限元模拟中必不可少的一个程序26。必须控制的参数是网格尺寸和拓扑结构（本课题中网格单元最小尺寸为0.25到0.35毫米），接触参数，网格划分参数，增量尺寸（一步所需时间为0.01秒），收敛限制，求解参数（位移增量是0.1毫米），模具摩擦参数（在库伦定律中使用）和模具与工件的几何实体模型。在这些参数中，显然，最重要的参数为网格尺寸，

19、拓扑结构，收敛极限和每步所用时间。模拟的收敛性依赖于应力-应变状态的初始预测。这里有三种初始预测方法：（1）塑性解决方案：使用纯塑性变形数据进行初始预测；（2）弹性解决方案：使用纯弹性变形数据进行初始预测；（3）前一步解决方案：使用前一工步的弹塑性解决方案进行初始预测。前一步解决方案在大多数情况上能提供最好的收敛性。如果遇到特殊情况，收敛性很差，可以用弹性或塑性解决方案。对于每一工步收敛的基础是速度和等式2的压力收敛错误限制。当：和 （3）收敛性被假设。这里是指在当前迭代关系中节点速度的欧式标量，是指当前迭代关系和迭代一开始时节点速度的差值，是速度收敛错误限制，是指当前迭代关系中节点压力的欧式

20、标量，是指当前迭代关系和迭代一开始时节点压力的差值，是压力收敛错误限制。必须为一个正的非零值。如果指定了一个零值，节点力将不会检查收敛。默认值适用大多数情况。为了假设在使用有限元模拟软件时牛顿-拉普森方法的二次收敛性，上模位移被设定为以0.25毫米的增量增加到50毫米的总位移处。在DEFORM软件的模拟系统中，速度收敛错误限制为0.005，压力收敛错误限制为0.05。3. 细节3.1压缩试验在本研究中最初的材料是直径为50毫米杆状铸态AZ31B。在预挤压中，直径10毫米，高度为12毫米圆柱试样在其纵向方向上进行机械加工。为热加工性分析的单轴压缩试验利用Gleeble 1500D机在国家重点实验

21、室中国镁合金工程研究中心进行演示。在恒应变率范围为0.01到10和初步温度为300至500摄氏度。试样的电阻热通过热电偶发送反馈信号控制的交流电流。用一个非常不错，快速反应的直径0.08为毫米热电偶来进行捕获试验第二小部分到应变速率达到十的短时间跨度的温度变化。为避免在试验期间焊接和热电偶从试样表面分离时出现的困难，热电偶插入在试样中间高度的一个非常小的钻孔内。石墨化的金属薄片被放置在试样和被润滑的压盘之间。试样以每秒钟十摄氏度加热到预先设定的温度，浸泡60 s以保证温度平衡，然后压缩到高度为4.4毫米，达到真正的应变10。所有的试验在真空中进行。在试验中所测量的流动应力曲线被纠正，这系列被纠

22、正的应力应变曲线如图四所示。3.2检测试验方坯材料同压缩试验和有限元分析中所使用的材料相同。为了验证有限元分析的结果，制造生产无内圆角的和顶角含圆角的90度的等通道转角挤压模具来进行演示实际的挤压工艺。在试验中的钢坯，模具和那些在模拟中的材料有着相同的几何参数。模具材料，模具尺寸，钢坯尺寸和挤压条件都同如上所述的数值模拟是相同的。在挤压前，钢坯被挤压成直径为10毫米的杆状结构。钢坯和模具的通道都涂上一层石墨润滑剂。在直接挤压模式中真正的挤压试验以2MN进行挤压操作。挤压试验通过热阻容器和加热器得以进行。钢坯的外表面被加热到300摄氏度和移入到模具中预热温度达到275摄氏度以避免过多散热然后挤压

