MB22耐热镁合金热拉深成形技术分析研究毕业论文.doc

第1章概述镁及镁合金具有比强度、比刚度高，减振性、电磁屏蔽和抗辐射能力强，易切削加工，易回收等一系列优点，镁的这些优点使其被誉为“21世纪重要的绿色工程金属结构材料”并将成为21世纪重要的商用轻质结构材料，在汽车、电子、电器、交通、航天、航空和国防军事工业领域具有极其重要的应用价值和广阔的用前景.随着很多金属矿产资源的日益枯竭，镁以其资源丰富日益受到重视，特别是结构轻量化技术环保问题的需求更加刺激了镁工业的发展。目前，镁及镁合金材料的研究已成为世界性的热点。目前，美 、 日一些发达国家相继出台了各自的镁研究计划，以加强镁合金的研究、开发及应用。而我国是镁的资源大国、生产大国和出口大国，但在镁合金的研究、开发及应用方面严重滞后于发达国家。近期我国己将有关镁及镁合金的开发、应用与产业化列入国家十五科技攻关项目及863计划。这显示我国镁及镁合金的研究、开发己进入一个新的发展时期。镁属于密排六方结构金属，常温下塑性变形能力差，很难加工成板、带、棒及其它型材，因此目前使用的镁合金中，铸造镁合金产品的用量远大于变形镁合金，但经变形的镁合金材料可获得更高的强度，更好的延展性及更多样化的力学性能，可以满足不同场合结构件的使用要求。因此，研究和开发变形镁合金， 有着未来更长远的发展趋势。镁合金是迄今为止在工程应用中最轻的金属结构材料。其性能特点为(1) 因其低的密度，采用镁合金可以减轻结构重量，降低能源消耗，减少污染排放，增大运输机械的载重量和速度.(2) )镁在性环境下是稳定的，有抗盐雾腐蚀性能。镁的化学活性很强，在空气中易氧化，且生成的氧化膜疏松，所以镁合金必须在专门的熔剂覆盖下或保护气氛中熔炼，加工车间和制粉车间要特别注意防火。(3 )比弹性模量与高强度铝合金、合金钢大致相同，用镁合金制造刚性好的整体构件十分有利。镁合金的焊接性能和抗疲劳性能也不错。另外，镁合金还具有传热性好及电磁屏蔽性好的特点，这是镁合金能够应用于电子产品的重要原因。(4)有高的振动阻尼容量，即高的减振性、低惯性。由于镁合金对振动能量的吸收性能好，使用在驱动和传动的部件上可减少振动。另外，冲击能量吸收好,比铝合金具有更好的延伸率的镁合金，受到冲击后， 能吸收冲击能量而不会产生断裂。(5 ) 在高温和常温下都具有较好的塑性，因此可用压力加工的方法获得各种规格的棒材、管材、型材、锻件、模锻件和板材以及压铸件、冲压件和粉材等。(6 ) 具有优良的切削加工性能。镁合金比其它金属的切削阻力小，在机械加工时，可用较快的速度加工，且加工尺寸精度高。(7 ) 镁在铸造工艺方面具有较大的适应性，几乎用所有的特种铸造工艺都可以铸造。(8 ) 镁合金与塑料不同，它可以简单地再生使用且不降低其机械性能，而塑料很难在不降低其机械性能的情况下再生使用。镁合金与其它金属相比，熔点低，比热小,在再生熔解时所消耗的能源是新材料制造所消耗能源的4%.正是由于上述镁合金的优点，使得镁合金被广泛地应用于体育器材、机械、电子、交通、仪表及航天航空等领域.1.1 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GB/T5153-2003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AZ31B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AL，Z代表质量分数次高的合金元素Zn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Zn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。ZK61S代表合金元素Zn、Zr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。需要说明的是，这个标准是在2003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MB进行标识，主要包括MBl、MB2MB8、MBll、MBl5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所提及，其中，MB2相当于新国标(也是美国国标)AZ31B，MBl相当于M1A等。1.2 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Mg-AL，Mg-Mn，Mg-Zn等二元系，以及MgALZn，Mg-ALMn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。1.2.1 铸造镁合金铸造镁合金是目前使用最多的镁合金。镁合金的铸造方法主要有砂型铸造、金属型铸造、挤压铸造和熔模铸造等。铸造镁合金主要应用于汽车零件、机件壳罩和电气构件等。铸造镁合金多用于压铸工艺生产，其主要生产特点为生产效率高、精度高、铸件质量好、铸态组织优良等。