数值模拟在材料科学中的应用课件.ppt

1、数值模拟在材料科学中的应用第一讲 数值模拟基础1. 引言2. 偏微分方程3. 有限元解法4. 有限元法的数学原理（选讲）物理模拟与数值模拟1.引言 物理模拟(Physical Simulation)概念概念：是一个内涵十分丰富的广义概念，也是一种重要的科学方法和工程手段。通常是指缩小或放大比例，或简化条件，或代用材料，用试验模型来代替原型的研究。例如，新型飞机设计的风洞试验，塑性成形过程中的密栅云纹法技术，电路设计中的拓扑结构与试验电路，以及宇航员的太空环境模拟试验舱等。思考：大家所熟知的物理模拟方法都有哪些呢？ 物理模拟在材料科学中有何作用？ 月球车的问题。材料领域的物理模拟1.引言 物理模

2、拟(Physical Simulation)对材料和热加工工艺来说，物理模拟通常是指利用小试件，借助于某试验装置再现材料在制备或热加工过程中的受热，或同时受热与受力的物理过程，充分而精确地揭示材料或构件在热加工过程中的组织与性能变化规律，评定或预测材料在制备或加工过程中出现的问题，为制订合理的加工工艺以及研制新材料提供理论指导和技术依据。物理模拟试验分为两种：一种是在模拟过程中进行的试验，另一种是在模拟完成后进行的试验。材料领域的物理模拟1.引言材料领域的物理模拟1.引言)/exp()(RTQAFnF1)()exp()(F)sinh()(nF-低应力水平-高应力水平-宽应力水平RTQAn/ln

3、lnln1RTQA/lnln1若ln与之间呈线性关系，则符合第二式的幂指关系；若ln与ln之间呈线性关系，则符合第一式的指数关系。材料领域的物理模拟1.引言当变形温度为300时，流变应力模型符合幂指关系；当变形温度为350450时，流变应力模型符合指数关系。材料领域的物理模拟1.引言选择合适的流变应力模型后，还需确定模型中的待定系数。lnlnln1nAZAZ1lnlnRTQAn/lnlnln1RTQA/lnln1因此，可由图lnZ-ln和lnZ-关系曲线方便地确定模型中的 、 、 和A值。而值则可以由 关系曲线确定： n1A1T/1)/1 (TddRQ材料领域的物理模拟1.引言)/125000

4、exp(0.6425.2RT)/125000exp()0906. 0exp(1094. 16RT数值模拟技术1.引言 数值模拟(Numerical Simulation)F也叫计算机模拟，以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。F利用一组控制方程来描述一个过程的基本参数的变化关系，采用数值方法求解方程，以获得对该过程的定量认识。F数值模拟实际上应该理解为用计算机来做实验。比如某一特定机翼的绕流，通过计算并将其计算结果在荧光屏上显示，可以看到流场的各种细节：如激波是否存在，它的位置、强度、流动的分离、表面的压力分布、受力大小及其随时

5、间的变化等。通过上述方法，人们可以清楚地看到激波的运动、涡的生成与传播。总之数值模拟可以形象地再现流动情景，与做实验没有什么区别 。 物理模拟与数值模拟的关系1.引言F实验方法一般只能获得有限点上的测量值。物理模拟的结果一般不能用外推法，而且模拟结果的普遍性和准确性依赖于必要的测量手段和模拟的相似条件，这对于复杂的热加工工艺有时很难实现。F数值模拟能提供整个计算域内所有相关变量完整而详尽的数据，很多非线性问题也可在计算机上用数值方法获得定量结果。F数值模拟需要建立合理的数学模型，通常需借助于物理模拟来实现。此外，数值模拟的合理性和可靠性也要靠物理模拟的定量测试结果来检验。F物理模拟是数值模拟的

6、基础，数值模拟是物理模拟的归宿物理模拟是数值模拟的基础，数值模拟是物理模拟的归宿!数值模拟包含的步骤1.引言 首先要建立反映问题本质的数学模型数学模型。具体说就是要建立反映问题各量之间的微分方程及相应的定解条件，这是数值模拟的出发点。 数学模型建立之后，需要解决的问题是寻求高效率、高准确度的计计算方法算方法。由于人们的努力，目前已发展了许多数值计算方法。 在确定了计算方法后，就可以开始编制程序和进行计算编制程序和进行计算。由于求解的问题比较复杂，数值求解方法在理论上不够完善，需要通过实验来加以验证。正是在这个意义上讲，数值模拟又叫数值试验。 在计算工作完成后，大量数据只能通过图像形象地显示出来

7、。因此数值的图像显示图像显示也是一项十分重要的工作。目前人们已能把图作得像相片一样逼真。利用录像机或电影放映机可以显示动态过程，模拟的水平越来越高，越来越逼真 。宏观尺度材料设计有限元方法1.引言 有限元法的形成有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域-飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。宏观尺度材料设计有限元方法1.引言 有限元法的基本思想：1）将连续的求解系统离散离散为一组由节点相互联在一起的单元组合体；2）在每个单元内假设近似函数近似函数来分片表示系统

