（材料加工工程专业论文）变形镁合金板材拉深成形实验研究.pdf

摘要 摘要 镁合金作为新型轻合金材料越来越得到人们的关注，它具有密度低、比强度和比 刚度高、抗震及减震性强、电磁屏蔽效果优异及易于回收等一系列优点。镁合金在电 子、汽车、航空和航天等领域具有广阔的应用前景，被誉为是2 1 世纪最具发展前途 的金属材料。研究镁合金板成形规律、镁合金板热成形工艺技术对于实现镁合金板 力n - r - 的实用化和产业化具有重要的现实意义和经济价值。 变形镁合金比铸造镁合金晶粒细小，成分偏析低，具有较好的强度和塑性，是性 能优良的镁合金。但是，由于镁为密排六方结构，塑性变形能力差，加工成品率低， 制约了其应用。当加热到一定温度，使板材处于热塑性变形状态下其加工硬化过程不 断被回复、再结晶过程所抵消。这样，镁合金板材处于一种低强度、高塑性的软化状 态，成形性能会得到明显的改善。本文的主要目的就是研究变形镁合金的拉深工艺性 能，改善其成形能力，从而扩展其应用范围。 本课题选取冲压工艺中较为广泛应用的拉深工艺作为主要研究方向，选择目前应 用最多和性能优异的变形镁合金a z 3 1 ，通过筒形件加热拉深试验，探索镁合金板料 拉深成形工艺中的各项参数对成形性能的影响。设计并加工了镁合金板料拉深成形实 验的模具。把凸模、凹模和压边圈等重要的工作零件设计成分体结构或活件结构，对 于今后实验中的试模修模及各种调整将会有很大的便利。 设计了一套模具加热装置。采用专用的加热炉可以保证对板料温度的精确控制， 并防止板材加热过程中的氧化。模具加热采用在受热零件中加入加热棒进行加热的方 式，并可通过在电路中设置交流接触器和数字温控仪实现对加热温度的设定和控制。 压边力是拉深成形中很重要的工艺参数，本文对压边力提出了三种不同的提供方 式，通过实验选择了较为合理的一种，并在此后的实验中作了进一步完善。采用了两 种压边力大小的计算方式，并在试验中各自进行了验证。为今后镁合金板材拉深工艺 的设计提供了一定的依据。 温度是镁合金板材成形中重要的影响因素。本文通过试验归纳了加热状态下镁合 金板材的成形特点，对其主要缺陷形式的特征及成因进行了分析，研究了加热使其塑 性改善的表现和原因。阐明了温度对其成形性能的影响主要是在高温下激活了非基 面的滑移系，滑移系的增加使滑移变得容易，从而使材料表现出了较好的塑性成形性 能。初步探索了适于镁合金板材拉深成形的温度范围，认为在1 8 0 - - , 2 4 0 。c 范围内成 山东大学硕十学位论文 形效果较好。 模具结构参数对镁合金板材的塑性成形有重要影响。它包括凸模及凹模的圆角半 径，凸、凹模间隙等。在凸模和凹模圆角半径分别为5 r a m 和l o m m 的条件下做了试 验并进行对比。选择了容易成形的圆角半径范围。对凸、凹模单边间隙的范围进行了 探讨。选择了较合理的单边间隙。 板材拉深实验的成形速度对成形效果也有很关键的影响。对此进行了初步探讨， 认为在探索性试验的阶段，应该尽量采取较慢的成形速度，以防止材料破裂。因此选 择液压机作为成形设备，并采用较合理的操作方式保证其顺利成形。 分析了拉深过程中的摩擦和润滑特征，选用了两种适应于镁合金板料拉深成形的 润滑剂，并对润滑部位的选择进行了分析。 关键词：变形镁合金，板料，拉深，工艺实验 i i a b s t r a c t a b s t r a c t m a g n e s i u ma l l o y sp o s s e s sm a n ya d v a n t a g e sw i t hl o wd e n s i t y ，h i g hs p e c i f i cs t r e n g t ha n d s p e c i f i cs t i f f n e s s ，s t r o n gc a p a c i t yo fa n t iv i b r a t i o na n dd a m p ，e x c e l l e n te l e c t r o m a g n e t i c s h i e l d i n g ，e a s yr e c o v e r ya n ds oo n ，w h i c hi sb r i g h tp r o m i s i n gt ob ew i d e l yu s e da sl a r g e a g e ac o v e r i n gi ne l e c t r o n i c ，c a r ，v e h i c l e ，a v i a t i o na n ds p a c e f l i g h tf i e l da n ds oo n ，a n di s r e g a r d e da s2 1 s tc e n t u r y sm e t a lm a t e r i a l sw i t ht h eb e s td e v e l o p i n gp r o s p e c t i th a si m p o r t a n tr e a l i s t i cm e a n i n ga n de c o n o m i cw o r t ht os t u d yt h ef o r