近年来，铸造领域中，一些新的生产工艺和技术，如压力铸造，半固态成型技术以及专利技术，都被用来开发新型镁合金材料，并取得了很大进展。压铸镁合金主要是Mg-Al系合金，用于Al合金化使这些合金强化并具有好的铸造性能，在此基础上加Si,RE,Ca,Sr改善高温性能，AZ91是最常用的镁合金，具有良好的铸造性能与最高的屈服强度，但是远未达最佳状态。1.2.2 变形镁合金经变形后的镁合金能够减少组织缺陷，获得更细、更均匀的组织。与铸造产品相比，变形镁合金产品具有更高的强度和延展性以及更多样化的力学性能等特点。变形铝合金的强度和塑性都普遍优于铸造镁合金而变形镁合金的比强度也优于其它金属材料如铝合金、钢材等。在变形镁合金中，常用的合金系是Mg-Al系与Mg-Al-Zr系。Mg-Al系变形铝合金一般属于中等强度，塑性较高的变形镁合金，铝含量约为0.8%，典型的合金为AZ31,AZ61和AZ80合金，由于Mg-Al合金具有良好的强度，塑性和耐腐蚀综合性能，而且价格较低，因此是最常用的合金系列。Mg-Al-Zr系变形镁合金一般属于高强度材料，变形能力不如Mg-Al系合金，常用挤压工艺生产，典型合金ZK60合金。1.2.3 其它新型镁合金其它新型镁合金有快速凝固镁合金、镁基非晶合金、镁基复合材料镁合金生物材料等。这些新型镁合金在生产应用和日常生活中具有重要的地位。1.3 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、MD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：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3060个零件集成为一个零件，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。 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1990年起，这些电子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、MD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、CD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3C产品的外壳应用上，镁合金已有逐渐取代ABS、PC等材料的趋势。镁合金与传统3C产品所使用的材料相比，其优越性表现在以下几个方面：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。1.4 MB22镁合金简介MB22是镁钇锌锆系热强变形镁合金，MB22镁合金具有良好的成形和焊接性能，无应力腐蚀倾向且MB22有比MB3稍高的室温抗拉强度和弹性模量，压缩屈服强度几乎比MB3高一倍，在相同的载荷下MB22能够比MB3承受高出100-150的温度。通过变形可以生产尺寸多样的板、棒、管、型材及锻件产品，并且可以通过材料组织的控制和热处理工艺的应用，获得比铸造镁合会材料更高的强度。更好的延展性，更多样化的力学性能，从而满足更多结构件的需要因此，研究与开发新型变镁合金，开发变形镁合金生产新工艺，生产高质量的变形镁合金产品，是国际镁协会(International Magnesium AssociaftonIMA)在2000年提出的发展镁合金材料的最重要、最具挑战性且最长远的目标和计划。提高镁合金耐热性最基本的做法是合金化。比如，在镁合金中添加适量的稀土元素，可以增加合金的流动性，降低微孔率，提高气密性，显著改善在高温下的拉伸和成形极限测试。和疏松现象，使合金在200300高温下仍具有高的强度和抗蠕变性能。往往通过1种或多种元素进行合金化，取得理想的效果。MB22镁合金中主要元素化学成分的含量如图1-1所示： 图1-1 MB25-F，MB25-E，MB22主要元素化学成分MB22中主要合金的作用如图1-2所示：图1-2 镁合金主要合金元素的作用1.5 镁合金的成形工艺金属镁是密排六方结构, 多数镁合金的塑变能力远不如铝合金, 因此其成形方法的研究显得十分重要。1.5.1 铸 造铸造是镁合金的主要成形方法, 包括砂型铸造、金属型铸造、重力铸造、熔模铸造、消失模铸造、永久模铸造和压铸等在内的多数铸造方法均可用于镁合金成形。其中, 压铸成形是目前最成熟、应用最广的方法, 在欧美、日本和我国台湾地区已有相当规模。压铸可分为热室压铸和冷室压铸。热室压铸法通常用于生产质量不大的薄壁件, 如英国Kirk Precision 公司用热室压铸生产 AZ91HP 镁合金自行车架, 美国芝加哥 White Metal Casting 公司用热室压铸法生产了镁合金计算机外壳和雷达探测器等。冷室压铸通常用来生产厚壁件和大铸件, 如德国 Audi 汽车公司和美国 GM汽车公司用冷室压铸生产汽车仪表板。镁合金压铸时, 合金液充填压型时的高速湍流运动, 使腔内气体无法排出, 导致组织疏松, 甚至铸件表面鼓包或变形。