镁合金丝材拉拔成形及数值模拟研究

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镁锌合金作为一种生物医用镁合金具有生物安全性高、力学性能好以及加工性能优良的特点,在生物可吸收植入器械领域有广泛的应用前景,而高性能镁合金丝材的制备是开发生物镁合金植入器械中重要的一个环节。本研究利用等通道转角挤压(ECAP)对Mg-6Zn合金改性,制备出显微组织均匀细小的原材料,并在此基础上结合数值模拟的方法,优化镁合金丝材的拉拔成形工艺,制备出高性能镁锌合金丝材,为生物医用镁合金植入器械的开发提供思路。  研究发现ECAP可以显著细化Mg-6Zn合金的显微组织,160℃下ECAP后晶粒可以细化至2μm~3μm。与此同时ECAP会诱发析出MgZn2相和Mg4Zn7相,在低温(160℃)下ECAP会有Mg4Zn7相析出。随着挤压道次的上升Mg4Zn7相转变为MgZn2相,在高温(200℃以上)ECAP则会同时诱发析出MgZn2相和Mg4Zn7相。160℃下,ECAP2道次后,屈服强度和抗拉强度达到最大值,分别为278MPa和340MPa,但随着挤压道次的增加强度没有明显增加,而温度的增加会降低屈服强度和抗拉强度,其延伸率会有所增加。相比于在160℃下ECAP,Mg-6Zn合金在200℃时ECAP处理具有良好的塑性成形能力,多道次加工不容易开裂,显微组织均匀细小,具有良好的综合力学性能。因此采用经过200℃下6道次ECAP处理的Mg-6Zn合金作为丝材拉拔的原材料。  在高温下,对200℃下6道次ECAP处理的Mg-6Zn合金进行不同速率的拉伸测试,并以此建立了数值模拟的材料模型。通过对Mg-6Zn合金丝材拉拔过程数值模拟考察了模具工作锥角度和拉拔压缩率对平均应力、等效应变的影响。分析发现丝材外表面的应变大于丝材内部,随着压缩率的增加,等效应变逐渐增大,而拉拔角度对等效应变的分布没有明显变化规律。通过计算不均匀性指数得出,随着压缩率的增加,不均匀指数越小,表明丝材拉拔过程中均匀性更好,而随着角度的增大,不均匀指数越来越大。通过平均应力云图可以发现,丝材拉拔过程中存在零应力面。最大压应力和最大拉应力都位于丝材表面,因此拉拔过程中丝材表面最容易产生断裂。随着压缩率的增大,压应力和拉应力区域都逐渐增大,并且在压缩率为20%和25%时,丝材内部也出现了较大的压应力,这有利于丝材的变形。基于以上结论,选用拉拔角度为9°的模具,丝材拉拔压缩率在20%左右。  本文制定了Mg-6Zn丝材拉拔的工艺,经过多道次拉拔后成功制备出镁锌合金丝材,并将未经ECAP处理的材料制备成丝材与其进行对比。显微组织观察发现经过ECAP处理后拉拔成形的丝材,晶粒发生了完全再结晶,第二相基本溶解,而未经过ECAP处理制备的丝材有大量细小的析出相,并且有些部位发现微裂纹。经过ECAP处理制备成的丝材屈服强度为180MPa,抗拉强度为255MPa,延伸率为11%,明显高于未经ECAP处理的镁锌合金丝材。
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