m i n gl a wa n dt h e t h e r m a lf o r m i n gt e c h n o l o g yo fm a g n e s i u ma l l o ys h e e t so u to fs h a p ef o rr e a l i z i n gt h e p r a c t i c a la n d i n d u s t r i a l i z a t i o no fm a g n e s i u ma l l o ys h e e tp r o c e s s i n g w r o u g h tm a g n e s i u ma l l o y sh a v eb e t t e rs t r e n g t ha n dp l a s t i c i t y ，s m a l l e rg r a i na n dl o w e r i n g r e d i e n ts e g r e g a t i o nt h a nc a s t i n gm a g n e s i u ma l l o y s ，w h i c hi s e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e m a g n e s i u ma l l o y s h o w e v e r , t h em a g n e s i u mi sc l o s e p a c k e dh e x a g o n a ls t r u c t u r e ，s o i t s p l a s t i c i t yd e f o r m a b i l i t ya n dr a t e o ff i n i s h e dp r o d u c t sa r el o w w h e nh e a t i n gc e r t a i n t e m p e r a t u r e ，t h es h e e t sw o r kh a r d e n i n gp r o c e s si sc o n s t a n t l yo f f s e tb yt h ep r o c e s so ft h e r e v e r s i o na nr e c r y s t a l l i z a t i o ni nt h es t a t eo ft h e r m a lp l a s t i c i t y i nt h i sw a y ，t h em a g n e s i u m a l l o ys h e e t sa r ei nak i n do fs t a t eo fs o f t e n i n go fl o wi n t e n s i t ya n dh i g hp l a s t i c i t y ，a n dt h e f o r m i n gc a no b t a i no b v i o u si m p r o v e m e n t i ti s o n eo fm a j o rr e s e a r c ho b j e c t sa b o u t d e v e l o p i n gw r o u g h tm a g n e s i u ma l l o y st os t u d yt h et e c h n o l o g yo fm a g n e s i u ma l l o y ss h e e t p r e s s i n g ，i m p r o v ei t sd e f o r m a b i l i t ya n de x p a n di t sa p p l i c a t i o nf i e l d s t h em a j o rd i r e c t i o no ft h i sa r t i c l ei sd r a w i n gw h i c hu s e dw i d e l yi np r e s s i n gt e c h n o l o g y a z 31 w a st h em a t e r i a lu s e di nt h ee x p e r i m e n t ，w h o s ea p p l i c a t i o ni st h em o s ta n dt h e p e r f o r m a n c ei se x c e l l e n c e t h ei n f l u e n c eo fs o m ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r si nb l a n kd r a w i n g t ot h ed r a w a b i l i t yo ft h eb l a n kw a sr e s e a r c h e dt h r o u g ht h ed r a w i n ge x p e r i m e n to f c y l i n d r i c a ls p e c i m