近年来出现的许多新压铸方法, 包括真空压铸、充氧压铸和挤压铸造等, 这些方法在一定程度上克服了上述缺点, 减少了铸件组织疏松和气孔的缺陷, 提高了铸件致密度。1.5.2 塑性成形金属镁室温塑性成形能力差, 高温时由于易产生孪晶滑移, 塑性变形能力提高, 但温度过高, 会导致晶粒长大, 塑性变形能力降低。因此, 变形温度是镁塑性成形的重要参数, 同时变形速率和应力状态也是重要的考虑因素。目前, 镁合金的塑性成形方法主要有锻造和挤压成形, 也有部分镁合金采用轧制成形。镁合金的可锻性取决于其相图中的固相线温度、变形速率和晶粒尺寸 3 个因素。锻造所用原料一般采用可锻性良好的 AZ 系和 ZK 系镁合金, 这两系合金可通过添加晶粒细化剂和合金元素得到满意的晶粒尺寸。但铸造组织的晶粒度一般不符合锻造要求, 须先将铸锭加以挤压, 得到锻造所需晶粒尺寸, 再以高变形速率锻造成形。镁合金锻压一般采用水压机或低速机械压力机, 而很少用锤锻或快速压力机, 否则易造成裂纹。锻态镁合金的强度和韧性优于铸态镁合金, 最佳锻造温度为 200-400 。AZ系和 ZK系镁合金一般采用挤压成形, 高温强度较高的 WE 系合金也可用挤压方式成形。挤压温度一般控制在 300-400 。由于镁合金比热容较低, 挤压筒和挤压模具需预热至锭坯温度。热拉伸成形也是镁合金成形的重要方法。其主要工艺参数有拉伸力、成形速度、坯料加热温度、模具预热温度、润滑方式、模具圆角、模具间隙、压边力等, 这些因素对坯料的拉伸成形效果均有不同程度的影响。1.5.3 超塑性成形镁合金具有非常低的流变应力, 以气压为动力就可完成超塑成形。如用于航空航天领域的复杂蜂窝结构件, 即可用超塑性成形结合扩散焊技术来完成。但是镁合金只在一定应变速率范围内呈现超塑性, 而要达到高的超塑性, 往往应变速率非常小, 生产效率非常低。为此, 研究高应变速率超塑性成形 ( HSRS ) 和低温超塑性成形是镁合金成形工艺今后的发展方向。其中,等通道角挤压技术 ( E-CAE) 是低温超塑性成形的一种方法, 在 200下可使 AZ91 镁合金延伸率达到 675%。1.5.4 快速凝固技术快速凝固技术是近年来新兴的一种成形工艺,采用该技术可得到非常细小的晶粒组织, 从而提高合金的机械性能和热稳定性。Matsuda 等11利用该技术对Mg- Li- Si- Ag合金成形进行了研究, 所得的该合金晶粒细小、组织均匀, 其间弥散分布着细小的Mg2相。Daloz等12对用快速凝固技术得到的 Mg-A1-Z合金进行挤压成形, 发现在整个挤压过程中, 均能保证晶粒细小, 大大改善了该合金的塑性成形性。1.5.5 其它成形工艺镁合金的基它成形工艺还有焊接、粉末冶金等技术。最近出现了一些边缘成形工艺, 即将前述的成形方法结合起来而形成的新工艺。如日本 Sony 、日立金属、东京精锻工所共同开发了一种新的锻造成形技术-压锻 ( Press Forging ) 成形, 并已应用到镁合金的工业化生产中。该工艺是由触变注射成形技术 ( Thixomolding ) 发展而来的, 生产周期短, 且产品质量很好, 生产成本适中, 介于压铸和触变射铸之间。1.6 本课题的研究内容和研究方法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，通过筒形件在室温下和加热状态下的拉深试验，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。主要内容包括以下几部分：第一章：介绍了金属镁及其合金的牌号、分类、以及应用，并对MB22镁合金做详细的介绍，论述了本文的研究意义，确定了本文的主要研究内容。第二章：介绍了塑性成形理论基础。第三章：通过上章的介绍，做了一个塑性成形极限实验，并进行了后期结果的处理。 第四章：分析了材料力学性能和轧制状态对拉深成形的影响，探索了不同的压边方式及压边力大小对成形的影响，分析了拉深成形速度对成形的影响。第五章：对研究课题做了一次总结，并对镁合金的发张进行了展望。 第2章 塑性成形理论基础2.1 引言 纯镁的强度很低，往纯镁中添加元素后，可以显著提高其强度。镁中常见的合金元素有AL、Zn、Mn和Zr等，其中AL和Zn在Mg中的平衡固溶度为12.7%（质量）和6.2%（质量）具有显著的固溶强化作用；此外，AL和Zn还可与Mg形成金属间化合物，获得析出强化的效果。虽然Mn、Zr在Mg中的平衡固溶度较小，但可细化晶粒而达到细晶强化效果。但这些合金一般只能在常温下使用，当使用温度超过120是合金的力学性能会大幅度下降，对室温较高的AZ91等高铝赫连Mg-Al合金而言尤其如此。这是因为镁合金温室变形时，沉淀相和晶界是错位运动的障碍，高温变形 特点则是晶内位错运动与晶界滑移相结合。该类合金中主要强化相的热稳定性较低，在高温下承受载荷时，固溶强化和析出强化效应减弱，一方面使晶内错位运动加强，非基面滑移和交滑移家具；另一方面，在高温条件下晶界处的原子活动能力增强，晶界软化而容易发生晶间塑性变形晶界滑移。