摘要：基于大变形弹塑性有限元理论，采用.0有限元程序，通过建立合理的有限元分析模型，对Cu/Al双金属复合材料静液挤压固相结合的非稳态过程进行了数值模拟研究，得到了变形体在挤压过程中的等效应力、应变分布及相对滑动量随摩擦系数的变化情况，揭示了组元金属在静液挤压成形过程中的流动规律，指出在一定的变形量条件下，增大内外层金属之间的摩擦系数是较好实现内外层金属固相结合的主要方法。
关键词：双金属复合材料；固相结合；静液挤压；数值仿真
1、引言
双金属是由两种不同性能的金属结合而成的一种复合材料[1]，它兼具两种组元金属的优良性能，具有高强度、耐腐蚀以及优异的导电、导热等综合性能，因而越来越多地应用于航空、航天、机械、化工、电力和电子等工业领域。双金属的结合方法和工艺多种多样，其中固相结合法是一种行之有效的方法[2]。它主要通过塑性成形工艺使两组元金属之间的接触表面接近到原子间的距离，形成大量的结合点，然后通过扩散热处理形成界面的牢固结合。
静液挤压工艺是一种先进的材料塑性加工工艺[3、4]，和普通的塑性加工工艺相比，其原理如图1所示。静液挤压工艺具有以下优点：坯料受到均匀的等静水压力，在挤压过程中没有镦粗变形；坯料与挤压筒、挤压轴之间不直接接触；由于介质强制润滑的作用，使得坯料变形区与挤压模之间的摩擦控制在最小范围内，因此从表层到芯部都能保持较均匀变形。这些优点将导致静液挤压工艺比一般的塑性加工工艺能够获得更大的塑性加工率[5、6]，从而能够保证铜铝双金属界面能取得更好的结合强度。
日本学者吉野雅彦等采用摩擦单元技术[6、7]，对挤压成形的稳态过程进行了有限元分析, 本文采用ANSYS8.0有限元程序，通过建立合理的有限元分析模型，对Cu/Al双金属复合材料静液挤压固相结合的非稳态过程进行了数值模拟研究，得到了变形体在挤压过程中的等效应力、应变分布及相对滑动量随摩擦系数的变化情况，揭示了组元金属在静液挤压成形过程中的流动规律，为双金属复合材料通过静液挤压工艺实现固相结合的研究提供了分析思路和研究方法。
2、建立有限元计算模型
由于在静液挤压过程中，坯料和模具几何形状、载荷及边界条件都是轴对称的，所以在有限元计算过程中采用坯料的中心纵剖面建立几何模型。图2所示为双金属静液挤压过程中试样受力图，挤压坯料内层材料选用工业纯铝，外层材料选用工业纯铜，由于铜具有较大的弹性模量，所以在计算过程中将内层金属的外表面作为接触面，外层金属的内表面作为柔性目标面，同时将外层金属的外表面作为接触面，将模具表面作为刚性目标面，建立2组接触对。采用平面四边形八节点单元划分体网格，采用平面接触单元和目标单元对接触面和目标面进行网格划分。摩擦单元生成之后会自动覆盖于体单元的表面。图3为网格划分结果。
图2 双金属静液挤压受力图
图3 网格划分结果
3、计算结果及分析
计算参数选择如下：
内层金属直径为f30，外层金属直径为f40，试样高度为40mm；
模具入口直径为f40，模具出口直径为f32，模具角度为2a＝45°；
铜和铝的本构关系方程[8]分别为：；
外层金属与模具表面摩擦系数f1分别取0.02、0.04、0.05、0.06、0.08、0.1，内外层金属接触面摩擦系数f2分别取0.05、0.10、0.15、0.2、0.25、0.3；
压下距离为25mm。
表1 相对滑移量同外层金属与模具表面摩擦系数对应关系表（f2＝0.20）
 表2 相对滑移量同内外层金属摩擦系数对应关系表（f1＝0.05）
 
图7 相对滑移量同外层金属与模具表面摩擦系数关系曲线
图8 相对滑移量同内外层金属摩擦系数关系曲线
图4所示为f1＝0.25 ，f2＝0.05时网格变形结果显示，图5所示为f1＝0.25 ，f2＝0.05时试样内部等效应力场分布等值线图，图6所示为f1＝0.25 ，f2＝0.05时试样内部等效应变场分布等值线图，表1、表2是不同摩擦系数条件下铜、铝双金属之间的相对滑移量，图7、图8是相对滑移量和摩擦系数的变化关系曲线。从上述图表作以下分析：
