摘 要：晶粒细化是改善镁合金材料强韧性的关键手段之一，而剧烈塑性变形工艺常作为细化晶粒的首选技术。等通道角挤压工艺（Equal Channel Angular Pressing，ECAP）由于可极大地细化晶粒而被广泛应用，然而一般的ECAP 工艺在细化晶粒到一定程度后便难以继续，亟需对其改进。针对此，设计一种新型背压式ECAP 工艺，采用Deform 3D 软件对该工艺进行模拟，研究了不同挤压速率对AZ31 镁合金变形过程的影响。结果表明，在等通道角挤压过程中设置背压可促进等效应变，且对应变速度非常敏感。在低挤压速率下其局部金属流动、等效应力明显加剧，在达到一定程度后，背压对释放应力集中效果明显，局部应力及应变增大不明显。这主要与镁合金变形机制基面滑移及棱柱面非基面滑移有关。此种新工艺对于镁合金材料进一步晶粒细化和提高性能有重要作用。
关键词：镁合金；背压；等通道角挤压
镁合金是当前最轻的金属结构材料，密度1.8g/cm3，具有较高的比强度和比刚度、减震性好、电磁屏蔽性能优异、抗辐射、摩擦时不起火花、切削加工性和热成形性好，对碱、煤油等具有化学稳定性，易回收等优点，在汽车、航空航天、交通运输、国防军工、3C 电子及可降解生物医疗器械等领域获得广泛青睐[1-4]。由于镁合金独特的密排六方结构（HCP），变形过程中可开动的滑移系较少，低温变形仅基面滑移可开动，且挤压/ 轧制变形加工过程中容易产生较强基面丝织构/ 板织构[5-6]，故获得的棒材或板材往往表现出较差的室温成形性能，难以低温成形大变形器件。镁合金通常在高温条件下成形，但在较高温度条件下成形时，其热激活能较大，再结晶行为剧烈，晶界迁移现象发生迅速，非常容易出现晶粒长大现象。根据霍尔佩奇公式，晶粒尺寸越大，材料强度越低，因此如何获得服役性能优异的镁合金器件也是重中之重[7-9]。而如何提高镁合金综合性能是当前亟待解决的关键问题[10]。
晶粒细化被证实可有效提高金属材料强度和塑性。各种技术在广泛开展，如高压扭转（High PressureTorsion，HPT）[11]、往复挤压[12]及等通道角挤压变形（Equal Channel Angular Pressing，ECAP）[13]等剧烈塑性变形方式。尤其等通道角挤压变形，由于其操作简单便利，被研究人员广泛关注。研究表明，等通道角挤压温度、 挤压速率参数及挤压路径等对镁合金晶粒细化及织构影响最为明显，合理调整挤压工艺参数能够有效改善组织织构演变 [14]。如Ge 等 [15]对ZM21 镁合金降温等通道角挤压变形进行研究，其晶粒尺寸比等温挤压小，达到1μm 以下。然而，由于镁合金较差的塑性变形能力，挤压过程中容易出现样品破裂现象，且挤压应变量有限，难以更加有效细化晶粒。在此种情况下，增加局部应变有望在同等条件下进一步细化晶粒，背压显得尤为重要。有学者指出，等通道挤压过程中施加背压能够有效降低挤压力，进而施加更多道次变形，更大程度地细化晶粒。而背压结构一般比较复杂，背压施加困难。基于此，本文设置一种新型背压模式，使得镁合金在等通道角挤压过程中简单施加背压，同时用模拟的手段研究挤压速率对应变的影响。
1 模拟方法
在常规的镁合金等通道角挤压（图1（a））中，试件挤出段流出金属下部快、上部慢，形成斜角。基于此，本文提出在模具上设置一定角度，以产生一定背压，来改变金属流动，使变形较为均匀。本文以Deform3D 为模拟手段，以AZ31 镁合金为模拟材料，其模拟参数基于拉伸实验获得，把数据直接输入Deform 软件“材料”流动应力应变函数中。在常规等通道挤压模具基础上设置背压，模具内外角为115°，内外角均设置5°的折角，促使材料在挤压过程中受到折角处的阻挡产生背压力，模具示意图如图1（b）所示。模拟坯料尺寸为直径10mm、长度为100mm 棒材。在模拟过程中，温度设为200℃，其中模具及坯料温度相同，即等温ECAP，由于模具与外界空气热交换较小，模拟时予以忽略。模具设置为刚性，模具材料为H13 钢。为研究挤压应变速率的影响，其值设为0.1、1、10、100mm/min。凸模及凹模设置为刚性，坯料网格数量为20000，最小网格尺寸为0.2071 mm，其步长小于1/3 网格最小尺寸，取步长为0.06mm。以一道次背压等通道挤压过程应变及应力等分析变形过程。
图1 常规等通道角挤压和具有背压的等通道角挤压模具
Fig.1 Conventional equal channel angle pressing and equal channel angle pressing die with back pressure
2 结果与分析
图2 为AZ31 镁合金不同挤压速率背压等通道角挤压的金属流动状态模拟结果（彩图见电子版，下同）。在第90 步时，合金进入挤压通道腔。与正常等通道角挤压相比，合金在挤压过程中由于背压折角的设置，在流动过程中整体倾向于向内角不对称流动，部分金属流动方向发生了转向，说明背压阻碍了金属材料流动，加大了变形难度及程度，且变形过程中剪切应变加大，其挤压应变为3.25，一般正常等通道挤压为2.5 左右，增大了局部应变，从而有利于晶粒进一步细化。由于在挤压转角处存在剪切应变，其织构随之发生弱化，而由于背压局部应变的增大，基面织构弱化效应增强。而对于不同挤压速率变形的合金而言，随挤压速率增加，合金的流动速率加大，局部应变增大，金属流速加快。在4 种速率下，合金的最大流动速率分别为0.163、1.23、12.3、122mm/s。可以看出，挤压速率增大，有利于促进合金进一步流动，且在100mm/min 条件下，其材料流动速率增大。