8、的求解场函数。宏观尺度材料设计有限元方法1.引言1)1)离散离散要求：单元结点不重复；要求：单元结点不重复； 变形前后单元之间都是连续的变形前后单元之间都是连续的宏观尺度材料设计有限元方法1.引言宏观尺度材料设计有限元方法1.引言XFXF2) 2) 近似函数近似函数建立不同的单元模型，适应各种各样的变形模式和受力模式建立不同的单元模型，适应各种各样的变形模式和受力模式特 点优缺点差分法离散求解域；差分代替微分；解代数方程组要求规则边界，几何形状复杂时精度低等效积分法（加权余量法或泛函变分法）整体场函数用近似函数代替；微分方程及定解条件的等效积分转化为某个泛函的变分，-求极值问题适合简单问题，复

9、杂问题很难解决有限元法离散求解域；分片连续函数近似整体未知场函数；解线形方程组节点可任意配置，边界适应性好；适应任意支撑条件和载荷；计算精度与网格疏密和单元形态有关，精度可控数值计算方法比较1.引言宏观尺度材料设计有限元方法 有限元软件：国际上早在20世纪50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局（NASA）在1965年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRANNASTRAN有限元分析系统。该系统发展至今已有几十个版本，是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分析系统。宏观尺度材料设计有限元方法1.引言宏观尺度材

10、料设计有限元方法1.引言 有限元法的发展从单纯结构力学计算发展到求解多物理场多物理场问题有限元分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算，最近又发展到求解几个交叉学科的问题。例如当气流流过一个很高的铁塔产生变形，而塔的变形又反过来影响到气流的流动这就需要用固体力学和流体动力学的有限元分析结果交叉迭代求解，即所谓流固耦合的问题。宏观尺度材料设计有限元方法1.引言2.偏微分方程科学技术领域内，对于绝大部分问题，人们已经得到了它们应遵循的基本方程（偏微分方程或常微分方程）如：温度场方程（浓度场方程）流场动力学方程电磁场方程固体力学方程

11、.有限元就是一种求解上述微分方程的数值求解方法难点是如何构造一个方程来逼近原本研究的方程, 并且还需要保持数值稳定性 温度场方程（浓度场）2.偏微分方程2.偏微分方程温度场方程（浓度场）2.偏微分方程固体力学方程2.偏微分方程固体力学方程2.偏微分方程流体动力学方程2.偏微分方程流体动力学方程2.偏微分方程分类及特点2.偏微分方程分类及特点3.有限元解法 有限元位移法解题基本步骤3.有限元解法3.有限元解法3.有限元解法有限元的基本未知量是节点位移。3.有限元解法3.有限元解法3.有限元解法3.有限元解法3.有限元解法3.有限元解法3.有限元解法3.有限元解法4.有限元法的数学原理（选讲）加权

12、余量法变分法里兹法约束变分原理第二讲 数值模拟工程实例第一章第一章 挤压成形及其数值模拟挤压成形及其数值模拟第二章第二章 轧制成形及其数值模拟轧制成形及其数值模拟第三章第三章 拉拔成形及其数值模拟拉拔成形及其数值模拟第四章第四章 锻造成形及其数值模拟锻造成形及其数值模拟第五章第五章 冲压成形及其数值模拟冲压成形及其数值模拟第六章第六章 残余应力及其数值模拟残余应力及其数值模拟第七章第七章 铸造成形及其数值模拟铸造成形及其数值模拟第八章第八章 其它成形过程数值模拟其它成形过程数值模拟第一章第一章 挤压成形及其数值模拟挤压成形及其数值模拟一、一、 挤压的定义挤压定义挤压定义：对放在挤压筒内的金属坯

13、料施加压力，使之从特定的模孔中流出，获得所需断面形状和尺寸的一种塑性加工方法。挤压原理挤压原理：思考：怎样才能获得具有不同断面形状的制品呢？思考：怎样才能获得具有不同断面形状的制品呢？1.1 挤压基本知识1.1 挤压基本知识二二 挤压的特点挤压有利于金属塑性的发挥。 能生产简单断面和复杂断面制品。 原料形式多样，如锭坯、金属粉末、颗粒等。 灵活性大，符合小批量、多品种的趋势。 尺寸精确，表面质量较好。 工艺流程简单，易实现自动化。 组织致密，力学性能较好且可调。1.1 挤压基本知识高铁与挤压高铁与挤压1.1 挤压基本知识二二 挤压的特点废料较多，成品率偏低。 组织性能不均匀。 挤压所需的变形力

14、较大（为什么）。 挤压速度较慢。 辅助设备多，投资大，工模具易损。1.1 挤压基本知识三三 挤压的分类挤挤 压压 的的 分分 类类按金属的流向按金属的流向按制品的形状按制品的形状按锭坯的温度按锭坯的温度正向挤压正向挤压反向挤压反向挤压空心制品空心制品实心制品实心制品冷冷 挤挤 压压热热 挤挤 压压1.2 常见挤压方法常见挤压方法一一 正向不脱皮挤压棒材法正向不脱皮挤压棒材法二二 正向脱皮挤压棒材法正向脱皮挤压棒材法两种方法的区别在于挤压垫片的尺寸。两种方法的区别在于挤压垫片的尺寸。脱皮挤压方法的主要优点在于制品表面质量好。脱皮挤压方法的主要优点在于制品表面质量好。1.2 常见挤压方法常见挤压方