因此，耐热镁合金的设计思路应遵循基体与晶界强化并重、限制基体错位运动及阻止晶界滑移的原则，综合运用固溶强化、析出强化、弥散强化、准晶强化、工艺强化和复合强化等手段。迄今为止，提高镁合金耐热性能的主要途径是在纯美或Mg-AL、Mg-Zn系等合金的基础上添加微量的合金元素，在晶界上形成热稳定性高的强化相，钉扎晶界以抑制晶界滑移。运用合金化强化时，强化相的 特性特别是热稳定性及其与基体之间的取向关系对强化效果具有决定性的影响，而强化相的稳定性又取决于合金元之间的 相组成及相的晶体结构特征等因素。因此，本章在阐述镁合金 高温塑性变形机理的基础上，深化探讨耐热镁合金的耐热机理与强化 手段，并重点讲诉耐热镁合金形成特点、规律及其控制。2.2 镁合金高温变形机理在讨论材料的力学性能时，可将材料的力学行为分为“长期”和“短期”行为。当考虑材料的“短期”力学行为时，可将整个变形过程分成三段，即弹性变形、均与塑性变形和不均匀塑性变形与断裂阶段，当变形体内的应力 较小、所处的应力状态不能满足塑性条件时，材料始终处于弹性状态。当考察材料的“长期”力学行为时，特别是在一定的温度区间内，即使在较低的 应力下材料也能发生塑性 变形，且承受的应力较小，因此其力学行为主要却决于蠕变特征。蠕变是指材料在较高的温度和恒定的载荷 作用下缓慢的塑性变形 过程，蠕变变形温度通常在0.5Tm以上。与常规 塑性变形相比，蠕变具有以下主要特征。 所有固体材料都能 发生蠕变。常规蠕变变形中，当应力在宏观屈服应力以下时材料几乎不发生塑性变形；蠕变变形时，当应力低于材料的宏观屈服应力 时也可发生明显的塑性变形。实际上，即使材料不受外力作用时也可发生蠕变。2 蠕变是能量驱动的过程，蠕变系统的能量降低。3 蠕变机制取决于应力和温度。弹-塑性变形时，应变仅是应力的函数，即。蠕变时应变不仅是应力的函数，同时也是温度和 时间的函数，即。蠕变时一个速度控制的过程，蠕变变形的大小可用蠕变曲线来表示，典型的蠕变曲线如图2-1(a)所，其含义是在恒定温度和载荷作用下应变随时间变化的关系。图 2-1(b)所示为恒定应变速率条件下蠕变时的应力应变曲线。纯金属在高温（T0.4Tm，Tm为金属的熔点，用热力学温度表示）下蠕变时，根据蠕变应力的 大小和应变随时间变化的规律，可将蠕变曲线分成三个阶段：第一个阶段为滑移蠕变阶段，此时存在明显的应变硬化，流变应力随蠕变应变的增加而增大，且应变和时间t之间遵循Andrade定律 （2-1）式中，为常数。第二阶段为稳定蠕变阶段，此时硬化与软化速率 相当，流变应力保持恒定，应变与时间t之间成线性关系，即 （2-2）式中，k为常数。第三阶段为蠕变断裂阶段，此时软化占主导地位 ，应变随时间呈指数规律增大，直至材料最终发生断裂。蠕变的快慢可用蠕变速率来表示，即单位时间内的真实蠕变应变，平均蠕变速率可表示为 （2-3）如图2-2所示为蠕变速率与时间之间的关系曲线。由图2-1和 图2-1可知，蠕变速率并非常数，而是取决于应力、温度和时间等饿 因素。在滑移蠕变阶段，蠕变速率随时间的增加而减小（0）；在稳态蠕变阶段，蠕变速率保持恒定（=0）;在蠕变断裂阶段，蠕变速率随时间增加而增加（0）。在整个蠕变过程中，大部分变形发生在稳态蠕变阶段。设温度和时间对稳态蠕变速率的影响是相互独立的，则稳态蠕变速率与温度之间的关系可用Arrhenius则表示。图2-1 恒定应力和应变速率条件下的蠕变行为图2-2 蠕变速率与时间之间的关系曲线 （2-4）式中，为稳态蠕变速率；Qc为蠕变激活能；R为 气体常量；T为蠕变温度。当温度恒定时，稳态蠕变速率与应力之间符合Norton法则 （2-5）式中，n为应变硬化指数。综合上述两式，可得稳态蠕变速率与温度和应力之间的关系式为 (2-6)式中，A1、A2和A均与材料有关的常数。图2-3 应变速率对屈服应力及应力-应变曲线的影响蠕变是一个速度敏感的过程，材料在 高温 下变形时的屈服应力和应力-应变曲线受应变速度影响。如图2-3所示，当应变速率为时屈服应力为；而当应变速率为时，屈服应力为。如图2-4所示为AZ91D镁合金在不同温度和速率条件下的蠕变曲线，可见其激活能随着温度的升高而明显下降：120时激活能为220kj/mol,180时的激活能则下降为94kj/mol，这也表明在试验条件下镁合金的蠕变机制非常复杂。图2-4 AZ91D镁合金在不同温度和速率条件下的入编曲线T为蠕变时间，tf为蠕变寿命2.3 镁合金的塑性变形特征大部分镁合金具有密排六方晶体结构，对称性低，其轴比（c/a）值为1.623，接近理想的密排值1.633，室温滑移系少，冷加工困难。温度是影响镁合金塑性变形能力的关键因素，低于495K时，多晶镁的塑性变形仅限于基面滑移和锥面孪生。因此，镁合金变形时只有3个几何滑移系和2个独立滑移系（铝 合金有12个几何滑移系和5个独立滑移系），易在晶界处产生大的应力集中。当变形量较大时沿孪生区域（尤其在压缩时）或沿大结晶的基面产生局部穿晶断裂，因而镁合金的冷变形仅限于中等变形，一般在温度的冷变形量越为10%到20%。