e n s t h em o u l df o rd r a w i n g w a sd e s i g n e dw h o s ep u n c ha n dd i ew e r ea l l d i v i d e d ，a n dt h eb l a n k - h o l d i n gb l o c kw a sm o v a b l e t h a tw a sc o n v e n i e n tf o rt h ef u r t h e r s t u d y af u r n a c ew a su s e d t h et e m p e r a t u r ec a nb ee x a c t l yc o n t r o l l e da n dt h eb l a n kw i l ln o tb e o x i d i z e d h e a t i n gr o d sw e r ep u ti n t ot h em o u l dt oh e a tt h e m a cc o n t a c t o ra n dd i g i t a l t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rw e r eu s e dt os e ta n d m a i n t a i nt h et e m p e r a t u r e t h eb l a n kh o l d i n gf o r c ew a sak e yp a r a m e t e ri nd r a w i n g t h r e ew a y so fb l a n kh o l d i n gw e r e a p p l i e di nt h i sp a p e r ，a n dt h eo n eu s e ds p r i n gw a s b e s t i tw a si m p r o v e dl a t e r t w ow a y st o i i i 山东大学硕十学付论文 e s t i m a t et h eb l a n kh o l d i n gf o r c ew e r ev e r i f i e ds e p a r a t e l y ，w h i c hp r o v i d e ss o m er e f e r e n c e f o rt h ed r a w i n g t e c h n i q u e t h et e m p e r a t u r ew a sa l li m p o r t a n tp a r a m e t e r t h ed e f o r m i n gf e a t u r e so fm a g n e s i u ma l l o y u n d e rt h e r m a ls t a t ew e r eg e n e r a l i z e db yt h ee x p e r i m e n t t h ef e a t u r ea n dr e a s o no fs o m e m a i nd r a w b a c k sw e r ea n a l y z e d t h ei n c r e m e n to ft h es l i ps y s t e mu n d e rt h e r m a ls t a t ew a s t h em a i nr e a s o nf o rt h ei m p r o v e m e n to ft h ep l a s t i c as u i t a b l er a n g eo ft h ef o r m i n g t e m p e r a t u r ei s1 8 0 。c - 2 4 0 。c t h em o u l ds t r u c t u r ep a r a m e t e r sc a nd e e p l yi m p a c tt h ef o r m i n go ft h eb l a n k t h er a d i io f t h ep u n c ha n dt h ed i ew e r e5 m ma n d l o m ms e p a r a t e l yi nt w oe x p e r i m e n t s t h er e s u l t sw e r e c o m p a r e dt oc h o o s et h ep r o p e rv a l u e t h ep r o p e rr a n g eo ft h es p a c eb e t w e e np u n c ha n dd i e w e r e t h ef o r m i n gs p e e dw a sv i t a li nt h ee x p e r i m e n t s ot h eh y d r a u l i cp r e s sa n das l o w e rs p e e d w e r ec h o s e nt oa s s