15、法三三 正向水封挤压法正向水封挤压法方法：在挤压机的模子出口处设置一个较大的水封槽，方法：在挤压机的模子出口处设置一个较大的水封槽，制品流出模孔后直接进入水封槽中。制品流出模孔后直接进入水封槽中。目的：一方面可以防止金属制品被氧化，另一方面可以目的：一方面可以防止金属制品被氧化，另一方面可以实现在线淬火，提高制品的强度。实现在线淬火，提高制品的强度。适用：易氧化的铜及铜合金、需要通过淬火来提高强度适用：易氧化的铜及铜合金、需要通过淬火来提高强度的部份铝合金等。的部份铝合金等。思考：普通挤压时，怎样去除制品表面的氧化皮？思考：普通挤压时，怎样去除制品表面的氧化皮？1.2 常见挤压方法常见挤压方法

16、四四 正向挤压管材法正向挤压管材法方法：由挤压模确定管材的外径，芯棒决定管材的内径。方法：由挤压模确定管材的外径，芯棒决定管材的内径。可以用实心锭，也可以用空心锭。可以用实心锭，也可以用空心锭。思考：挤压管材关键是有一根芯棒，芯棒装在哪里呢？思考：挤压管材关键是有一根芯棒，芯棒装在哪里呢？1.2 常见挤压方法常见挤压方法四四 正向挤压管材法正向挤压管材法1.2 常见挤压方法常见挤压方法五五 联合挤压管材法联合挤压管材法定义：反向挤压穿孔、正向挤压得到制品的挤压工艺。 方法：穿孔时用堵板挡住模孔，实现反向挤压；穿孔后去掉堵板，正向挤压得到管材制品。1.2 常见挤压方法常见挤压方法六六 反向挤压法

17、反向挤压法定义：金属的流动方向与挤压杆的运动方向相反。定义：金属的流动方向与挤压杆的运动方向相反。优点：挤压力明显减小，制品的组织性能更均匀。优点：挤压力明显减小，制品的组织性能更均匀。反向挤压棒材反向挤压棒材反向挤压管材反向挤压管材反向脱皮挤压动作流程反向脱皮挤压动作流程1.3 挤压新方法挤压新方法一一 静液挤压法静液挤压法方法：挤压时在挤压筒内通入高压液体，锭坯在高压液体的压力作用下从模孔中被挤出。 优点优点(1)变形均匀，产品质量好；(2)锭坯长径比大，不易弯曲；(3)制品表面光洁；(4)挤压力小；(5)可实现高速挤压。适用：异型材、脆性材料、高温合金、难熔金属、薄壁管、粉体材料、包覆材

18、料等。1.3 挤压新方法挤压新方法一一 静液挤压法静液挤压法改善金属流动的均匀性改善金属流动的均匀性 1.3 挤压新方法挤压新方法二二 随动挤压法随动挤压法方法方法：是指在挤压过程中，挤压筒随金属锭坯前进，而挤压模则保持固定不动的挤压方法，其变形特点与反挤压的相同。 优点优点(1)金属流动均匀；(2)挤压力减小。1.3 挤压新方法挤压新方法三三 有效摩擦挤压法有效摩擦挤压法方法：在挤压时，挤压筒和金属锭坯都存在运动，并且挤压筒向前移动的速度更快，使挤压筒壁对锭坯的摩擦力成为金属流动的动力。 优点优点(1)金属流动均匀；(2)压余少，成品率高。(3)挤压力较小。注意注意：有效摩擦挤压时，挤压筒与

19、锭坯之间不能有润滑有效摩擦挤压时，挤压筒与锭坯之间不能有润滑剂存在，为什么？剂存在，为什么？思考思考：有效摩擦挤压与随动挤压的主要区别是什么？1.3 挤压新方法挤压新方法四四 Conform Conform连续挤压法连续挤压法方法方法：采用带凹槽的挤压轮与挤压靴构成型腔，依靠挤压轮槽给坯料的摩擦力，将坯料夹紧并不断拉入型腔，金属最后从模孔中流出。优点：优点：(1)可以实现连续挤压；(2)能有效利用摩擦热；(3)特殊的组织性能。1.3 挤压新方法挤压新方法五五 等通道角挤压法等通道角挤压法方法方法：通过两个轴线相交且截面尺寸相等的通道，将被加工材料挤出，因通道的转角作用，在加工过程中材料发生剪切

20、变形，使变形材料产生大的剪切应变。优点：优点：(1)可以获得大塑性应变；(2)不改变截面形状尺寸；(3)获得特殊的组织性能。2.1 挤压过程中金属的变形特点挤压过程中金属的变形特点一一 挤压过程中金属的应力状态和变形状态挤压过程中金属的应力状态和变形状态请思考：在挤压过程中锭坯受到哪些外力作用？请思考：在挤压过程中锭坯受到哪些外力作用？2.1 挤压过程中金属的变形特点挤压过程中金属的变形特点二二 挤压过程中金属的变形挤压过程中金属的变形宏观上，金属的变形是金属质点流动的结果宏观上，金属的变形是金属质点流动的结果。坐标网格法是研究金属流动规律最常用的方法坐标网格法是研究金属流动规律最常用的方法。