高于498K时，温度升高增加了院子震动的振幅，最密排面和次密排面的差别小，因此会激活潜在的滑移面和滑移方向，使附加角锥滑移面启动，这时镁呈现明显的延性转变，塑性大大提高；同时由于发生回复、再结晶而造成的软化，也会使镁及镁合金具有较高的塑性，所以镁合金的压力加工通常在高温下进行。此时在 角锥面上产生滑移并抑制孪晶形成。2.4 镁合金塑性成形技术2.4.1 轧制成形镁合金的带材及板材一般采用轧制成形的方法生产。轧制过程可以细化晶粒，改善镁合金组织，显著提高镁合金的力学性能。轧制温度是镁合金轧制过程中的关键参数。轧制温度过低时，高的应力集中可以导致孪晶形核和切变断裂；轧制温度过高时，晶粒容易长大而使板材热脆倾向增大。Hosokawa等对轧制镁合金的研究表明，轧制温度在225到400摄氏度范围内，轧制压下量可达85.7%以上而不出现裂纹；轧制温度在200摄氏度以下时，成形性能较差，易出现裂纹。最近研究表明，MB22在较低的轧制应变速率下镁合的轧制温度在180到260摄氏度之间比较合适；轧制温度温度为340摄氏度时，动态再结晶晶粒已长大，成形性能变差。近年来,针对镁合金轧板强烈的组织倾向和各项异性进行了大量研究。研究表明，在常规轧制过程中，镁合金板材内通常形成强烈的基面组织结构，给板材的强度、塑性和深冲性带来很不利的影响。Watanabe H 等人对轧制AZ31镁合金板材的研究表明，采用异步轧制工艺可使基面组织有效减弱，但也仅使c轴搓轧方向偏转了大约5度，板材的性能提高不大。为了提高轧板的性能，基于等通道挤压提出了等通道轧制。图2-5为Jae-Chul Lee等人利用等通道轧制工艺，对制备MB22镁合金板材进行了研究。结果显示，经等通道轧制后基面组织结构减弱，晶粒取向由原来的基面取向转变为基面取向与非基面取向共存；板材强度 明显提高，抗拉强度由等通道轧制前的240N/mm2增大到275N/mm2屈服强度由193.8N/mm2增大到239.8N/mm2.张青来等研究了轧制方式对MB22镁合金薄板组织和性能的影响。结果表明，与单向轧制相比较，交叉轧制可减轻轧板的各向异性，为深冲变形提供良好的组织结构条件。图 2-5 基于ECAP的等通道轧制装备示意图为降低变形镁合金的生产成本，连续铸轧工艺是目前研究的热点。连续铸轧是冶金及材料领域的一项前沿技术，其特点是：可简化生产工艺，缩短生产周期，降低能耗，降低成本。在几种连续铸轧机中，双辊（原理图见图2-6）较适宜于大规模、商业化是生产，目前已成功应用于铝业和钢铁 行业。在镁合金连续铸轧领域，澳大利亚Commonwealth Sc- ientific & Industrial Research Organization(CSIRO)进行了系统研究。目前，CSIRO采用水平式双辊铸轧机，成功铸轧常规镁合金与一批新镁合金带材，厚度为2.3mm-5mm，并用特殊工艺轧制成了厚度为0.5-0.6的薄板。最近，有科研人员利用铸轧试生长线（见图2-6）成功铸轧出了宽700mm、厚度为4.5mm-7mm，总重达4t的镁合金带材。并利用工业化轧制实验，成功生产出了宽度为2000mm，最小宽度为0.55mm的镁合金薄板。国内也开始镁合金铸轧的研究工作，并在实验条件下制备了1mm3mm的带坯。图2-6 双辊铸轧薄带示意图2.4.2 挤压成形目前,镁合金管材、棒材、型材、带材等产品主要采用挤压方法加工成形。金属在挤压变形区中处于三向压应力状态,可以充分发挥其塑性提高其变形能力,获得大变形量。因此,对于镁合金这类塑性较差的金属,挤压成形是最容易实现的塑性变形。由于镁合金在低温下滑移系较少，塑性变形能力差。因而，其塑性变形多在加热条件下进行。镁合金的典型挤压温度范围为300 460 。同时，合理的挤压温度的选择还和特定的合金牌号和挤压形状有关。例如，在有背压的情况下，AZ31 合金在150 以下即可挤压成形,而AZ61 和ZK60 合金的挤压温度则必须在150 以上。此外，镁合金的成形性还受挤压速度的影响，速度过高易导致表面热裂。研究表明，镁合金的极限挤压速度，主要取决于材料成分。一般而言,合金元素含量越高则极限挤压速度越低。图XX 为极限挤压速度与材料种类的关系，其中AM10 、AZ11 、M1和ZM21镁合金挤压速度可达到40mm/s而不开裂。挤压成形可显著细化晶粒、改善组织,提高材料的强度和塑性。例如,ZK60合金经150挤压后抗拉强度上升到500N/mm2以上,这可归因于晶粒细化。因此可以通过调节挤压参数来控制材料微观组织。通常,降低挤压温度和挤压速度,可获得更细小的晶粒；增加挤压比也能进一步细化晶粒,从而获得更好的力学性能。近年来,随着镁行业的迅速发展,镁合金的挤压成形技术也得到了长足进步,但仍存在一些不足。在挤压工艺方面与铝合金相比,镁合金挤压所需的挤压力较高、挤压速度低、成本高。在挤压件性能方面，镁合金在挤压过程中易形成基面取向的纤维织构，导致材料严重的各向异性。为解决这些问题，应优化挤压坯料组织，严格控制挤压工艺参数，并选择合适的后处理制度。图2-7 极限挤压速度与材料种类的关系2.4.3 锻造成形镁合金锻件具有组织致密、无孔隙、高性能等优点,可用于对气密性要求严格的场合，在工业应用上得到了充分重视。