镁合金挤压过程模拟实验研究
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ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗａｓ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｌａｗ ｏｆ ＡＺ３ ｌ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏｙ
ｆｌｏｗ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ。Ｂｙ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ
ｗｉｔｈ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｒａｍ ｓｐｅｅｄ，ｔｈｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｏｕｔｌｅｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ
ｏｆ ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｗｉｔｈ ｂｅｔｔｅｒ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｗｈｉｃｈ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｈｅ
本文先运用三维有限元模拟和实验验证相结合的方法研究了ＡＺ９１镁合金带 材等速挤压变形规律。模拟研究结果表明，通过三维有限元模拟能够真实地揭示 镁合金挤压变形各阶段挤压力的变化趋势和挤压出口温度的演变规律，模拟计算 结果和实验测量值非常接近。通过对制品的表面质量和组织、性能研究发现，制 品的表面质量和组织、性能主要取决于出模口处的最高温度和最大拉应力状态。 挤压后半段，模口温度下降４００℃以下，热裂纹消失，显微组织为完全再结晶组 织，此时成品表面质量和机械性能达到最优．
Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｉｓ ａ ｎｅｗ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｎ ｔｈｅ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｌｏｗ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，ｇｏｏｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｔｓ ｈｅａｔ，ｈｉｇｈ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｍａｃｈｉｎａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ ｓｏ １１０．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｚｅ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ａｐｐｌｙｉｎｇ ｔｈｅ ｒｉｐｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｚｅ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｔｈｅ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｃａｎ ａｎａｌｙｚｅ ａｎｄ ｓｔｕｄｙ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｌｙ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｈｏｔ ｍｅｔａｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ａｎｄ ａｒｅ ｈｅｌｐｆｕｌ ｔｏ ｇｕｉｄｅ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ
ｕｎｉｆｏｒｍ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ，ａｎｄ
ｂｅｔｔｅｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ． Ｔｈｒｏｕ【ｇｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ａｎｄ ｄｅｐｅｎｄａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ’ｓ
ｐｒｅｓｅｎｔ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ． Ｉｎ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｐａｒｔ，ｔｈｅ ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ＡＺ３ １ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏｙ
ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＦＥＭ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ。Ｔｈｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｏｕｔｌｅｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ４５５℃ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｒａｍ ｓｐｅｅｄ．Ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｓｔｒａｉｎ ｉｓ ｓｔｅａｄｙ ｔｈｒｏｕｇｈｏｕｔ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｃｙｃｌｅ ｏｆ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｕｓ ｅｎｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｈｏｍｏｇｅｎｅｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔ．Ｉｔ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ｏｆ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｌｏａｄ ｃａｎ ｂｅ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｐｅｒｍｉｔ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．Ｆｕｒｔｈｅｒ，ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ ｏｆ ｍｏｌｄ ｍａｘｉｍｕｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｓｔｒｅｓｓ，ｓｔｒａｉｎ
ａｎａｌｙｚｅ
ＩＶபைடு நூலகம்
工程硕士学位论文
插图索引