21、挤挤压压过过程程三三阶阶段段开始挤压阶段开始挤压阶段基本挤压阶段基本挤压阶段挤压终了阶段挤压终了阶段2.1 挤压过程中金属的变形特点挤压过程中金属的变形特点二二 挤压过程中金属的变形挤压过程中金属的变形开始挤压阶段开始挤压阶段填充系数：填充系数：c=Ft/F0（1.061.15）请思考请思考：为什么挤压管材时为什么挤压管材时要先填充后穿孔？要先填充后穿孔？2.1 挤压过程中金属的变形特点挤压过程中金属的变形特点二二 挤压过程中金属的变形挤压过程中金属的变形基本挤压阶段基本挤压阶段挤压比：挤压比：=F0/F1死区能提高表面质量死区能提高表面质量主要变形特点：主要变形特点：(1)(1)变形不均匀，

22、边部变形大，心部变形小；变形不均匀，边部变形大，心部变形小；(2)(2)流动不均匀，边部流速慢，心部流速快；流动不均匀，边部流速慢，心部流速快；(3)(3)前、后端都存在难变形前、后端都存在难变形“死区死区”( (刚性区刚性区) )。2.1 挤压过程中金属的变形特点挤压过程中金属的变形特点二二 挤压过程中金属的变形挤压过程中金属的变形挤压终了阶段挤压终了阶段主要变形特点：主要变形特点：(1)(1)挤压力急剧上升；挤压力急剧上升；(2)(2)产生各类缩尾。产生各类缩尾。挤挤 压压 缩缩 尾尾中心缩尾中心缩尾环形缩尾环形缩尾皮下缩尾皮下缩尾3.1 易损挤压工具易损挤压工具一一 挤压模挤压模挤压模直

23、接决定了制品的断面形状与尺寸挤压模直接决定了制品的断面形状与尺寸挤压模对制品精度、表面质量和性能有很大影响挤压模对制品精度、表面质量和性能有很大影响3.2 易损挤压工具易损挤压工具一一 挤压模挤压模圆形单孔模圆形单孔模模角模角模子轴线与其工作端面之间的夹角模子轴线与其工作端面之间的夹角定径带长度定径带长度hg稳定制品形状尺寸，保证表面质量稳定制品形状尺寸，保证表面质量平模模角为平模模角为90，表面质量好，挤压力大。表面质量好，挤压力大。有色金属挤压时锥模模角一般为有色金属挤压时锥模模角一般为6065 铝合金一般为铝合金一般为2.53mm，铜合金，铜合金812mm。3.2 易损挤压工具易损挤压工

24、具一一 挤压模挤压模定径带直径定径带直径dg定径带直径与制品外径并不完全相等定径带直径与制品外径并不完全相等dg=d+C1d式中：式中：C1为余量系数，为余量系数，d为制品外径。为制品外径。入口半径入口半径出口直径出口直径外形尺寸外形尺寸取决于金属强度、挤压温度、制品尺寸取决于金属强度、挤压温度、制品尺寸一般可取比定径带直径大一般可取比定径带直径大35mm挤压筒内径的挤压筒内径的8085%，厚，厚2080mm3.2 易损挤压工具易损挤压工具一一 挤压模挤压模多孔模多孔模模孔数目模孔数目模孔布置模孔布置最常用的为最常用的为46孔模，最多可达孔模，最多可达12孔孔应将各模孔的中心布置在同一个圆上应

25、将各模孔的中心布置在同一个圆上孔间距相等，不过分靠近中心或边缘孔间距相等，不过分靠近中心或边缘3.2 易损挤压工具易损挤压工具一一 挤压模挤压模型材模型材模特点：截面形状一般不对称，各处壁厚不同。特点：截面形状一般不对称，各处壁厚不同。关键：减轻金属流动的不均匀性。关键：减轻金属流动的不均匀性。措施：措施：（1）合理布置模孔。）合理布置模孔。（2）采用不等长的定径带。）采用不等长的定径带。（3）采用平衡模孔。）采用平衡模孔。3.2 易损挤压工具易损挤压工具一一 挤压模挤压模组合模组合模特点：先分流、后焊合特点：先分流、后焊合一一 挤压温度的选择挤压温度的选择在挤压过程中，挤压温度和速度是最基本

26、的工艺参数。在挤压过程中，挤压温度和速度是最基本的工艺参数。金属与合金的可挤压性金属与合金的可挤压性制品的组织与性能要求制品的组织与性能要求挤压时的变形热与热效应挤压时的变形热与热效应挤压温度的选择挤压温度的选择依依 据据挤压温度是指在挤压变形过程中变形金属的实际温度。挤压温度是指在挤压变形过程中变形金属的实际温度。4.1 挤压温度和速度的选择挤压温度和速度的选择金属与合金的可挤压性金属与合金的可挤压性合金的化学成份与相组成合金的化学成份与相组成金属与合金的塑性指标金属与合金的塑性指标金属与合金的变形抗力金属与合金的变形抗力金属的可挤压性金属的可挤压性影响因素影响因素制品的组织与性能要求制品的