u r a n c et h ei n t e g r i t yo ft h es p e c i m e n s t h ef r a c t i o na n dl u b r i c a t i o nw e r ei n t r o d u c e da n dt w op r o p e rl u b r i c a t i o n sw e r eu s e d t h e p a r t so nt h em o u l dt ol u b r i c a t ew e r ea n a l y z e d k e yw o r d s ：w r o u g h tm a g n e s i u ma l l o y ，s h e e t ，d r a w i n gp e r f o r m a n c e ，t e c h n i c a le x p e r i m e n t s 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：崮差壶 e l 期：幽：茎娑 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅：本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者躲邋聊虢塑e t 期：遇! 堇：兰! 第一章绪论 第一章绪论 引言 本章主要介绍了金属镁及其合金的特性、镁合金的应用领域、几种目前较为成熟 的镁合金加工技术，分析了镁合金板料成形技术的国内外研究现状，阐述了该课题的 主要研究内容、研究意义及前景。 1 1 金属镁及其合金的特性 金属镁及其合金是迄今在工程中应用最轻的结构金属材料。镁的密度为 1 7 4 9 c m 3 ，是铁的1 4 ，铝的2 3 。熔点是6 5 0 ( 1 2 0 2 f ) ，与铝的熔点大致相等。它 也是地壳中含量最丰富的元素之一，约占地壳组成的2 5 ，主要以白云石 ( c a c 0 3 m g c 0 3 ) 、菱镁矿( m g c 0 3 ) 和光卤石( k c l m g c l 2 6 h 2 0 ) 存在。 我国是镁资源大国，镁资源储量占全球总储量的2 2 5 ，居世界首位，镁资源 的开发与应用具有极大的潜力。我国的菱镁矿资源总量3 1 4 5 亿吨。符合炼镁要求 的一、二级矿占7 8 。同时，储量巨大的白云石矿和青海的盐湖。也含有十分丰富的 镁资源。白云石资源已探明储量在4 0 亿吨以上，青海盐湖蕴藏有氯化镁3 2 亿吨、硫 酸镁1 6 亿吨。我国目前共有镁生产企业1 0 0 余家，全国的原镁产量约占全球总产量 的6 6 ，是世界上第一大镁生产国，同时也是世界第一大镁出口国【1 1 。 镁合金具有许多独特的性能和优点，被誉为“2 1 世纪绿色工程金属结构材料， 成为汽车、摩托车等交通工具及计算机、通讯、仪器仪表、家电、轻工、军事等行业 的重要选材。镁合金作为工程应用材料的优势主要体现在以下几个方面1 2 】【3 】： 1 密度小，只是钢铁的2 9 ，铝合金的2 3 ，是最轻的结构合金，能有效降低部 件的重量，节约能耗。 2 比强度大，略低于比强度最大的纤维增强材料，远高于工程塑料。 3 阻尼性很好，吸收能力强，具有极强的减震性，可用于震动剧烈的场合，用在 汽车上可增强汽车的安全性和舒适性。 4 导热性好，膨胀系数较大，弹性模量低，稍逊于一般的铝合金，是一般工程材 料的3 0 0 倍，且温度依赖性低，可用于制造要求散热性能好的电子产品。 山东大学硕十学位论文 5 镁合金是弱磁性材料，电磁屏蔽性能好，抗电磁波干扰能力强，可用于手机等 通讯产品。 6 镁合金加工成型性好，易于切削加工，外观质感好，可制作笔记本电脑、照相 机等外壳。 7 镁合金线收缩率很小，尺寸稳定，相对于工程塑料而言，不易因环境改变而改 变。 8 镁合金易于回收再利用。合金废品回收利用率可达到1 0 0 ，符合环保要求。 大多数纯金属，包括镁在内都太软而不能作为结构材料。然而，在某些情况下， 通过热处理或加工成形可把镁和其它金属制成合金，其强度性能与很多铝合金相当。 由于镁具有较大的原子半径以及较强的正电性，大部分合金元素在镁中的固溶度很 小，并且易于与镁形成稳定的金属间化合物，因而可选择的合金元素受到了很大限制。 在镁合金中常用的合金元素有、z n 、m n 、s i 、l i 、c u 、a g 、z r 、t h 、r e ( y 、 n d 、和c e ) 等【4 】o 1 2 镁合金的应用 镁合金可加工成为铸件、挤压件、锻件和冲压件等，可以通过焊接或铆接等常用 的连接方法连接起来，镁合金比强度高，便于机械加工，尺寸稳定性好，抗冲击和抗 压性高，减震性能好，惯性较小，适合于需要不断的、高速的变化运行方向的零件。 镁合金的各项优点使得它广泛应用于航空航天、汽车制造、通讯产品、家电、摩托车 等的制造。由于镁合金加工成形性能好，外观质感好，尤其适用于产品要求轻巧美观 的手机、笔记本电脑、数码相机、m d 卫星可携带录放机等产品的外壳。镁合金在汽 车和通讯设备制造等领域的应用已经非常广泛。 