图１．１ 密排六方晶体材料中滑移系………………………………………………２ 图１．２ 挤压的基本原理图…………………………………………………………．．４ 图１．３ 镁合金挤压型、棒材生产典型工艺流程…………………………………．７ 图１．４ 有限元分析流程……………………………………………………………１４ 图２．１ 等速挤压模型………………………………………………………………１８ 图２．２ 挤压带材……………………………………………………………………１８ 图２．３ 十字型材挤压制品的横截面形状图………………………………………２０ 图２．４ ＡＺ３１镁合金十字轴等温挤压模具………………………………………２０ 图２．５ 十字型材挤压模型…………………………………………………………２ｌ 图２．６ ＡＺ３ｌ镁合金４５０℃时不同应变速率下的流变应力曲线…………………２ｌ 图２．７ ＡＺ３１镁合金应变速率为３时不同温度下的应力应变曲线……………一２１ 图２．Ｓ 等温过程的速度曲线……………………………………………………～２２ 图３．１ 等速挤压过程挤压力．行程曲线…………………………………………一２６ 图３．２ 等速挤压稳态温度整体分布曲线（１／２部分）…………………………．２７ 图３．３ 等速挤压模口温度变化曲线……………………………………………．．２８ 图３．４ 等速挤压稳态阶段的速度分布曲线………………………………………２８ 图３．５ 等速挤压稳态阶段主应力分布情况………………………………………３０ 图３．６ 等速挤压制品的表面质量………………………………………………。３ｌ 图３．７ 等速挤压制品各部力学性能……………………………………………．．３２ 图３．８ 等速挤压制品心部的纵向显微组织………………………………………３３ 图４．１ 等温挤压过程挤压力．行程曲线…………………………………………．．３４ 图４．２ 等温挤压填充阶段受力示意图…………………………………………．．３５ 图４＿３ 挤压过程坯料受力原理图………………………………………………。３６ 图４．４ 等温挤压坯料出模口２００ｒａｍ处的温度．行程曲线………………………３７ 图４．５ 等温挤压模具温度．行程曲线……………………………………………．３８ 图４．６ 十字型材成形前的坯料…………………………………………………．．３９ 图４．７ 十字型材成形后的坯料……………………………………………………３９ 图４．８ 等温挤压十字型材成形后坯料的金属流动………………………………３９ 图４．９ 等温挤压稳定阶段坯料的Ｚ向等效应力分布图…………………………４０ 图４．１０ 等温挤压稳定阶段坯料横截面上应力的变化…………………………．４ｌ 图４．１ｌ 等温挤压稳定阶段坯料的等效应变分布………………………………．４２ 图４．１２ 等温挤压稳定阶段坯料横截面上应变的变化…………………………．４２
湖南大学 硕士学位论文 镁合金挤压过程模拟实验研究 姓名：罗永新 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：李落星
20070717
镁合金挤压过程模拟实验研究
摘要
镁合金是一种新兴的轻合金结构材料，具有密度低、比强度和比刚度高、导 热导电性好、机加工性能优良、阻尼减震性好、易回收等优点，被广泛应用于航 空、航天、汽车、计算机、通讯和家电等行业。有限元分析方法是目前比较流行 的工程问题分析方法之一，将现有的有限元分析技术应用于金属等温或等速挤压 过程进行数值仿真模拟，可以方便地分析、研究材料的挤压变形过程，从而得出 有利于指导挤压工艺的参数。
论文证实了模拟挤压实验的有效性、可靠性，得出了模拟挤压实验对镁合金 结构件研发和推广都有十分重要作用的结论，模拟实验能够为镁合金产品研发和 推广缩短时间、降低成本，模拟实验的工艺参数，能够为实际所应用，或为实际 应用提供有实际价值的参考。
关键词：镁合金；模拟挤压；ＤＥＦＯＲＭ：有限元分析
Ⅱ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
本文第二部分对ＡＺ３ｌ镁合金十字型材等温挤压进行了模拟和实验研究。在 实验过程中，通过控制挤压机的挤压速度使模具出口温度恒定在４５５℃左右。在 等温挤压全过程中，应力、应变分布有规则，且比较稳定，从而保证了挤压过程 中制品前后组织性能的均一性。通过和实验验证相比较发现，该模拟真实地反映 了等温挤压过程中挤压力随行程变化趋势。同时预测出了坯料和模具温度、应力、 应变在挤压变形过程中分布和变化情况，为研究ＡＺ３１镁合金等温挤压内部金属 流动规律以及制订实际挤压工艺提供依据。对比等速挤压，等温挤压在较大的挤 压速度下实现了挤压出口温度恒定，在保证制品沿长度方向的组织性能和尺寸精 度稳定的同时，提高了挤压的效率。
ａｌｌｏｙｓ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ．
Ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆｔｈｅ ｈｏｔ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆＡＺ９１ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ
ａｌｌｏｙ ｓｔｒｉｐｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ３Ｄ ＦＥＭ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｐａｒｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｌｏａｄ ａｎｄ ｅｘｉｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｔａｇｅｓ ｃａｎ ｂｅ ｒｅｖｅａｌｅｄ ｆａｃｔｕａｌｌｙ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ３Ｄ ＦＥＭ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ａｇｒｅｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅａｌ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｔｅｓｔ．Ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｑｕａｉｌｔｙ，ｍｉｃｒｏｓｔｒｎｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｔｒｕｄａｔｅ ａｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｔ ｔｈｅ ｄｉｅ ｅｘｉｔ，ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｔ ｔｈｅ ｄｉｅ ｅｘｉｔ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ。ａｎｄ ｈａｓ ｄｒｅｗ ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ
Ⅲ
璧盒全堑量基堡堡垒銮坠２圣
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｐｏｐｕｌａｒｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐａｒｔｓ，ｉｔ ｃａｎ ｓｈｏｒｔｅｎ ｔｉｍｅ，ｒｅｄｕｃｅ ＣＯＳＴＳ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｏｆ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｉｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｃｒａ．ｆｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｃａｎ ｂｅ ｔｈｅ ｒｅａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｏｒ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆｆｅｒｓ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｒｅａｌ ｖａｌｕｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏｙ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ；ＤＥＦＯＲＭ：Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ
ｆｌｏｗ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ。Ｂｙ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ
ｗｉｔｈ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｒａｍ ｓｐｅｅｄ，ｔｈｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｏｕｔｌｅｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ
ｏｆ ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｗｉｔｈ ｂｅｔｔｅｒ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｗｈｉｃｈ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｈｅ
本文先运用三维有限元模拟和实验验证相结合的方法研究了ＡＺ９１镁合金带 材等速挤压变形规律。模拟研究结果表明，通过三维有限元模拟能够真实地揭示 镁合金挤压变形各阶段挤压力的变化趋势和挤压出口温度的演变规律，模拟计算 结果和实验测量值非常接近。通过对制品的表面质量和组织、性能研究发现，制 品的表面质量和组织、性能主要取决于出模口处的最高温度和最大拉应力状态。 挤压后半段，模口温度下降４００℃以下，热裂纹消失，显微组织为完全再结晶组 织，此时成品表面质量和机械性能达到最优．
Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｉｓ ａ ｎｅｗ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｎ ｔｈｅ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｌｏｗ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，ｇｏｏｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｔｓ ｈｅａｔ，ｈｉｇｈ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｍａｃｈｉｎａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ ｓｏ １１０．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｚｅ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ａｐｐｌｙｉｎｇ ｔｈｅ ｒｉｐｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｚｅ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｔｈｅ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｃａｎ ａｎａｌｙｚｅ ａｎｄ ｓｔｕｄｙ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｌｙ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｈｏｔ ｍｅｔａｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ａｎｄ ａｒｅ ｈｅｌｐｆｕｌ ｔｏ ｇｕｉｄｅ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ
ｕｎｉｆｏｒｍ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ，ａｎｄ
ｂｅｔｔｅｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ． Ｔｈｒｏｕ【ｇｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ａｎｄ ｄｅｐｅｎｄａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ’ｓ
ｐｒｅｓｅｎｔ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ． Ｉｎ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｐａｒｔ，ｔｈｅ ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ＡＺ３ １ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏｙ
ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＦＥＭ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ。Ｔｈｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｏｕｔｌｅｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ４５５℃ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｒａｍ ｓｐｅｅｄ．Ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｓｔｒａｉｎ ｉｓ ｓｔｅａｄｙ ｔｈｒｏｕｇｈｏｕｔ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｃｙｃｌｅ ｏｆ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｕｓ ｅｎｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｈｏｍｏｇｅｎｅｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔ．Ｉｔ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ｏｆ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｌｏａｄ ｃａｎ ｂｅ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｐｅｒｍｉｔ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．Ｆｕｒｔｈｅｒ，ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ ｏｆ ｍｏｌｄ ｍａｘｉｍｕｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｓｔｒｅｓｓ，ｓｔｒａｉｎ
ａｎａｌｙｚｅ
ＩＶபைடு நூலகம்
工程硕士学位论文
插图索引