27、组织与性能要求温度升高，晶粒粗化温度升高，晶粒粗化一般而言，随挤压温度升高，强度降低，塑性先升后降。一般而言，随挤压温度升高，强度降低，塑性先升后降。挤压时的变形热与温度效应挤压时的变形热与温度效应二二 挤压速度的选择挤压速度的选择挤压速度：挤压速度：一般是指金属制品流出模孔的速度。一般是指金属制品流出模孔的速度。金属与合金的可挤压性金属与合金的可挤压性挤压制品的断面形状挤压制品的断面形状挤压设备能力的限制挤压设备能力的限制挤压速度的选择挤压速度的选择依依 据据金属在高温下的黏性金属在高温下的黏性挤压温度与温度效应挤压温度与温度效应塑性区宽则速度范围大塑性区宽则速度范围大黏性大则应减小速度黏性

28、大则应减小速度形状越复杂速度越低形状越复杂速度越低温度越高则速度越低温度越高则速度越低速度越快挤压力越大速度越快挤压力越大三三 挤压中的温度挤压中的温度- -速度控制速度控制梯温加热挤压梯温加热挤压锭坯前端温度高、后端温度低，出口温度恒定。锭坯前端温度高、后端温度低，出口温度恒定。变形热变形热控制挤压工具温度控制挤压工具温度采用水或氮气来冷却挤压筒和挤压模，逸散变形热。采用水或氮气来冷却挤压筒和挤压模，逸散变形热。变速度等温挤压变速度等温挤压通过调整挤压速度来控制金属出口温度。通过调整挤压速度来控制金属出口温度。一一 正向挤压棒材的组织不均匀性正向挤压棒材的组织不均匀性前端晶粒粗大而后端细小前

29、端晶粒粗大而后端细小中心晶粒粗大而外层细小中心晶粒粗大而外层细小组织不均匀性组织不均匀性表表 现现5.1 挤压制品的组织挤压制品的组织挤压制品的组织不均匀性是不均匀变形所引起的！挤压制品的组织不均匀性是不均匀变形所引起的！因此，要减小挤压制品的组织不均匀性，首因此，要减小挤压制品的组织不均匀性，首先需要知道产生不均匀变形的原因是什么！先需要知道产生不均匀变形的原因是什么！一一 正向挤压棒材的组织不均匀性正向挤压棒材的组织不均匀性变形程度变形程度发生相变发生相变产产生生不不均均匀匀变变形形的的原原因因温度和速度温度和速度外层变形程度大而中心变形程度小外层变形程度大而中心变形程度小后端变形程度大而

30、前端变形程度小后端变形程度大而前端变形程度小快速挤压时，挤压温度越来越高快速挤压时，挤压温度越来越高慢速挤压时，挤压温度越来越低慢速挤压时，挤压温度越来越低挤压时发生相变，析出相发生变形挤压时发生相变，析出相发生变形要减小挤压制品的组织不均匀性，可以根据其产要减小挤压制品的组织不均匀性，可以根据其产生原因，从挤压方式和工艺上采取相应的措施。生原因，从挤压方式和工艺上采取相应的措施。二二 挤压制品的粗晶环挤压制品的粗晶环 表现形式表现形式：某些金属和合金在挤压时或在随后的热处理：某些金属和合金在挤压时或在随后的热处理过程中，在制品外层出现异常粗大的晶粒，称为粗晶环。过程中，在制品外层出现异常粗大

31、的晶粒，称为粗晶环。后果后果：粗晶环是挤压制品的一种组织缺陷，引起制品力学：粗晶环是挤压制品的一种组织缺陷，引起制品力学性能降低，可使铝合金室温强度降低性能降低，可使铝合金室温强度降低2030%以上。以上。 分布规律分布规律：在正向挤压的棒材中，沿长度方向上，由前端：在正向挤压的棒材中，沿长度方向上，由前端向后端粗晶环的厚度增加，严重时制品整个尾部全部是粗向后端粗晶环的厚度增加，严重时制品整个尾部全部是粗晶组织。此外，粗晶环厚度越大，其内晶粒也越粗大。晶组织。此外，粗晶环厚度越大，其内晶粒也越粗大。二二 挤压制品的粗晶环挤压制品的粗晶环形成机理形成机理挤压时变形不均匀，外层和后端变形程度较大。

32、挤压时变形不均匀，外层和后端变形程度较大。再结晶温度随着变形程度的增大而降低。再结晶温度随着变形程度的增大而降低。温度过高时，变形程度大的区域发生二次再结晶。温度过高时，变形程度大的区域发生二次再结晶。二次再结晶时晶粒明显长大，从而形成粗晶环。二次再结晶时晶粒明显长大，从而形成粗晶环。纯铝的再结晶温度较低。在挤压时就形成粗晶环；纯铝的再结晶温度较低。在挤压时就形成粗晶环；铝合金的再结晶温度高，在热处理时形成粗晶环。铝合金的再结晶温度高，在热处理时形成粗晶环。二二 挤压制品的粗晶环挤压制品的粗晶环 影响因素和消除措施影响因素和消除措施合金元素合金元素提高再结晶温度，减小粗晶环。提高再结晶温度，减

