梁晓媛，胡建华*，王仕杰，靳帅帅，苟毓俊

（1.太原科技大学 材料科学与工程学院，山西 太原，030024；2.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032；3.太原科技大学 交通与物流学院，山西 太原，030024）

镁合金管被广泛使用，主要用于飞机，航天器，导弹，汽车和电子设备等工业领域[1]。镁合金管材的成型方法主要包括挤压法和斜轧轧制穿孔法。目前，通过挤压法制得的镁合金管材在表面质量，尺寸精度，性能等方面存在缺陷。同时，现有的挤压技术还存在效率低、金属损失大的问题。

斜轧穿孔法具有生产效率高，设备投资少的优点。斜轧穿孔通常采用两辊轧制和三辊轧制。其中，三辊轧机由于中辊直径小而受驱动，咬合能力弱，轧辊系统的刚性不够大，导致产品产量和质量较差。二辊轧机结构简单，用途广泛，发展成熟。通过采用二辊轧制，可以获得具有高产量，良好的组织和性能的材料。因此，研究镁合金无缝管二辊斜轧轧制的穿孔结构分析具有一定的研究意义。

本文利用Deform-3D软件成功建立了镁合金穿孔的有限元结构模型，并设定了镁合金斜轧穿孔的工艺和模具参数。为镁合金无缝管加工中的模具设计，设备选择和缺陷分析提供科学参考。

1 模型建立

1.1 镁合金材料的力学模型

由于Deform-3D中没有镁合金材料，因此需要建立该材料的力学.模型。使用的本构方程为：其中：ε是应变率（s−1），σ是应力（MPa）； R是气体常数为； T是变形温度（K）。

该模型与测试值的相对误差小，工作温度适用于300℃～450℃[2]。

1.2 几何模型

二辊斜轧穿孔是指两个辊在垂直于轧制线的相对平面中对称地以180°布置，并且辊的旋转方向相反。轧辊相对于轧制线倾斜。坯料进入轧辊，金属和轧辊后，在它们之间的摩擦力的作用下，它沿轧辊的反方向旋转，并同时被轧辊咬住，然后向前移动。在轧辊和顶头的作用下，坯料变形。在第一次咬合和第二次咬合，毛管缩小壁厚，光滑内表面，壁厚均匀，形成无缝管坯的圆形。在斜轧过程中，轧辊倾斜排列并以一定的倾斜角度与轧制线交叉，如图1所示。

图1 二辊斜轧穿孔示意图

轧制速度，孔喉和顶头参数的设计对轧制穿孔金属的流动速度，应变和机械性能有较大影响。因此，辊速、孔喉和顶头参数是影响产品质量和设计的主要因素。二辊斜轧穿孔模设计的基本参数如下：辊的入锥角为2.5°，出锥角为3°，进给角为10°，轧制角为0°，最大直径为Φ60mm，辊压下降率为20%。辊旋转速度为12rad·s−1，顶部旋转速度为15rad·s−1，孔喉为85mm[3]。

1.3 初始条件

（1）管坯的建立：管坯的直径为110mm，长度为250mm，温度为400℃。材料为AZ31镁合金，网格分为50000个。

（2）设定运动条件：使钢管未达到第一咬合状态，将轧辊的速度设定为280rpm。在达到稳定的轧制之后，速度增加到600rpm。

（3）摩擦条件的设定：经过多次测试，轧辊与工件之间的摩擦力必须大于1.7，以实现咬合和稳定的轧制。塞子和工件之间的摩擦力设置为1.3，导板和工件之间的摩擦力设置为0.1。建立的有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型

1.4 有限元组织模型的建立

1.4.1 创建一个新的问题

打开DEFORM-MICROSTRUCTURE窗口，单击Add project按钮添加一个计划。

1.4.2 追踪选项设置

在坯料的空白处选择两个点设为跟踪点。

1.4.3 离散点阵设置

在离散晶格界面中，行和列设置为50，绝对大小设置为1。

1.4.4 晶粒边界条件设置

在“晶粒边界”选项界面中，将“Neighborhood”设置为“Moore’s Neighborhood”，将半径设置为1。

1.4.5 位错密度常数设置

在位错密度参数界面中，参数设置为：

1.4.6 形核状况设置

在核形成条件界面2中，将Critical dislocation density for DRX设定为0.02，Probability of nucleation设定为0.01。

1.4.7 晶粒生长设置

在晶粒长大和材料常数之间的界面处，常数设置为1。

1.4.8 流动应力和材料常数设置

在流应力与材料常数的界面中，输入温度为100，流应力为2000万；温度为500，流动应力为10000000。以MPa为单位的Elastic Shear Modulus(G) in MPa设置为260e9，以微米为单位的Burgers vector（b）设置为0.352e-9。

单击完成，软件将开始执行微观结构演化过程，该过程在演化过程中会受到许多因素的影响，例如应变率，应变，温度等[4]。

2 位错密度变化

图3是表示斜轧穿孔的AZ31镁合金的位错密度变化的图。从图中可以看出在斜轧和穿孔过程中，在外力的作用下，金属彼此分离，从而使位错彼此缠结，相互挤压，并挤压晶粒间隙，从而导致位错密度迅速增加。为获得良好的动态重结晶组织创造了条件[5]。

图3 斜轧穿孔AZ31镁合金位错密度变化图

3 微观组织变化

图4斜轧穿孔时AZ31镁合金的显微组织变化。从图中可以看出，晶粒从原始的块状结构转变为条状。随着变形程度的增加，穿孔即将结束时，几乎所有晶粒都会变成细条状结构。

图4 斜轧穿孔AZ31镁合金微观组织变化图

4 结论

随着斜轧穿孔的发展，变形程度增加，组织受到加工硬化和动态再结晶软化的影响，位错密度和晶粒尺寸发生明显变化。位错密度逐渐增加，晶粒逐渐细化，这对镁合金的组织具有重要影响，为之后镁合金穿孔的微观分析研究提供了科学参考。