镁合金独有的一些特性使得它适合用于汽车零件，具体体现在以下几个方面【5 j ： 1 镁合金质量轻，密度小，能减轻整车重量，也就间接减少了燃油消耗量。 2 比强度高于铝合金和钢，比刚度接近铝合金和钢，能够承受一定的负荷。 3 具有良好的铸造性和尺寸稳定性，易加工，废品率低，从而降低生产成本。 4 具有良好的阻尼系数，用于壳体可以降低噪声，减少振动，提高汽车的安全性 和舒适性。 5 镁合金铸件易于集成化，可以将原来设计的3 0 6 0 个零件集成为一个零件， 2 第一章绪论 大大降低加工费用和零件组装费； 6 镁合金具有非常优异的热变形及能量吸收能力，可以大大提高汽车的安全性 能。 3 c 产品c o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o n ，c o n s u m e re l e c t r o n i cp r o d u c t s ( 计算机、通 讯、消费类电子产品) 是当今全球发展最快的产业。从1 9 9 0 年起，3 c 产品一直保持 着快速增长的势头。电子工业的硬件部分的发展与新技术和新产品的开发紧密相连。 目前日本和台湾在这个领域保持领先地位，除生产笔记本电脑、m d 随身听和数 码相机三大采用镁合金最多的产品外，还开发出带有镁合金部件的手机、摄像机、电 视机外壳、c d 播放机、掌上电脑等。随着消费者对轻、薄、短、小以及时尚新潮 的要求越来越多，在3 c 产品的外壳应用上，镁合金已有逐渐取代a b s 、p c 等材料 的趋势。镁合金与传统3 c 产品所使用的材料相比，其优越性表现在以下几个方面【6 】： 1 轻量化；2 刚性较高；3 减振性能良好；4 电磁波绝缘性佳；5 散热性良好；6 耐蚀 性佳；7 质感极佳；8 易于回收。 1 3 镁合金的牌号及分类 1 3 1 镁合金的牌号 镁合金的牌号主要反映了其合金元素的成分和质量分数。按照国标 g b 仍1 5 3 2 0 0 3 的规定，镁合金牌号以英文字母加数字再加英文字母的形式表示。以 一种常用牌号a z 3 1 b 来说明，前面的英文字母是其最主要的合金组成元素代号，其 中a 代表质量分数最高的合金元素舢，z 代表质量分数次高的合金元素z n ，随后的 数字表示其最主要的合金元素的大致含量。3 表示伽的质量分数大致为3 ，1 表示 z n 的质量分数大致为1 。最后面的英文字母b 为标识代号，用以标识各具体组成元 素相异或元素含量有微小差别的不同合金。z k 6 1 s 代表合金元素z l l 、z r 的质量分数 分别约为6 和1 的一种合金。牌号中的数字在于说明一个大致的范围，并非真正精 确的含量，例如a z 3 1 b 中各合金元素的真实含量分别为：2 5 - 3 5 ，z n 0 7 , - - , 1 3 ， m n 0 2 。 需要说明的是，这个标准是在2 0 0 3 年依据国际常用的镁合金牌号命名规则进行 修改的，此前国内通用的牌号是以m b 进行标识，主要包括m b l 、m b 2 、m b 8 、 m b l l 、m b l 5 等。这些牌号现在已经对应转化为新牌号，但在某些文献中可能还会有 3 【上j 东大学硕十学位论文 所提及，其中，m b 2 相当于新国标( 也是美国国标) 的a z 3 1 b ，m b l 相当于m i a 等。 1 3 2 镁合金的分类 一般来说，镁合金分类依据有三种：合金化学成份、成形工艺和是否含有锆。按 照化学成份可以分为m g - a i ，m g m n ，m g - z n 等二元系，以及m g a i z n ，m g - a i m n 等三元系和多元系。按照成形工艺，镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金。 1 3 2 1 铸造镁合金 目前应用的镁合金结构件一般都是铸造产品，其中又以压铸件居多。现在世界工 程构件镁合金需求的9 8 来自于压铸行业。常用的压铸镁合金大多是美国牌号，主要 有4 个系n - a z 系j i j ( m g - a i - z n - m n ) ，a m 系y l j ( m g - a i m n ) ，a s 系弓i j ( m g a i - s i ) ，a e 系 ；i j ( m g - a i - r e ) 。 1 a z 系合金 a z 系合金一般指a z 9 1 系列合金，它具有均衡的力学性能、铸造性能和耐蚀性。 其屈服强度最高，一般用于制造形状复杂的薄壁铸件。它也存在耐热性差这一严重缺 点。a z 9 1 d ( m g ，a 1 - 9 ，z n - 0 7 ，m n - 0 1 3 ) 是a z 系列的典型型号，为高纯牌号，通 过加入少量的锰来形成m g f e m n 化合物而减少铁的质量分数，改进合金的耐蚀性能， 其f e ，n ，c u 等杂质的质量分数仅为一般镁合金的1 1 0 ，是一种室温使用的主要高 纯压铸镁合金。其抗腐蚀能力明显高于a 3 8 0 铝合金和碳钢【7 】【8 1 。 2 a m 系合金 a m 系合金具有优良的韧性和塑性，用于经常受冲击载荷、安全性较高的场合， 常用于座架和设备仪表盘等，其主要合金为a m 6 0 。