33、小粗晶环。均匀化处理均匀化处理降低再结晶温度，增大粗晶环。降低再结晶温度，增大粗晶环。挤压温度挤压温度挤压温度升高，粗晶环增厚。挤压温度升高，粗晶环增厚。挤压筒温度挤压筒温度与锭坯温度配合，减小粗晶环。与锭坯温度配合，减小粗晶环。热处理温度热处理温度热处理温度升高，粗晶环增厚。热处理温度升高，粗晶环增厚。三三 挤压制品的层状组织挤压制品的层状组织 概念概念：挤压制品在折断后，呈现出与木材相似的凹凸不平的分层：挤压制品在折断后，呈现出与木材相似的凹凸不平的分层断口，并且各层分界面大致平行于制品的轴向。断口，并且各层分界面大致平行于制品的轴向。 后果后果：层状组织是挤压制品的一种组织缺陷，虽然对纵

34、向的性能：层状组织是挤压制品的一种组织缺陷，虽然对纵向的性能影响不大，但使制品的横向力学性能明显降低。影响不大，但使制品的横向力学性能明显降低。 成因成因：在挤压过程中，气孔、夹杂和第二相也可以发生塑性变形，：在挤压过程中，气孔、夹杂和第二相也可以发生塑性变形，其特点是沿径向被压扁、沿挤压方向被拉长。其特点是沿径向被压扁、沿挤压方向被拉长。 措施措施：严格控制铸锭组织，减小柱状晶区，增大等轴晶区，尽量：严格控制铸锭组织，减小柱状晶区，增大等轴晶区，尽量消除气孔、疏松和夹杂，使晶界杂质分散减少。消除气孔、疏松和夹杂，使晶界杂质分散减少。一一 不均匀性不均匀性6.2 挤压制品的力学性能挤压制品的力

35、学性能表现形式表现形式：对未经热处理的实心挤压制品而言，一般是心部和前端的：对未经热处理的实心挤压制品而言，一般是心部和前端的强度低，外层和后端的强度高，塑性正好相反。对铝合金而言，硬铝强度低，外层和后端的强度高，塑性正好相反。对铝合金而言，硬铝的力学性能分布规律与上述相同，但软铝的分布规律则是与之相反，的力学性能分布规律与上述相同，但软铝的分布规律则是与之相反，即心部和前端的强度反而较高。即心部和前端的强度反而较高。二二 变形程度对不均匀性的影响变形程度对不均匀性的影响影响规律影响规律：随着变形程度的增大，变形逐渐由外层向心部深入，使内：随着变形程度的增大，变形逐渐由外层向心部深入，使内外层

36、的变形趋于均匀，力学性能的不均匀性也随之减小。当挤压比很外层的变形趋于均匀，力学性能的不均匀性也随之减小。当挤压比很大时，内外层的力学性能甚至趋于一致。大时，内外层的力学性能甚至趋于一致。三三 各向异性各向异性6.2 挤压制品的力学性能挤压制品的力学性能表现形式表现形式：挤压制品的纵向和横向力学性能存在差异，一般是：挤压制品的纵向和横向力学性能存在差异，一般是纵向力学性能较好，横向力学性能较差。纵向力学性能较好，横向力学性能较差。产生原因产生原因：挤压制品内部组织沿延伸方向被拉长，形成具有取：挤压制品内部组织沿延伸方向被拉长，形成具有取向性的纤维组织。挤压时还可能产生织构。向性的纤维组织。挤压

37、时还可能产生织构。四四 挤压效应挤压效应6.2 挤压制品的力学性能挤压制品的力学性能概念概念：某些铝合金挤压制品与：某些铝合金挤压制品与其它加工（如轧制）制品经相其它加工（如轧制）制品经相同的热处理后，前者的纵向强同的热处理后，前者的纵向强度比后者的高，延伸率则比后度比后者的高，延伸率则比后者的低。该效应为挤压所特有，者的低。该效应为挤压所特有，因此称为因此称为“挤压效应挤压效应”。产生原因产生原因：变形织构强化与形：变形织构强化与形变热处理强化的综合结果。变热处理强化的综合结果。四四 挤压效应挤压效应6.2 挤压制品的力学性能挤压制品的力学性能挤压温度挤压温度变形程度变形程度影响挤压效应的因

38、素影响挤压效应的因素过高不能获得，过低则效应较小。过高不能获得，过低则效应较小。一般含量增加，则挤压效应增大。一般含量增加，则挤压效应增大。随合金元素含量不同变化规律有异随合金元素含量不同变化规律有异合金元素合金元素关键因素关键因素：要想获得显著的挤压效应，关键在于提高合金的再结晶温：要想获得显著的挤压效应，关键在于提高合金的再结晶温度，获得大量细小稳定的度，获得大量细小稳定的亚结构亚结构 (亚晶亚晶) 组织。组织。6.3 挤压制品的表面质量挤压制品的表面质量 一一 挤压裂纹和头部撕裂挤压裂纹和头部撕裂 周期性横向裂纹周期性横向裂纹 棒材头部开花棒材头部开花挤压模拟工程实例之一方形管分流模双孔