图2 不同挤压速率下镁合金背压等通道角挤压的金属流动过程(mm/s)
Fig.2 Metal flow process of the back pressure ECAP process of magnesium alloy with different extrusion rates (mm/s)
图3 为不同挤压速率的镁合金背压等通道挤压过程的等效应力演变。从图中可以看出，挤压过程最大应力位置主要集中在转角处，尤其在折角位置，坯料刚接触模具位置点时其应力最大，这说明增加背压折角后加大了局部变形。对于镁合金而言，其晶体结构决定了材料在变形过程中协调应变能力较差[16-19]，因此，在大变形过程中，局部应力较大部位发生破裂的危险也就越大，背压折角的设置增加了这种倾向。尤其在挤压速率增加的情况下，其最大等效应力明显增加，如挤压速率0.1mm/min 时其最大应力为56.0MPa，而在挤压速率1mm/min 时最大应力达到196MPa，增加了140 MPa，说明增大挤压速率促使镁合金材料位错运动加剧，来不及释放变形过程中产生的应力集中。而继续增加挤压速率，其最大应力增加不明显，挤压速率10、100mm/min 时最大应力为197、199MPa，基本保持不变。在正常情况下，随应变速度增加，应力集中来不及释放而出现位错塞积，进而产生局部应力[20-24]；而在此背压条件下其应力仅仅稍微增长，说明此折角设置可以促进应力释放，进而弱化应力集中，当然这也与镁合金应变速率敏感系数低有关。
图3 不同挤压速率下镁合金背压等通道角挤压过程的等效应力(MPa)
Fig.3 Equivalent stress of the back pressure ECAP process of magnesium alloy with different extrusion rates (MPa)
图4 为不同速率下镁合金背压等通道挤压的等效应变及截面点应变追踪图，点位置由上到下为点1～5。从图中可以看出，在挤压速率较低的情况下，其等效应变不大，为1.88。随着挤压时间延长，不同挤压速率的镁合金背压等通道角挤压过程的等效应变增加。在挤压速率0.1、1mm/min 下，随挤压速度增大，合金的等效应变增大；在10、100mm/min 挤压速率下其等效应变变化不大，甚至呈现降低趋势，此与局部等效应力保持一致。对比低挤压速率变形，在0.1～10mm/min，其应变增加明显，而增加到一定程度时，等效应变变化不大，说明本文所提背压对于降低局部应变有重要作用。众所周知，镁合金变形过程中主要机制是基面滑移开动，随温度升高，非基面滑移开动，175℃下柱面滑移开动，225℃以上棱锥面滑移开动，低于此温度主要为基面滑移主导变形[25-27]。本文中变形温度为200℃，因此其主导变形机制主要为基面滑移和柱面滑移。非基面滑移需更大的临界剪切应力来启动，在低速挤压应变速率下，应力集中得到释放，柱面滑移与基面滑移竞争贡献量有限。而随着应变速率增大位错塞积加大，在一定程度上又满足了柱面滑移开动的临界分切应力，尤其在100 mm/min 情况下更为明显。同时由于剧烈塑性变形的存在提供了较大的应变激活能，位错塞积的晶界能可满足动态再结晶形核的需要，进而发生再结晶行为，形成大量细小晶粒，这也是剧烈塑性变形细化晶粒的内在原因之一[28-30]。由于细晶组织的出现，变形过程中晶粒可发生晶界滑移及晶粒旋转等[31-33]，在一定程度上协调变形过程，进而增大变形程度。而挤压速率越低，再结晶程度越高，协调变形能力就越大，应力集中释放越明显，等效应力等越低，与图4 相对应。对坯料截面不同位置进行应变追踪，可以看到距离中心位置越近，其应变越小，说明局部变形主要集中在转角处，此与等效应力一致。
图4 不同挤压速率的镁合金背压等通道角挤压过程的等效应变及点追踪
Fig.4 Equivalent strain and point tracking of the back pressure ECAP process of magnesium alloy with different extrusion rates
综上所述，在等通道角挤压模具中设置局部折角提供背压，增加了局部剪切应变，加大了剧烈塑性变形程度，有利于晶粒细化；且背压力有利于变形过程中释放局部应力集中，增大变形量，细化晶粒。随着挤压速率增大，在达到一定程度时，其局部应变没有大幅提高，说明此种形式背压可降低应力集中，变形速率的增加有利于提高生产效率。此种背压式等通道角挤压工艺对于生产高强韧细晶镁合金材料有重要的意义，对镁合金产业化应用有积极作用。
3 结论
本文通过对传统等通道角挤压进行改进，在转角处设置折角进而提供背压。
（1） 背压的存在有利于释放应力集中进而提高等效应变，增加局部应变，细化晶粒。
（2） 背压式等通道挤压局部应变集中于转角处，随挤压速率增加，局部金属流动及应力增大明显，在挤压速率0.1、1、10 mm/min 时金属流动速率为0.163、1.23、12.3、122 mm/s，而其等效应力为56.0、196、197、199MPa，并不呈现急剧增长现象。
（3） 背压有效降低了应力集中，且在速率较大情况下更为明显。这与局部应力集中促进非基面滑移开动及再结晶晶粒细化轮化作用有关，此种背压模式等通道挤压工艺对于高性能镁合金产业化应用有积极意义。
文章引用：孙兆丹, 魏爱玲, 张乐, 等.不同挤压速率的AZ31 镁合金背压式等通道角挤压变形模拟[J] .热加工工艺, 2024, 53(11)：150-154.