23、立即开始。在试验验证期间压力机滑块速度为5mm/s，挤压压力通过压力传感器和冲击时间来进行计算。在挤压循环后，挤压期间挤压力的演进通过挤压杆来进行策划。4. 结果和讨论在有限元模拟ECAE中重要的一点必须指出那便是有限元分析自主的控制模具的几何形状以改善模拟效率。最常见的任意的和最少核实的参量是通道角（）。根据通过模拟所获得的结果，在ECAE工艺中有效应力和应变的分布已经被描述。在同性质变形当中的通道角的影响，最大应变（），所需的负载等等都将在本部分进行讨论。4.1在ECAE工艺中有效应力应变的分布在ECAE过程中预应变的分析证实了钢坯变形在数量上的一些见解。图五显示了在一次进程中钢坯的有效应

24、力应变，它证实了有关应变分布的一些重要信息。图五a和b是当在通道角无圆角且为90度的ECAE模具在第五十步的应力应变的分布。有效应力的材料在图5a和c中看不到，最大有效应力在一百步模具底部直壁部分附近的转角处约为165.6兆帕。在第一次挤压后晶粒的尺寸与教授R.Z.valiev和其他一些人27，28所分析的实验结果不同。初始的挤压变形是非均匀的，从图五b中最高应变发生在第五十步的外部转角处。应变的分布在转角处具有变形梯度的网格状分布的，在这个位置的变形接近于简单的剪切变形，但变形的不均匀性在图五d的100步比图五b的50步变得更好一些。4.2在不同区域的形中通道角度的影响在顶部呈三角形部分的应

25、变接近于0如图6a和c所示。在整个工件中最大应变在塑性变形区。在顶部区域通道缺口处，120度模具被观察。90度模具通道缺口处是比较小的，在这个区域的尾部应变为0。图5. 不带倒角的拐角为90度的等效应力应变分布图：（a）第50步时的等效应力等高线图：（1）头部，（2）稳定状态区域，（3）塑性变形区域，（4）尾部；（b）第50步的等效应变等高线图；（c）第100步时的等效应力等高线图；（d）第100步时的等效应变等高线图。变形工件的不同区域在两个通道的交叉点上，工件不能完全填满转角导致缺口的变形。弯道处如果全被塑性材料填满，通过图6a和c观察得弯道缺口随着弯道角的增加而增加。弯道缺口的变形可以归

26、结为材料行能和模具通道角的原因。从图6b可以看出，90度的ECAE模具比120度的模具更容易累积应变。图6. 带内通道倒角且内角为90度和120度时等效应变的分布图：（a）内角为90度的第50步的等效应力等高线；（b）内角为90度的第100步的等效应变等高线；（c）内角为120度的第50步的等效应变等高线；（d）内角为120度的第100步的等效应变等高线4.3 ECAE产品变形均匀性分析随着远离工件塑性变形区，应变分布开始趋于稳定，应变不再进一步发生变化，且行程长度的增加将使这部分稳态区扩大。曲率角度是指模具两部分外弧通道相交汇处角度。作用在样品上的应变一定时，这个角度只发挥了次要作用。尽管如

27、此，研究这个角度对生产超细晶材料中的影响是十分重要的。图6显示了通过外部空间交叉角为90、120和圆角的ECAE模具作用下，在第50和100挤压步骤中所发生的定量应变分布。伴随着有效应变下降，与图5b、d轮廓图相比，可清楚地发现图6a、b中的变形均匀性增加。与图5d相比较在图6b中坯料形状存在较少的损坏。变形不均匀性的量化程度，可采用变形不均匀性指数C被定义为等式（4）：， （4）在这里、和分别指最高等效塑性应变、最低等效塑性应变和平均等效塑性应变。表4列示出了在不同条件下挤压第100步的有效应变与变形不均匀性指标。结果发现，随渠道角（）和外部隅角的增加，有效应变（包括、 及）下降。变形不均匀