39、挤压过程中金属的流动行为方形管分流模双孔挤压过程中金属的流动行为分流模挤压是生产铝及铝合金空心型材的主要方法；在分流挤压过程中，正确的模具设计是获得高表面质量和形状尺寸精度挤压制品、提高挤压生产效率及模具使用寿命的关键；分析分流、焊合过程的金属流动行为，了解模具结构和尺寸因素等对金属流动变形的影响规律，是正确设计模具的前提；由于多孔模挤压时金属流动均匀性控制难度较大，常导致挤出型材产生刀弯、扭拧及各制品间流速不等缺陷，依靠源于实践的经验规律和模具设计者个人经验的传统的设计方法很难解决此类模具设计所面临的问题。方形管分流模双孔挤压过程中金属的流动行为方形管分流模双孔挤压过程中金属的流动行为为了改

40、善金属为了改善金属流动的均匀性，流动的均匀性，两侧分流孔的两侧分流孔的外壁设计成圆外壁设计成圆弧形。弧形。分流孔面积比及分分流孔面积比及分流孔位置是影响金流孔位置是影响金属流动均匀性及方属流动均匀性及方管成形质量的关键管成形质量的关键因素。因素。方形管分流模双孔挤压过程中金属的流动行为方形管分流模双孔挤压过程中金属的流动行为几何模型及网格划分几何模型及网格划分方形管分流模双孔挤压过程中金属的流动行为方形管分流模双孔挤压过程中金属的流动行为 在镦粗阶段的后期，坯料开始进入分流孔，但分流孔内金属流速小于挤压轴速度，主要由于镦粗和分流同时进行，导致分流速度减小。在分流阶段，金属在分流桥的作用下被拆分

41、为3股进入分流孔，分流孔内金属流速高于挤压轴速度。同时，由于挤压筒中心附近金属流动阻力小，使得Q1孔内金属流速明显大于Q2孔的金属流速，因此Q1孔所挤压出的金属长度比Q2孔的长。Q1/Q2=0.71方形管分流模双孔挤压过程中金属的流动行为方形管分流模双孔挤压过程中金属的流动行为在填充焊合阶段填充焊合阶段，3股金属相继与焊合室底面接触，形成径向流动而填允焊合室。Q2孔内的金属只向模具中心侧流动填充，而Q1孔的金属进入焊合室后向两侧分流填充，使其速度被分解，焊合面端部速度小于由Q2孔内流入焊合室的。Q1孔较小，从Q2孔流出的金属成为填充焊合室的主要来源，从而最终导致焊缝偏向模具中心位置，并使焊缝两

42、侧方管表面流速不等。在焊合及成形阶段焊合及成形阶段，延续了填充焊合阶段的金属不均匀流动，Q2孔对应的方管外侧金属流量大、速度快，导致焊缝位置偏离方管的对称中心，型材离开模孔后向模具中心侧弯曲，形成刀弯，并产生碰触。Q1/Q2=0.71方形管分流模双孔挤压过程中金属的流动行为方形管分流模双孔挤压过程中金属的流动行为Q1/Q2=0.71Q1/Q2=0.93Q1/Q2=1.03Q1/Q2=1.13挤压模拟工程实例之二小直径薄壁纯铝圆管挤压过程数值模拟及模具优化小直径薄壁纯铝圆管挤压过程数值模拟及模具优化一、有限元几何模型的建立一、有限元几何模型的建立二、模拟参数的设置二、模拟参数的设置小直径薄壁纯铝

43、圆管挤压过程数值模拟及模具优化小直径薄壁纯铝圆管挤压过程数值模拟及模具优化三、变形金属在分流模中的成形过程三、变形金属在分流模中的成形过程在分流阶段，材料被分成3股进入分流孔；在焊合阶段，材料进入焊合室，在高温高压下融合成为一体；在成形阶段，材料充满焊合室后从工作带挤出成形。分流阶段分流阶段焊合阶段焊合阶段成形阶段成形阶段小直径薄壁纯铝圆管挤压过程数值模拟及模具优化小直径薄壁纯铝圆管挤压过程数值模拟及模具优化四、模具优化设计四、模具优化设计-焊合室深度与工作带长度焊合室深度与工作带长度焊合室深度越大则容积越大，金属在填充焊合室的过程中，挤压力变化越缓慢；金属充填时间越长，变形时产生的塑性变形热

44、越大，降低了金属流动应力，从而降低挤压力。然而焊合室深度过大，可使坯料与模具的摩擦面积增大，使得摩擦阻力增加，进而增加了挤压力。由图可知，焊合室深度为5mm时挤压力最大值为579kN，而焊合室深度为3mm和7mm时，挤压力最大值分别为708kN和663kN。1.焊合室焊合室深度对挤压力的影响深度对挤压力的影响图图 不同焊合室深度时的不同焊合室深度时的行程行程-载荷曲线（载荷曲线（L=2mm）小直径薄壁纯铝圆管挤压过程数值模拟及模具优化小直径薄壁纯铝圆管挤压过程数值模拟及模具优化四、模具优化设计四、模具优化设计-焊合室深度与工作带长度焊合室深度与工作带长度焊合室深度越大，焊合室内的静水压应力就越