适于锻造成形的镁合金有Mg-Al-Zn、Mg-Zn-Zr和Mg-Y-RE系合金。镁合金锻件的力学性能通常取决于锻造过程中所产生的应变硬化程度。锻造温度越低，其应变硬化效果越显著,然而温度过低时锻件容易开裂,过高时则氧化严重。日本Ogawa等研究镁合金ZK60的锻造工艺得出：最佳锻造温度为300400,400 以上坯料发生严重氧化,200400温度下流动应力均表现出加工软化。张先宏等通过研究AZ31B 也得到了类似结果。Xing Jie等利用逐步降温多向锻造(multi directional forging , MDF)技术,在的应变速率条件下,锻造温度从350逐步降低到150使晶粒细化到了230nm ，得到了组织均匀的高性能AZ31镁合金。2.4.4 板料冲压成形板料冲压成形一般应用于塑性较好的材料(如钢板,铝板等)。镁合金室温塑性较差,其拉深、胀形等成形工艺都在150 以上进行。小坂田等人的研究发现,镁合金板材在250左右拉深时其拉深比超过铝合金和低碳钢板的常温拉深成形极限。最近,王忠堂等研究表明，镁合金筒形件拉深成形温度应在200400范围内。成形温度低于200时，拉深件易产生断裂;高于400时，将产生氧化现象,且易起皱。当在300 350 范围内,镁合金板材极限拉深比可达2.2.镁合金薄板的拉深性能与板材的各向异性比、加工硬化率以及成形温度、速度、工件形状及摩擦润滑等工艺条件有很大关系。一般来说，随着温度的升高，镁合金薄板的深拉延性能可得到明显改善。对大多数工件而言，拉深深度并不是主要因素,关键是如何使带有圆角或异形的工件在拉深时不产生皱褶。因此,拉深温度通常高于最大可拉深性所要求的温度。对于特殊的难拉深零件,必须改变工艺流程降低废品率。差温拉深工艺能显著提高镁合金板料的拉深性能,得到了广泛关注。该技术利用温度对材料性能的影响,通过实现温度的不均匀分布而实现不同部位强度的均匀分布,减小断裂倾向,提高成形极限。Yoshihara 等利用差温技术对0. 5mm厚的AZ31 薄板进行拉深,在适当的动态压边力条件下,极限拉深比达到了5. 0 以上。而采用非差温拉深时,极限拉深比最大值仅为2. 尹德良等人利用加热模具,控制冲头温度等方法在AZ31板料上实现差温拉深。研究表明,当板料温度为200 时,AZ31 镁合金板的极限拉深比达到最大值2. 65 。研究还发现AZ31 板料的拉深工艺对变形速度有显著的敏感性。当拉深速度增至1. 2mm/ s 时,拉深力迅速增大,致使板料在凹模入口处被拉断。因此,镁合金的差温拉深成形宜在工作速度较低的液压机上进行。第3章 成形极限3.1 实验原理实验模具装配图如图3-1所示，包括凸模、凹模、压边圈。凸模的半球头直径为100mm。加热棒或加热圈用来加热，热电偶用来测模具温度；智能温度控制装置根据热电偶测得温度反复调节，使模具温度控制在所设温度以内。实验时把印有圆网格的试样放入凹模和压边圈之间，利用压边力压紧拉深筋以外的试样材料，保证其该处材料不产生流动。试样中部在凸模力作用下产生胀形变形并形成凸起，当凸起产生缩颈或轻微破裂时停止实验。通过网格应变自动测量系统GMASystem测出待测区域的网格长轴和短轴尺寸，并由此计算主应变和次应变。 图3-1 钢模胀形实验示意图3.2 实验条件：试样温度/度mm/min润滑压边力/kN6mm厚MB22板材150 200 250 2润石装配膏150试样如图3-2所示，其长度均为180mm，10种宽度分别为20mm、40mm、60mm、80mm、90mm、100mm、120mm、140mm、160mm、180mm。为防止试样在凹模口处破裂，允许仿照拉伸试样在试样上切出圆角。根据压边圈孔尺寸，使用厚mm、直径90mm的硅胶垫，实验要求硅胶垫耐高温，以保证硅胶垫在整个实验过程中不失效。改变润滑条件，实验时硅胶垫两侧均涂上润滑剂，并将硅胶垫置于试样和凸模之间。图3-2 试样3.3 实验过程实验过程流程如图3-3所示： 图3-3 FLD 实验流程图 3.4 实验结果分析根据上述实验方法得到150、200、250三个不同温度温度下的FLD图，如图3-4。实验中发现，宽度为90mm、100mm的试样容易在凹模口处破裂，加大凹模圆角半径则可以得到解决。图3-5是温度在150下成形试样的结果，从图中看到，不同宽度试样均在凸模顶端或顶端附近部位发生了颈缩或破裂现象，说明可以进行极限主应变的测量。图3-6是宽度为160mm的试样在各温度下由实验得到的力与位移曲线，可以看出，随着温度的升高，板材冲压的高度增大，变形抗力减小。图3-4 MB22不同温度下的FLD图3-5 温度在150的实验结果 图3-6 宽度为160mm的试样 力-位移曲线比较3.5 计算模型由图3-6中可以看出，MB22镁合金板材在3种变形温度下的成形极限曲线形状相似文献也指出左侧是一条斜率接近-1的直线。因此可以假设在各温度下，MB22镁合金板材曲线形状一致。曲线的高低取决于平面应变点的位置。鉴于此种假设，可将成形极限图的左侧曲线设为一次曲线，右侧曲线设为幂指函数曲线。