从图4可以看出，内层金属铝比外层金属铜多挤出一部分，由此可知，铜铝双金属在挤压过程中存在速度差，二者接触界面之间会出现相对滑动。表1、表2提供的数据显示内外层金属之间的摩擦系数和外层金属与模具表面之间的摩擦系数对内外层金属之间的相对滑移量具有一定影响，但是影响程度有所不同，从图7、图8可以看出，内外层金属之间的摩擦系数对相对滑移量具有显著的影响，随着摩擦系数的增大，内外层金属之间的相对滑移量不断减小，且二者之间的变化呈非线性的规律，即随着摩擦系数的增大，相对滑移量减小的幅度不断降低；外层金属同模具表面之间的摩擦系数对相对滑移量的影响规律为：随着摩擦系数的增大，相对滑移量线性增大，但金属同模具表面之间的摩擦系数对相对滑移量的影响程度明显弱于内外层金属之间的摩擦系数对相对滑移量的影响程度，而且对于静液挤压而言，在挤压参数优化设计之后，试样在挤压过程中，外层金属同模具表面之间将处于流体动力润滑状态[9]，这将使二者之间具有更小的摩擦系数，这样外层金属同模具表面之间的摩擦系数对相对滑移量的影响程度将进一步降低，因此相对滑移量的主要影响因素应为内外层金属之间的摩擦系数。
从图5可以看出，内层金属铝的应力值比外层金属铜的应力值小得多，这主要是由于以下两个方面的原因造成的，一是铝所处的位置不是大变形区，二是由于铝与铜相比较软，这一点很可以从铝和铜的本构关系中得到理解。也正是由于铝较软，容易发生塑性变形，在铝的某些区域，变形量比铜大，如图6所示。
4、试验研究
试样几何参数和模具几何参数均采用以上提供的数据，通过对内外层金属表面进行处理来达到所要求的摩擦系数值。对准备好的试样进行静液挤压试验，测试挤压后内外层金属的相对滑移量，试验测试结果与数值模拟结果如表3所示。其中Du1为试验测试结果，Du2为数值计算结果。表3 相对滑移量同内外层金属摩擦系数对应关系表（f1＝0.05）
 从表3可以看出，试验数据和数值计算数据之间存在一定的差距，这主要是由于试验过程中摩擦系数测试不准确所引起的，但最大误差为13.8％，表明上述采用大变形弹塑性有限元法对双金属静液挤压过程进行数值模拟是可行的，所得到的计算结果是可靠的。
5、结论
①采用大变形弹塑性有限元法模拟双金属静液挤压固相结合过程是行之有效的；
② 随着内外层金属之间摩擦系数的增大，双金属挤压后的相对滑移量不断减小，减小的幅值也不断减小；
③ 双金属挤压后的相对滑移量随外层金属和模具表面之间的摩擦系数的增大而线性增大；
④ 增大内外层金属之间摩擦系数可以有效降低双金属挤压后的相对滑移量。
参考文献
［1］曾润根，熊镜华. 热双金属生产的新工艺固相结合. 仪表材料，1997（5）：19～28
［2］郭乃成，江一. 拉拔法制造双层金属棒. 锻压技术，1995（3）：22～28
［3］Inoue N，Nishihara M. Hydrostatic extrusion—theory and application. London ：London Elsevier，1995
［4］西元正夫等. 静液挤压技术. 北京：机械工业出版社，1972
［5］Zhaohui Z and Fuchi W. Research on the deformation strengthening mechanism of a tungsten heavy alloy by hydrostatic extrusion. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials2001，19（3）：177～182
［6］Zhaohui ZHANG and Fuchi WANG. Numerical simulation on process of hydrostatic extrusion for tungsten alloy through concave dies with equal-strain contour lines. Journal of Material Science & Technology 2001，17(S1)：S17～S19
［7］吉野雅彦. 刚塑性有限要素法によゐ轴对称二层材定常押出し过程の解析. 塑性と加工，1992，33：265～270
［8］王立东，阮雪榆. 双金属固相结合的有限元分析.塑性工程学报，1997，4（4）：18～23
［9］张朝晖，王富耻，李树奎. 静液挤压过程的润滑研究. 北京理工大学学报，2000，20（2）：174～178
［10］Jung-Chung Hung，Chinghua Hung. The design and development of a hydrostatic extrusion apparatus. Journal of Materials Processing Technology，2000，104：226～235
作者简介：
张朝晖，男，1972年生，博士，副教授，北京理工大学材料科学与工程学院(end)
|