a m 6 0 b ( m g ，a i 6 ，m n - 0 1 3 ) 为其典型型号，具有优良的耐盐雾性能。a z 9 1 d 和a m 6 0 b 构成了汽车上镁合金应用 量的9 0 。与a z 9 1 合金相比，a m 6 0 合金由于含铝量较低，使合金中含铝的二次化 合物相的析出量有所减少，故该合金的塑性和韧性较高，强度则有所降低。a m 2 0 合 金含铝的成分最低，强度也最低，但塑性最好。 3 a s 系合金 a s 系合金有较好的抗蠕变性能，通常用于工作温度较高的发动机零件，a s 4 1 a ( m g ，a i 一4 2 ，s i 1 0 ，mn 0 2 ) 为典型牌号，具有较好的抗拉强度、屈服强度和很好 4 第一章绪论 的伸长率。由于铝含量较低，a s 4 1 a 要求有较高的铸造温度。a s 4 1 a 已用于空冷汽 车发动机的曲轴箱和大众汽车公司的许多零件，如风扇罩和电机支架，叶片导向器和 离合器活塞等。a s 系列合金由于s i 的引入在组织中易形成硬的硅质点。钠和锶能从 根本上改善硅相的结构而起到很好的变质效果。 4 a e 系合金 a e 系合金比a s 系合金有更好的抗蠕变性能，a f a 2 ( a 1 4 ，r e 2 5 ，m n 0 1 ) 应用于汽车动力系统颇受好评。由于稀土对m g a i 基合金强度及蠕变性能有很大影 响，压铸a e 4 2 合金具有比m g a 1 s i 合金更好的抗蠕变性能，能在2 0 0 c 、 2 5 0 。c 下 长期使用【9 1 。由于a e 对高温性能的改善有限，且铸造较为困难，再j j i 上稀土成本较 高，所以暂时无法推广应用a e 系列合金。 1 3 2 2 变形镁合金 变形镁合金通过塑性加工和热处理可以获得比铸造镁合金材料更高的强度、更好 的延展性、更多样化的力学性能，变形镁合金的分类依据一般有两种：合金成分和是 否可热处理强化。按照化学成分来进行分类，变形镁合金系列主要分为以下几种： 1 m g a i z n m n 系合金 m g a i 系变形镁合金的典型牌号有a z 3 1 ，a z6 1 ，a z8 0 等。此类合金具有良好 的强度、塑性和耐腐蚀的综合力学性能和良好的焊接性能，可以制成形状复杂的锻件 和模锻件，可用于制造飞机内部构件、舱门、壁板及导弹蒙皮等。 2 mg l i 系合金 m g l i 系合金是超轻的变形镁合金，i j 的密度只有0 5 3g c m 3 ，用l i 作合金元素， 除降低密度外，u 的加入可以在合金中形成具有b c c 结构的p 相，显著改善镁合金的 塑性。但通常m g l i 合金的强度很低，耐热性能和耐腐蚀性能差。加入灿，z n ，c d ， s i ，m n 和r e 等元素可以提高合金的强度和组织稳定性。高强度超轻的m g l i 合金 的开发是镁合金研究的热点之一。 3 m g m n 系合金 该系列包括m 1 ( m b l ) 、z m 2 1 、z m 3 1 和m b 8 等。具有较高的耐腐蚀性能，无 应力腐蚀倾向，焊接性能良好。可以加工成各种不同规格的管、棒、型材和锻件，其 模锻件可制作外形复杂构件，管材多用于汽油、润滑油等要求抗腐蚀性的管路系统。 4 mg - z n - z r 系合金 该系列合金包括z k 6 0 ( m b l 5 ) 、z k 6 1 ，m b l 8 ，m b 2 1 等，此类合金的塑性中等， 5 山东大学硕士学位论文 室温下拉伸屈服强度和压缩屈服强度以及高温瞬时强度都明显优于其它合金( 如 a z 3 1 等) ，具有良好的成形和焊接性能，无应力腐蚀倾向。 5 m g r e 系合金 r e 代表稀土元素，该系列合金主要包括z e l 0 、m b 8 等。具有优异的耐热性和耐 腐蚀性，一般无应力腐蚀倾向，广泛用于制备薄板或厚板、挤压材和锻件等。 6 m g - t h 系合金 该系列主要包括的是美国h k 3 1 ，h m 2 1 ，h m 3 1 等。该类合金具有优良的高温性 能，焊接性能良好。但对人体和环境有一定的危害，通常被限制使用。 1 4 镁合金的塑性变形机理 金属材料的塑性变形主要是通过位错运动来实现的，而镁合金中主要的位错运动 方式可以归结为滑移、交滑移和孪生三种。由于镁合金的交滑移机制十分复杂，迄今 尚无一种理论模型能诠释所有温度和应变速度范围内镁合金的塑性变形行为，故在此 不作详细地分析。仅从常用的位错和孪晶机制探讨镁合金的塑性变形。 1 4 1 镁合金的晶体结构与位错特征 纯镁及大部分镁合金均具有密排六方晶体结构，其轴比( c a ) 值为1 6 2 3 ，接近 较理想的密排值1 6 3 3 。镁合金的晶体结构如图( 2 1 ) 所示，并在其上标明了一些指 数较低的重要晶面和晶向。 a l a y 玎 b l a y e r c l a y e r 【0 0 0 1 】 i 2 0 】【i o i o 【i l l 【 。聪炭鼍 ；赢弘 【叫 f 2 i i o 】 、【1 1 2 i ；o i o j r n ，n 1 1 图2 1 金属镁的晶体结构【1 0 1 f i g 2 1u n i tc e l lo fm a g n e s i u m 在密排六方的镁合金中，主要存在几种可能的位错： 口位错，即伯氏矢量为a 3 ( 1 1 芝0 ) 的单位位错。