即满足式中-主应变式中-次应变-平面应变状态对应主应变，即FLD最低点k,b,c-与温度有关的参数基于上述假设，可以拟合得到a,b,c,k的值，如图3-7所示。将其代入式（3-1）代入即可以获得温度150、200和250时的FLD计算模型。 图3-7 FLD计算模型参数值为了进一步得到上述参数和温度的函数关系，根据图3-6，以温度作为变量，采用最小二乘法进行二阶多项式拟合，即得到各参数与温度的函数关系为：将式（3-2）代入（3-1），即可得到MB22各温度下的FLD计算模型。图3-7为FLD计算模型和实验点，可见该计算模型曲线和实验数据能较好的吻合。图3-7 FLD计算模型曲线和实验数据第4章 MB22镁合金拉深成形研究本章在前一章对镁合金板料进行冷拉深实验的基础上，进行了MB22镁合金的拉伸试验，并进一步分析了加热状态下镁合金板料塑性改善的表现和原因。通过实验探索出了较为合理的镁合金加热成形温度范围。研究了拉深过程中的摩擦和润滑，选用了两种适应于镁合金板料拉深成形的润滑剂，对润滑部位的选择进行了分析。4.1 实验装备的选择和说明本实验采用YB32-100B，公称压力为1000KN的液压机，模具选用专用模具。如图4-1和图4-2。液压机操作方式分为手动和自动等几种，本实验因为所要求速度较缓慢所以采用手动操作方式。在实验之前需要对板料进行加热。4.2 实验过程及其现场记录第一组：模具圆角半径实验目的：比较模具圆角半径扩大后对成形的改善作用。润滑剂采用PTFE薄膜。记录结果后与此前第二次试验结果对比。由于修模之自口进行的是冷拉深实验，为在同温度下进行对比，此次试验不加热。第二组：加热状态下的实验目的：探索合理的加热温度。采用加热炉对坯料进行加热，加热棒对模具加热。加热温度为120到240之间，润滑剂采用二硫化钼锂基润滑脂。每个温度下实验23次左右。考察不同温度对坯料成形的影响。图4-1 YB32-100B型液压机照片图 4-2 模具工作部分镁合金坯料加热实验条件：为了便于比较，本次实验准备了直径分别为63mm，61mm、59mm，以及厚度为O.8mm和O.3mm的不同试件，具体应用情况如表中记录。凸、凹模圆角半径均为10mm。0307件为随模加热，0828件为加热炉内加热。试件02无润滑，其余均采用二硫化钼锂基润滑脂润滑。自第17片开始采用了弹力较大的四根弹簧套在顶杆上，以增大压边力。图4-3 加热实验记录:图4-3 实验加热记录4.3 实验分析试片3-03、3-04、3-07等所表现出的破裂形式图 4-4 试片3-03、3-04、3-07试片呈浅碟形，破裂，白底部圆角处切向裂纹向两侧45度方向沿筒壁扩展至法兰，法兰有均匀波浪形裙皱。由于这三者的实验温度分别为120、120、和140，而其破裂形式与冷冲压条件下的破裂起始位置一样，但由于温度升高，所以裂纹不同于当时完全沿底部切向开裂一周并冲掉筒底的形式，而是在破裂之后沿筒壁倾斜向上扩展，可以认为这是在加热条件F塑性改善的结果。由于此后在更高的温度下没有再出现这种裂纹，所以这是在成形温度提高阶段的一种过渡形式，表明此时的温度尚不足够。试片3-15的破裂图 4-5 试片3-15试片3-15的破裂代表了在此次试验中一种较典型的破裂形式，破裂部位出现在法兰边缘，起因是由于法兰已经起皱，而起皱部位在拉深进入凹模孔内时，由于无法沿径向伸展形成筒壁，进而在法兰起皱达到较严重程度时发生破裂，裂口多为与起皱相似的V形裂口。分析认为，如果在此基础上增大坯料直径，则此时处于法兰边缘的部分材料会由于外围材料的约束而不易起皱，并在进入凹模时由于外部材料受压边力而产生足够的径向拉应力，使其易于形成筒壁。另外，值得注意的是，该试片包括与此相似的几件，在其底部凸模圆角处的传统易破裂区都没再出现裂纹，而是形成了较好的筒底圆角这一方面表明200已经属于材料塑性改善的温度范围，另一方面也表明了凸模圆角的适当增大具有积极作用。试片320的破裂图4-6 试片3-20试片20的破裂形式很独特，仅此一侧。试片裂成 两半，整体呈碗形，裂纹通过底部中心，并直线扩展，法兰边缘平滑无皱纹，有一处破碎的边缘形成缺口。该试件原始直径为59mm，加热温度240，但是通过与其它试片的比较，尚无法确定该破裂形式的原因，我们认为可能是在模具闭合阶段，上下模对材料的两个相对方向挤压太紧，导致凸模拉伸时从中部开裂。试片3-22、3-23、3-26的破裂图 4-7 试片3-22、3-23、3-26这种破裂形式与第一种形式较相似，不同的是在其大裂纹的中心处都有与之垂直的另一条裂纹。我们认为造成这种现象的原因是由于材料起初定位偏心，或压边力不均匀，在某一方向材料被压得较紧，而压边较送的部位则先变形，当 其底部出现裂纹后，由于相对方向的材料难以流动，使凸模撑破了此处的筒壁，长生径向裂纹。如果对实验条件进行更加精确的控制保证试片定位准确，防止压边力偏载，这种破裂是可以消除的。4.4 实验结论 4.4.1 成形温度的影响镁合金板在室温下的成形性能较差，但在高温下，镁合金的成形性能较好。当成形温度升高到200 时，镁合金板的成形性能得到显著的提高 。