图１．１ 密排六方晶体材料中滑移系………………………………………………２ 图１．２ 挤压的基本原理图…………………………………………………………．．４ 图１．３ 镁合金挤压型、棒材生产典型工艺流程…………………………………．７ 图１．４ 有限元分析流程……………………………………………………………１４ 图２．１ 等速挤压模型………………………………………………………………１８ 图２．２ 挤压带材……………………………………………………………………１８ 图２．３ 十字型材挤压制品的横截面形状图………………………………………２０ 图２．４ ＡＺ３１镁合金十字轴等温挤压模具………………………………………２０ 图２．５ 十字型材挤压模型…………………………………………………………２ｌ 图２．６ ＡＺ３ｌ镁合金４５０℃时不同应变速率下的流变应力曲线…………………２ｌ 图２．７ ＡＺ３１镁合金应变速率为３时不同温度下的应力应变曲线……………一２１ 图２．Ｓ 等温过程的速度曲线……………………………………………………～２２ 图３．１ 等速挤压过程挤压力．行程曲线…………………………………………一２６ 图３．２ 等速挤压稳态温度整体分布曲线（１／２部分）…………………………．２７ 图３．３ 等速挤压模口温度变化曲线……………………………………………．．２８ 图３．４ 等速挤压稳态阶段的速度分布曲线………………………………………２８ 图３．５ 等速挤压稳态阶段主应力分布情况………………………………………３０ 图３．６ 等速挤压制品的表面质量………………………………………………。３ｌ 图３．７ 等速挤压制品各部力学性能……………………………………………．．３２ 图３．８ 等速挤压制品心部的纵向显微组织………………………………………３３ 图４．１ 等温挤压过程挤压力．行程曲线…………………………………………．．３４ 图４．２ 等温挤压填充阶段受力示意图…………………………………………．．３５ 图４＿３ 挤压过程坯料受力原理图………………………………………………。３６ 图４．４ 等温挤压坯料出模口２００ｒａｍ处的温度．行程曲线………………………３７ 图４．５ 等温挤压模具温度．行程曲线……………………………………………．３８ 图４．６ 十字型材成形前的坯料…………………………………………………．．３９ 图４．７ 十字型材成形后的坯料……………………………………………………３９ 图４．８ 等温挤压十字型材成形后坯料的金属流动………………………………３９ 图４．９ 等温挤压稳定阶段坯料的Ｚ向等效应力分布图…………………………４０ 图４．１０ 等温挤压稳定阶段坯料横截面上应力的变化…………………………．４ｌ 图４．１ｌ 等温挤压稳定阶段坯料的等效应变分布………………………………．４２ 图４．１２ 等温挤压稳定阶段坯料横截面上应变的变化…………………………．４２
湖南大学 硕士学位论文 镁合金挤压过程模拟实验研究 姓名：罗永新 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：李落星
20070717
镁合金挤压过程模拟实验研究
摘要
镁合金是一种新兴的轻合金结构材料，具有密度低、比强度和比刚度高、导 热导电性好、机加工性能优良、阻尼减震性好、易回收等优点，被广泛应用于航 空、航天、汽车、计算机、通讯和家电等行业。有限元分析方法是目前比较流行 的工程问题分析方法之一，将现有的有限元分析技术应用于金属等温或等速挤压 过程进行数值仿真模拟，可以方便地分析、研究材料的挤压变形过程，从而得出 有利于指导挤压工艺的参数。
论文证实了模拟挤压实验的有效性、可靠性，得出了模拟挤压实验对镁合金 结构件研发和推广都有十分重要作用的结论，模拟实验能够为镁合金产品研发和 推广缩短时间、降低成本，模拟实验的工艺参数，能够为实际所应用，或为实际 应用提供有实际价值的参考。
关键词：镁合金；模拟挤压；ＤＥＦＯＲＭ：有限元分析
Ⅱ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
本文第二部分对ＡＺ３ｌ镁合金十字型材等温挤压进行了模拟和实验研究。在 实验过程中，通过控制挤压机的挤压速度使模具出口温度恒定在４５５℃左右。在 等温挤压全过程中，应力、应变分布有规则，且比较稳定，从而保证了挤压过程 中制品前后组织性能的均一性。通过和实验验证相比较发现，该模拟真实地反映 了等温挤压过程中挤压力随行程变化趋势。同时预测出了坯料和模具温度、应力、 应变在挤压变形过程中分布和变化情况，为研究ＡＺ３１镁合金等温挤压内部金属 流动规律以及制订实际挤压工艺提供依据。对比等速挤压，等温挤压在较大的挤 压速度下实现了挤压出口温度恒定，在保证制品沿长度方向的组织性能和尺寸精 度稳定的同时，提高了挤压的效率。
ａｌｌｏｙｓ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ．
Ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆｔｈｅ ｈｏｔ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆＡＺ９１ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ
ａｌｌｏｙ ｓｔｒｉｐｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ３Ｄ ＦＥＭ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｐａｒｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｌｏａｄ ａｎｄ ｅｘｉｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｔａｇｅｓ ｃａｎ ｂｅ ｒｅｖｅａｌｅｄ ｆａｃｔｕａｌｌｙ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ３Ｄ ＦＥＭ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ａｇｒｅｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅａｌ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｔｅｓｔ．Ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｑｕａｉｌｔｙ，ｍｉｃｒｏｓｔｒｎｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｔｒｕｄａｔｅ ａｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｔ ｔｈｅ ｄｉｅ ｅｘｉｔ，ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｔ ｔｈｅ ｄｉｅ ｅｘｉｔ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ。ａｎｄ ｈａｓ ｄｒｅｗ ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ
Ⅲ
璧盒全堑量基堡堡垒銮坠２圣
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｐｏｐｕｌａｒｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐａｒｔｓ，ｉｔ ｃａｎ ｓｈｏｒｔｅｎ ｔｉｍｅ，ｒｅｄｕｃｅ ＣＯＳＴＳ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｏｆ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｉｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｃｒａ．ｆｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｃａｎ ｂｅ ｔｈｅ ｒｅａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｏｒ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆｆｅｒｓ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｒｅａｌ ｖａｌｕｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏｙ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ；ＤＥＦＯＲＭ：Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