45、大；焊合面上平均应力值已经超过了材料的屈服强度，变形金属可以充分焊合；焊合室深度越大，金属流动过程中产生的塑性变形热越大，焊缝处的金属可以充分扩散，产品的焊合性能越好；同时金属流动越均匀，模芯受力均衡，且不容易产生偏移，从而使制品壁厚均匀。2.焊合室深度对焊合面上静水压应力的影响焊合室深度对焊合面上静水压应力的影响小直径薄壁纯铝圆管挤压过程数值模拟及模具优化小直径薄壁纯铝圆管挤压过程数值模拟及模具优化模具的最大等效应力是引起热挤压模具产生裂纹的主要原因之一，而等效应力值的大小与模具的主要结构参数值密切相关；上模桥部应力集中明显，容易造成磨损和断裂，在设计模具时，应尽量降低桥部应力；由图可知，焊

46、合室深度为5mm时上模等效应力最小。3.焊合室深度对模具应力的影响焊合室深度对模具应力的影响不同焊合室深度时上模等效应力不同焊合室深度时上模等效应力H=3mmH=5mmH=7mm小直径薄壁纯铝圆管挤压过程数值模拟及模具优化小直径薄壁纯铝圆管挤压过程数值模拟及模具优化焊合室深度为3mm时，下模应力集中分布在工作带附近以及焊合室圆角过渡区；焊合室深度为7mm时，应力集中分布在圆角过渡区；焊合室深度为5mm时，应力分布最均匀；焊合室深度过小会使变形热低，金属流动应力大，在挤出工作带时使下模产生应力集中；焊合室深度过大会使挤压时绝大部分金属堆积在焊合室内，边缘处于死区，横向压应力压迫模具四周，缩短模具

47、寿命。3.焊合室深度对模具应力的影响焊合室深度对模具应力的影响不同焊合室深度时下模等效应力不同焊合室深度时下模等效应力H=3mmH=5mmH=7mm小直径薄壁纯铝圆管挤压过程数值模拟及模具优化小直径薄壁纯铝圆管挤压过程数值模拟及模具优化四、模具优化设计四、模具优化设计-焊合室深度与工作带长度焊合室深度与工作带长度工作带是垂直模具工作端面并用以保证挤压制品的形状、尺寸和表面质量的区段工作带过长，坯料与工作带表面摩擦力就会增大，金属在挤出工作带时的挤压力越大。同时，工作带过长容易产生金属流速不均，造成产品壁厚不均匀；工作带过短，产品尺寸难于稳定，易产生波纹、椭圆度、压痕、压伤等废品。同时，模具易磨

48、损。会显著降低模具的使用寿命。4.工作带工作带长度对挤压力的影响长度对挤压力的影响不同工作带长度时的不同工作带长度时的行程行程-载荷曲线（载荷曲线（H=5mm）小直径薄壁纯铝圆管挤压过程数值模拟及模具优化小直径薄壁纯铝圆管挤压过程数值模拟及模具优化应力集中发生在分流桥和模芯部位；焊合室深度为7mm时，应力集中分布在圆角过渡区；由于产品外径尺寸小，工作带过长，模芯易产生偏移，挤压时会造成断裂。因此，在设计模具时应确定合理的工作带长度，以保证模具寿命；当工作带长度为2mm时，应力分布最均匀。5.工作带长度对模具应力的影响工作带长度对模具应力的影响不同工作带长度时上模等效应力不同工作带长度时上模等效

49、应力L=1mmL=2mmL=3mm小直径薄壁纯铝圆管挤压过程数值模拟及模具优化小直径薄壁纯铝圆管挤压过程数值模拟及模具优化工作带越长，挤压阻力越大，金属流动速度越慢，滞留在下模桥墩部位的金属越多，下模应力越大，容易造成挤压死区，产生应力集；工作带长度为2mm时应力分布最均匀；工作带过长，挤压时容易将坯料表面的杂质、油污等逐渐堆积在挤压死区和塑性流动区之间，随着金属流动被带到焊合部位，影响焊合质量和挤压产品的表面质量。5.工作带长度对模具应力的影响工作带长度对模具应力的影响不同工作带长度时下模等效应力不同工作带长度时下模等效应力L=1mmL=2mmL=3mm小直径薄壁纯铝圆管挤压过程数值模拟及模

50、具优化小直径薄壁纯铝圆管挤压过程数值模拟及模具优化工作带过短，易使挤压产品出现压痕和椭圆度缺陷；工作带过长，金属与模具接触的时间越长，容易粘结金属颗粒产生划伤；选择合理的工作带长度，对控制挤压铝管表面质量具有重要意义。6.实验验证实验验证图图 不同工作带长度时压产品的表面质量不同工作带长度时压产品的表面质量L=1mmL=2mmL=3mm挤压模拟工程实例之三AZ31 镁合金连续挤压扩展成形流动速度分布规律镁合金连续挤压扩展成形流动速度分布规律一、问题的提出一、问题的提出连续挤压扩展成形是一种利用摩擦力驱动小截面杆坯进入扩展型腔内，经过扩展流动形成大截面产品的变形过程，具有流程短、节能、环保和高效