镁合金板的热拉深可分为恒温拉深和温差拉深。图11是在两种温度下进行对MB22镁合金拉伸的效果。图4-8 相同条件下室温和250下对MB22镁合金拉伸的不同效果4.4.2 模具结构的影响在模具结构中影响镁合金拉深成形的因素包括模具凸、凹模间隙、凸模圆角半径、凹模圆角半径、模具形状等。若凸、凹模间隙过小，会增大板料与模具壁间的摩擦力及拉深力，从而增加直壁部分的拉应力，容易引起拉深件临界断面变薄或者发生破裂，并且易在成形件外表面形成摩擦划痕，影响其表面质量；若间隙过大，则达不到要求的拉深件精度。凸模圆角半径Rp和凹模圆角半径Rd对板料的成形能力亦有着重要的影响。有研究表明，凸模圆角与转角交界处最容易发生断裂，如图4-9所示。图4-9 镁合金与拉伸速度的关系4.4.3 成形速度的影响研究表明，同一温度下镁合金板的LDR随拉深速度的增加而减小。拉深速度过大，镁合金件筒壁部分呈现紧张的拉伸状态，危险断面易于拉裂、拉断，使得镁合金的LDR降低。图4-10为意大利学者Palumbo等分别在180和230两种温度下，采用6mm/min、15mm/min和30mm/min的拉伸速度对镁合金进行的热拉伸试验。图4-10 MB22镁合金矩形拉伸示意图。4.4.4 压边方式的影响在关于镁合金拉深成形的研究中，大多数文献采用的是弹性压边，包括恒定压边力式和变压边力式，前者在拉深成形过程中压边力始终是一个恒定值，而后者压边力则是一个随凸模行程而变化的函数。刚性压边的主要问题是压边间隙的大小。4.4.5 润滑条件的影响镁合金一般在热态(或温态)下成形，而热态下表面容易划伤，这将给镁合金的表面防护带来了问题；另一方面，虽然在拉深过程板料沿拉深方向所受正压力较小，但如果板料与模具间的摩擦系数较大时，由摩擦力所引起的板料径向应力增大，必然导致拉深力增加，会增大已经进入凸、凹模之间变形后的板料承受的拉应力，使该部分板料易于破裂。所以，采用适当的润滑方式，不仅可有效地改善镁合金板料的拉深成形性能，提高其LDR，还可得到良好的制件外观质量。润滑剂要根据其适用温度范围来确定。通常，镁合金拉深成形温度在150-350之间时，可选用肥皂润滑剂、高温油脂、石墨、二硫化钼等，在成形工件要求不能使用润滑剂时，可选用薄纸片或玻璃纤维等。第5章 总结与展望本设计第1章主要讲述了镁合金的牌号、镁合金的分类、镁合金的应用、MB22镁合金介绍；第2章主要对镁合金的塑性变形机理，塑性变形特征和塑性成形技术进行了讲述；第3章通过实验，并通过实验结果计算出FLD模型，该模型较好的与实际吻合，对于实际的应用起到一定指导作用；第4章主要研究了成形温度、模具结构、成形速度、压边方式、润滑条件对MB22镁合金成形的影响。近几年在镁合金塑性成形技术的研究方面,主要集中在成形工艺参数优化和技术因素对材料组织、结构和性能的影响上。各种塑性成形技术都不同程度地获得了发展。但与其他金属和合金材料相比,镁合金的塑性成形技术还有很大的研究空间,笔者认为应该加强的研究方向有如下几个方面:(1) 加强对镁及镁合金的塑性变形机理的研究,建立完善的塑性变形理论体系,以指导现有塑性变形工艺的改进及新的塑性成形技术的开发。(2) 继续开发新的适合于工业化、产业化生产的塑性成形技术,加大应用开发力度。(3) 开发适于塑性加工的高性能变形镁合金。(4)采用计算机辅助设计技术,将计算机模拟和塑性成形技术相结合,缩短新技术的开发周期,降低试验成本。致 谢经过半年的忙碌和努力，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在这里首先要感谢我的导师马高山老师。马老师平日里工作繁多，但他给了我们充足的资料，这些资料在我做毕业设计中起来关键性的作用，还有就是马老师给了我们充分的信任，能够让我们发挥自己的能力，没有束手束脚的感觉，完成工作也比较顺利。 其次要感谢我的同学对我无私的帮助，特别是某些思路上，正因为如此我才能顺利的完成设计，我要感谢我的母校郑州航空工业管理学院，是母校给我们提供了优良的学习环境；另外，我还要感谢那些曾给我授过课的每一位老师，是你们教会我专业知识。在此，我再说一次谢谢！谢谢大家！。参考文献：【1】杨奋为，新型耐热变形镁合金MB22,宇航材料工艺，1982年03期【2】闰蕴琪，张廷杰， 邓炬，周廉，耐热镁合金的研究现状与发展方向，稀有金一材料与工程，第33卷，第六期，2004【3】王艳丽，郭学锋，黄丹，王英，高性能变形镁合金研究进展及应用，热加工工艺，2011年18期【4】富伟 Mg-Zn-Y-Zr系合金组织与性能研究 辽宁工程技术大学硕士论文 2006年1月【5】时张杰，铝合金超塑性差温拉深研究，南京航空航天大学，2007年【6】陈广森.吴国华.黄玉光.王玮.卢晨，高强高韧耐热镁合金的研究现状与展望期刊论文-铸造工程 2007(4)【7】张赟龙.刘六法.卫中山.卢晨 压铸Mg-5Al-xSi合金的组织与性能研究期刊论文-稀有金属材料与工程 2006（11）【9】谢建昌.李全安.李建弘.张兴渊 时效时间对Mg-8Al-1Zn-3Ca合金组织及力学性能的影响期刊论文-热加工