28、性指标的变化与否同内部隅角（）和圆角变化相关。由表4可见，内隅角为90和外隅角为圆角的ECAE模具所造成的同质性是最好的。可以得出结论，增加渠道角度和外部空间圆角加工将改善变形均匀性，而且同时也降低了累积应变。表4 第100步挤压中的不均匀变形指数图7a和b分别显示了有外隅圆角和没有外隅圆角的90角 ECAE模具挤压的AZ31B棒坯。这也能被发现，通过如图5d 与 6d的模拟后，钢坯会发出声音。在图7a中棒坯表面明显出现了持续性裂缝和纯脆性开裂缺陷，而如图6b所示，我们发现了表面光洁度更好且没有任何缺陷的产品，这说明了图7b中变形均匀性的棒坯要优于图7a中的。具有外隅圆角的90内角 ECAE模

29、具造成的均匀变形要优于没有外隅圆角的90内角 ECAE模具。一般较大圆角通道角度将引起较低的压力，但应变分布更加均匀。4.4整个ECAE过程中ECAE的最大应变值模具拐角对工件的变形有重要影响。挤压工件中有效应变的分配与挤压方向和工件长度是独立的。可以认为，主要变形区（MDZ）的横截面变形分布表征了整个工件。MDZ是有效应变更大、更均匀的区域，而且其中晶粒已经得到改善。因此，本文主要侧重于根据有限元分析的结果讨论横截面的变形分布。分析了沿工件宽度的有效应变的变化，并策划了沿工件宽度的有效应变。图7. 实验所用挤压棒：（a）120度模具挤压（b）90度模具挤压图8显示主要变形区（MDZ）的不同模

30、具拐角的有效应变变化曲线。数据给出了模拟结果（图2所示）。在ECAP过程中，工件MDZ的有效应变会随着模具拐角的增大而相应减小。MDZ的应变累积最大值可由公式（5）计算，模拟结果列于表5。从模拟和理论计算ECAE模具造成的MDZ累积最大值可知，模具角90度时的最大值高于模具角120度的，降低模具拐角。当拐角相同时，最大有效应变与模型（图2a和b）相比，急剧下降：， （5）从表5可以看出，如果我们想取得= 10的应变量，模具角=90时，它需要少于2道次的挤压变形积累。而模具角= 120时，挤压道次就要超过2 。因此，为了提高累计变形的效率，如果模具的材料强度足够，应取模具角= 90。如果抵抗力量

31、非常大，必须考虑模具的强度和有效应变，应取模具角= 120。对于这一点，模具挤压转角应认真考虑和选定。动态再结晶是应变，应变速率，温度，初始晶粒尺寸的函数，并随时间改变。Avrami方程用来描述动态重结晶分数X和有效应变之间的关系：， （6）从公式（6）可知，动态重结晶分数X随有效应变的增加而增加。可以得出这样的结论，模角90的ECAE模具造成的动态再结晶分数远远大于模角120的ECAE模具所造成的，这是因为前者产生的应变大于后者。在文献29中，AZ31镁合金通过两个不同的ECAE模具制得，其中圆心角分别为90和120。合金在圆心角为120的模具中挤压12道后的力学性能非常接近于圆心角为90的

32、模具经过8道挤压。这就是说由90角模具所造成的每道应变远远高于120角模具。在金相图.9中，每经过一道挤压时，合金晶粒就会由于动态再结晶而得到有效细化。可以发现，通过压力加工在原始晶粒周围产生一些微小的亚晶粒，模具角为90的模具加工比120的模具加工产生更加细小的颗粒。图8. 模具结构的四个条件下的最大应变曲线表5 预先计模拟的在整个ECAE过程中不同条件下的最大积累应变4.5负载和敲击曲线图10中的数据表明，在压制过程中，模拟和实验的挤压载荷是复杂多变的，包括模具转角为90或120，有无内圆角等各种因素。图.10 a和b分别显示了转角90模具有无内圆角所造成的预测和实验载荷。通过数据看出，转