其伯氏矢量位于( 0 0 0 1 ) 基面 第一章绪论 并沿基面各条底边方向。它是镁合金中运动能力最强的全位错，能沿基面、棱柱面及 锥面发生滑移。 c 位错，即伯氏矢量为c ( 0 0 0 1 ) 的单位位错。它也属于镁合金中的全位错。 c + a 位错，即伯氏矢量为( c 2 + 口2 ) 1 尼( 1 123 ) 的全位u l t 目。 其中，a 位错与c + a 位错是镁合金中最常见的两种位错。 1 4 2 镁合金中的独立滑移系 c q 3 f ii q c 2 基面一 驴棱柱面 矿锥面 ( o o o i ) 3 0 0 i 0 ，3o o t l ，3 a ) 基面滑移系b ) 拌面滑移系c ) 锥面滑移系 图2 2 镁合金中的a 位错滑移【1 1 】 f i g 2 1t h eas l i pi nm a g n e s i u ma l l o y s 镁合金中主要存在以下几种独立的滑移系： 1 基面滑移系 ( 0 0 0 1 ) 基面是镁合金中原子排列最紧密的晶面，因此这是镁合金中最基本的渭移 系，从晶体学角度看基面滑移实际上只能提供两个独立的滑移系，分别为【1 1 2 0 】和 【】2 叫( 图2 2 a ) 。 2 棱柱面滑移系 这是镁合金当中另外一种滑移系。根据滑移面的不同，有两种类型的棱柱面滑移 系，p - , p ( 1 0 ：1 0 ( 1 12 0 ) 滑移，二者的滑移方向均为 。棱柱面滑移一共可以提供 两个独立的滑移系。在室温下，镁合金棱柱面滑移的临界切应力远大于基面滑移，因 此一般情况下不易启动。当温度升高或者晶粒尺寸细化至l o p m 以下时，棱柱面滑移 可在镁合金的塑性变形过程中发挥重要的作用( 图2 2 b ) 。 3 锥面滑移系 7 东大学硕士学位论文 镁合金中的锥面滑移分为a 位错滑移和c + a 位错滑移。前者能提供四个独立的滑 移系。后者在金属的塑性变形当中作用很显著。与棱柱面滑移一样，锥面滑移的临界 切应力在室温附近时比基面滑移大得多( 图2 2 c ) 。 1 4 3 影响镁合金滑移的主要因素 影响镁合金滑移的因素非常复杂，不仅和材料组织结构等本身性能有关，而且还 取决于变形工艺参数。其主要的影响因素包括变形温度、变形速度、合金元素、晶粒 度等。 1 变形温度的影响 变形温度是影响镁合金滑移和塑性变形能力的关键因素，当温度低于4 9 8 k 时， 多晶镁合金的塑性变形以滑移和孪生为主；当温度升高到4 9 8 k 以上时，由于原子活 动能力增强，非基面滑移系与基面滑移系之间的临界剪切应力差值减小，棱柱面和锥 面等潜在非基面滑移系可以通过热激活启动，从而使得镁合金的塑性变形能力得到大 幅度提高。 变形温度的另一影响在于通过对相组成的影响而改变其塑性变形能力。大多数变 形镁合金在室温状态下是多相合金，以a z 3 1 为例，当温度上升时，析出相( 夕- m g l v a l l 2 ) 的溶解度增大，甚至可完全固溶于镁基体( 口相) 中而成为单相合金，从而使镁合金 的塑性变形能力得到大幅度提高。 s r a g n e w 等人的研究发现【1 2 】，从室温到5 2 3 k 的温度范围内，镁合金的应变硬 化指数m 值随温度升高而增大，轧板横向的各向异性指数r 值随温度升高而明显降低。 这些变化都会对镁合金的塑性成形产生重大影响。 2 变形速度的影响 变形速度对镁合金滑移的影响比较复杂。变形对滑移的影响主要是通过热效应和 对加工硬化行为及位错运动产生影响。因为在变形过程中引起变形体的温度变化，进 而影响滑移及其他热变形行为。特别是当变形温度较低、变形速度较大时，热效应对 塑性成形的影响尤为突出。 当变形速度过高时，不利于相邻晶粒之间滑移的传播和连续性，容易引起晶界附 近大的应力集中。此时单纯的滑移难以释放应力，必须依靠孪生或裂纹的萌生和扩展 来协调形变并释放应力。 第一章绪论 3 合金元素的影响 在镁合金中，大部分合金元素都会降低镁合金的层错能，有些元素的加入可以使 镁合金的晶体结构发生变化，如锂可以降低镁合金的轴比c a 值。此外，合金元素还 可以通过改变镁合金的相结构及其分布方式来影响其塑性变形模式。 4 晶粒度的影响 晶粒细化可以改善镁合金的塑性，主要体现在三个方面，一是可以使位错滑移程 缩短，变形更分散均匀；二是使晶粒转动和晶界移动变得容易，晶粒转动可使晶粒取 向发生变化，使其更有利于变形；三是能激活镁合金中棱柱面和锥面等潜在的滑移系， 细晶镁合金中非基面滑移系的激活是其塑性大幅度改善的最根本原因。 1 4 4 镁合金的孪生 孪生是指在切应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面和一定的晶向发生均匀 切变的过程。孪生的形成方式主要有两种，一是通过晶体生长过程中的形核和核心长 大而形成的，比如退火孪晶和相变孪晶；另一种是通过塑性变形而形成的孪晶，称之 为变形孪晶。孪生是一种重要的晶内变形机制，它与滑移、断裂是相互竞争的应力释 放方式1 1 3 】。孪生与滑移的重要区别在于，孪生是由不全位错依次横扫孪生面的过程， 所发生的切变可均匀地波及整个孪晶带，孪晶带内晶体的取向发生了变化。 孪生对于m g a i z n 系合金的塑性变形起着非常重要的作用。它表现在：孪晶改 变了晶体取向，使不利于滑移或孪晶的晶体学取向变得有利；使晶界可以较好的满足 相邻晶粒之间的弹性应变不相容性；孪晶之间的反应生成二次孪晶，提高合金的整体 塑性；释放局部应力，减小裂纹形核，钝化裂纹尖端，阻碍裂纹的扩展。 1 4 5 影响镁合金孪生的主要因素 1 晶粒取向 孪生与滑移变形的一个重要区别在于孪生具有“极性”，即单向切变特征，例如孪 生方向为叩1 ，则沿叩1 相反的方向就不能发生孪生。这种特征使晶粒取向对孪生模式的 启动具有重要影响，并引起塑性变形时应力应变曲线的变化。由于是单向切变，孪生 的发生不仅与外界载荷的几何位向有关系，而且还取决于载荷的类型，即拉伸或压缩。 经过塑性变形后的镁合金，根据其应力应变特征往往呈现出不同类型的织构，因此对 9 l j 东大学硕十学何论文 于不同塑性变形工艺制得的镁合会材料，其发生孪生变形的条件也不同。 2 变形温度 温度越低则孪生对塑性变形的贡献越大。因为在低温时，尽管大部分孪生模式的 孪生应力随温度降低而有所升高，但这种趋势不如流动或屈服应力升高的趋势明显。 即孪生应力小于非基面滑移临界分切应力的可能性随温度降低而增大。在镁合金中， 孪生形核不是热激活过程，而是个应力激活过程，在低温变形时，因滑移系少而在 晶界附近产生大的应力集中，有利于孪生。当温度升高时，具有热激活特征的交滑移 和非基面滑移及动态再结晶可以成为释放应力集中的主导机制，由于应力集中程度减 小，不再利于孪晶的形核。 3 应变速率 孪生应力对应变速率十分敏感，随着应变速率的增加，孪生倾向增大。因为应变 速率增大时，交滑移及晶界滑移等主要由速度控制的塑性变形机制可能来不及进行， 结果在晶界或第二相等处引发局部应力集中，从而促进孪生。特别是在室温附近高速 变形时，孪生将成为镁合金塑性变形的主要机制。另外，应变速率对镁合金孪晶形貌 和分布也有影响，随着温度的升高和应变速率的降低，形变孪晶变得更加细小均匀， 从而有助于材料力学性能的提高。 4 晶粒尺寸 大量研究表明，在大小晶粒并存的镁合金中，由于粗晶内位错滑移行程大，晶界 附近应力集中严重，故孪生主要发生在粗晶内部，而细晶镁合金只有当变形温度很低、 变形速度极快时才会产生大量孪晶。因为细晶组织不仅位错滑移行程短，而且更容易 通过交滑移、非基面滑移以及动态回复等过程来释放局部应力集中，应力状态难以满 足孪晶形核的要求。 1 5 镁合金板料成形的国内外研究现状 板料的冲压成形包括拉深、弯曲、胀形等。针对不同的冲压方式，其成形性能的 控制参数不同，比如材料的拉深成形性能一般用拉深极限比表示，而弯曲成形性能用 最小弯曲半径控制，胀形成形性能常用埃里克森值来进行判断【1 4 】。板料冲压性能及其 控制受制于材料性能参数和工艺参数两个方面，这些参数一般均可通过试验得到。关 于材料性能参数及工艺参数对镁合金板料成形性能影响的试验研究，前人己做了大量 1 0 第一章绪论 的工作，得到了一些有用的结论。 1 5 1 材料性能参数对冲压成形的影响 评定镁合金板料冲压性能的材料参数可通过板料的单向拉伸等试验得到。由试验 得到的真实应力应变关系曲线可确定材料的屈服强度、抗拉强度、伸长率等性能。进 一步确定板料的硬化指数，l 值，塑性应变比，值等，还可为进行有限元数值模拟提供 数据参考。 1 5 1 1 屈服强度、屈强比、伸长率的影响 强度与伸长率是金属材料最基本的两个材料特性值。在冲压成形过程中，板料的 屈服强度小，则材料容易屈服，成形后回弹小，贴模性和定形性较好。而小的屈强比， 可使板料从屈服到拉裂有较大的塑性变形区间，因而有利于冲压成形。伸长率则直接 决定了板料在伸长类变形中的冲压成形性能1 1 4 】。镁合金板料的强度和伸长率在室温下 通常较低。随着变形温度的升高和应变速率的降低，伸长率增大，强度降低，应变硬 化能力明显下降。由此可见，温度的升高和应变速率的降低对金属有软化作用，可以 显著提高金属的成形性能【1 5 】。e d o e g e l l 6 】等对a z 3 1 b 板进行拉伸测试，从常温升温至 2 5 0 的过程中，流变应力逐渐下降，在2 0 0 时应变速率从0 0 0 2 s 。1 上升到0 2 s 一，流 变应力增加，极限拉伸率降低。张凯峰【1 7 】等在应变速率恒为4 2 x 1 0 之s ，温度为5 0 2 4 0 范围内，对a z 3 1 镁合金进行了单向拉伸试验也得到了相似的结论。 1 5 1 2 硬化指数的影响 硬化指数甩反映了金属板料成形过程中的形变硬化能力。咒值大，不仅能够提高板 料的局部应变能力，即增大失稳极限应变，在伸长类变形( 如胀形) 过程中还可以起 到使变形均匀化，减少毛坯的局部变薄和增大极限变形参数等作用。应变硬化指数厅 受温度的影响，一般随温度的升高，厅值减小【1 8 】【1 9 】【捌。f u h k u oc h e n 2 1 】等证明了a z 3 1 板在冲压时，甩值会随着温度的升高而下降。也有研究表明，以值还与板料的热处理 温度有关，a z 3 1 镁合金的咒值会随着热处理温度的