33、角为90有无内圆角的模具产生的应力曲线，见图.10a和b，是通过压力传感器和上述试验的敲击而测得的。正如所见，模拟水平与实验值有良好的匹配。最大挤压应力值是高分辨率探针通过有限元模拟得到的。从图10挤压载荷曲线可分为两个阶段：最初挤压阶段和稳定阶段。在初始挤压阶段，当接触模具转角，坯料受到严重塑性变形。负荷快速增加到最大负载，这个阶段并不稳定。在挤压稳定阶段，钢坯不断的通过模具转角。负载在平均值附件波动并逐渐下降。钢坯的变形加工主要是在这个阶段实现。图9. 经过ECAE一道次处理的AZ31镁合金的典型显微结构图：（a）在120度模具中（b）在90度模具中在图10 c中，转角为120确定了最高水

34、平的变形负荷为3000 N；压下量约45毫米时达到最大值。此时对应的情况为模具通道填充满材料。此外，变形负荷随着整个钢坯经历了变形而降低，标志是相同章节的两个通道的等分。通道之间内在过渡半径（r = 18 mm）的存在减少了负载。拐角为90（图.10 a），无内圆角的上模最高载荷为2259 N。如果有内圆角的模具在役（如图.2 c和d），上模的负载与无内圆角的相比会降低。所表6列出了在不同条件下 所需的挤压力。很明显，模具拐角是影响挤压载荷的一个重要因素，挤压载荷随着模具拐角的增大而迅速减少。结论是ECAE模具中的内圆角可以减少挤压载荷。了解有效应变的分布和规模是有必要的，应在压制过程作出分析

35、然而，挤压压力也影响模具寿命。因此，计算和预测通道转角对有效载荷和工件中有效应变的分布的影响是很重要的。一方面，增加通道角可减少挤压负荷，以改善ECAP模具的寿命。另一方面，增加通道角可以降低工件的有效应变。5结 论铸态AZ31镁合金钢坯在300经过ECAE一道挤压，可以成功的获得完整的三维有限元模拟。在ECAE过程中，数值和物理模拟很大程度上帮助了解AZ31镁合金的变形行为。在这次研究中通道拐角和内圆角的重要性得到了证明。结果发现，通过比较三维有限元模拟理论计算结果，相当于在整个ECAE过程中增加了应变。图10. 不同条件下的载荷曲线图：（a）没有倒角的90度模具的模拟实验结果，（b）有倒

36、角的90度模具的模拟实验结果，（c）有或没有倒角的120度模具的模拟实验结果表6 不同条件下的挤压力对变形异质性钢坯的ECAE过程进行了分析，这表明了前二维有限元模型的不足。在转角处内圆角的存在可以改善变形的不均匀性。用通道角为90和120，有无内圆角的模具进行ECAE一道挤压，在钢坯表面上显示了不均匀变形。从模拟和试验结果得知，在转角处有内圆角的同质变形优于没有内圆角的，是因为内通道表面在两个直通道交界处的内圆角有助于软化的加工材料的高效率流动。 从模拟、理论和文献知，内拐角越小可以得到较高的累积应变，并产生更多的细小晶粒。 上模的荷载主要因内圆角而减小。通道角主要影响了应变分布。如果挤压力

37、是足够的话，通道角90有内圆角的ECAE模具有利于改进由AZ31镁钢坯的塑性和变形的均匀性。鸣 谢这项研究非常感谢国家973计划（2007CB613700）关于镁合金的高性能加工与制备在关键问题上的基础支持，第十一届全国五年计划（2006BAE04B03）科技项目的支持，以及连续铸造与模拟技术（第科委，2007bb4413 ）关于凝固偏析的数学模型的研究工作。参考文献1 Raghavan S. Computational simulation of the equal-channel angular extrusion process. J Scr Mater 2001;44(1):916.2

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