变形镁合金板料塑性成形性能研究概述

1、变形镁合金板料塑性成形性能研究概述文献资料综述变形镁合金板料塑性成形性能研究概述摘 要：由于镁合金板材的冲压产品具有较好的力学性能和表面质量而成为镁合金材料应用的一个趋势。关于板料成形性能，国内外已经进行了很多这方面的研究，如理论上的研究和数值模拟研究以及试验方面研究，也取得了许多重要的试验数据和理论成果，在生产实际中发挥了很重要的作用。本文将从变形镁合金、镁合金塑性成形理论、板料成形性能方法和实验研究现状等几方面进行简要概述。关键词：变形镁合金 塑性成形理论 板料成形性能 Abstract：Product of wrought magnesium alloy sheet will be a

2、trend of the use of it because of its excellent mechanic property. As for the sheet metal forming properties，various kinds of research has been done home and abroad using theoretical numerical simulation and formability experimental physical simulation，therefore a lot of important experimental data

3、and theoretical results has been obtained and plays important roles in the production. This article gives a brief introduction of the wrought magnesium alloy , plastic deformation theory of Mg alloys , method and research development of sheet metal formingKeywords：wrought magnesium alloy ；plastic de

4、formation theory sheet metal forming properties ；1. 前言镁及其合金是目前可应用的最轻的结构材料，它具有铝和钢不可替代的性能。由于镁及其合金的独特性能，其开发和应用受到越来越多的关注，在电子、电器、汽车、交通、航空、航天等领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景1-4，被誉为是“21世纪最具发展前途的金属结构材料”和“21 世纪绿色工程金属结构材料”5。随着对镁合金研究的深入，通过塑性加工技术所得到的变形镁合金材料可以获得较高的强度，更好的力学性能，可以满足不同途径结构件的使用要求。但是，由于镁合金的密排六方（HCP）晶体结构，室温下只有两个独立

5、滑移系，决定了镁合金室温状态下塑性变形能力较差。因此，加速镁合金的成形性能和技术研究，是扩大镁合金应用长远发展的必然趋势。2. 镁及镁合金镁是地表排名第八位的元素，其含量约占地壳重量的2%，仅次于氧、硅、铝、铁、钙等元素；镁在海水中含量排名为第三，约占海水重量的0.13%，其含量仅次于氯和钠元素。镁的主要物理性能如表1：镁是门捷列耶夫元素周期表中第A族第周期元素。镁的晶体结构为密排六方晶格，结构符号A3，空间群D6h2-P63/mmc。图1给出了金属镁的晶体结构示意图。在25时，晶格常数a=0.32092nm，c=0.52105nm，a/c=1.633。1图1 金属镁的晶体结构1纯镁力学性能低

6、，不能直接作为结构材料，但通过形变强化、晶粒细化、合金化、热处理等方法，镁的力学性能将会得到大幅度的改善。在这些方法中，镁的合金化是实际应用中最基本、最常用和最有效的强化途径6。表2给出了这些金属元素对镁的影响。与其他结构材料相比，镁及其合金的优点主要体现在以下几个方面2，8-11：（1） 镁合金的密度小，约是铁的1/4，铝的1/3，可以减轻结构重量，使产品轻量化，同时降低能源消耗，减少污染排放。（2） 镁合金的比强度、比刚度均较高，比弹性模量与高强铝合金、合金钢相当。（3） 镁合金的阻尼性能好，吸收能力强，适用于抗震、减震零部件。（4） 镁合金加工性能好，易于切削加工，外观质感好，不需要磨削

7、、抛光处理。（5） 镁合金是弱磁性材料，电磁屏蔽能力强，抗电磁干扰性能好。（6） 镁合金具有优良的热传导性，散热性能好，并且温度依赖性低。（7） 镁合金的熔点低，易于热成形，且能耗较低。（8） 镁合金线收缩率很小，尺寸稳定性好，尺寸精度高。（9） 材料易于回收再利用，回收率高，符合环保要求。（10）尽管如此，镁合金尤其是变形镁合金的应用量仍远远落后于钢铁和铝合金。“在材料领域中还没有任何材料像镁那样，潜力与现实有如此大的颠倒”。12这主要是因为镁合金及其产品存在以下缺点13-15：（1） 镁及镁合金耐腐蚀性差，比钢铁等金属材料更易产生接触腐蚀。（2） 镁合金高温强度低，抗蠕变性能差。（3） 高

8、温下，镁合金极易氧化和燃烧，在熔铸过程中许使用阻燃剂和熔炼剂或保护气氛，增加了镁合金及其铸件的成本，并对环境造成一定的污染。（4） 镁及镁合金塑性变形能力差，在室温下难以进行塑性加工。在上述因素等综合影响下，镁合金及其产品的发展及发展受到极大限制。3. 变形镁合金3.1 变形镁合金简述按成形工艺，镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金，两者在成分、组织性能上存在较大差异。铸造镁合金应用于汽车零件、机件罩壳和电器织构等。铸造镁合金多用压铸工艺生产，其主要工艺特点是生产效率高、精度高、铸件表面质量好、铸态组织优良，可生产薄壁及形状复杂的构件等。变形镁合金是指可用挤压、轧制、锻造和冲压等塑性成形方法加工

9、的镁合金。与铸造镁合金相比，变形镁合金组织更细、成分更均匀、内部更致密，因此变形镁合金有更高的强度和更好的塑性。与目前较成熟的镁合金铸造技术相比，镁合金的塑性加工技术发展则相对缓慢，造成这种局面的主要原因有以下几点：（1） 镁合金的塑性变形能力较差，采用传统的塑性加工技术难以解决这一问题；（2） 对镁合金的塑性变形理论研究不够深入，变形镁合金的研制缺乏理论指导；（3） 未能发展处行之有效的变形镁合金加工成形新技术；（4） 相对于铸造产品而言，变形镁合金的成本较高。3.2 变形镁合金分类和牌号变形镁合金的分类依据一般有两种：合金化学成分和是否可热处理强化。按照化学成分，变形镁合金主要可以分为：镁

10、-锂系合金、镁-锰系合金、镁-铝-锌-锰系合金、镁-锌-锆系合金、镁-钍系合金和镁-稀土系合金。其中镁-铝-锌系和镁-锌-锆系合金是应用比较广泛的合金系。按照美国ASTM标准，镁-铝-锌系合金的代表牌号有：AZ31、AZ61、AZ81、AZ91合金等，镁-锌-锆系合金的代表牌号有：ZK31、ZK60等。按照国标GB/T5153-2003的规定，镁合金的牌号以英文字母加数字再加英文字母的形式表示。以常见牌号AZ31B为例，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表示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Al的质量

11、分数大致为3%，1表示Zn的其成分在一定的范围内改变。表3给出了AZ31B镁合金的合金元素含量。3.3 变形镁合金的应用从上世纪40年代开始，变形镁合金已经开始应用于汽车、航空、航天、国防军工等领域，进入20世纪90年代后期，变形镁合金产品开始用于汽车、交通、电子以及其他民用产品领域16。（1） 汽车领域采用镁合金制造汽车零部件具有一系列优点，如：显著减轻车身质量、降低油耗、减少尾气排放量、提高零部件的集成度、降低零部件加工和装配成本、提高汽车设计的灵活度等。目前，镁合金在汽车上主要应用在发动机和传动机系统的壳体零件，以及包括座椅零件、仪表盘、踏板托架和转向盘等车内部件。镁合金在汽车上很具潜力

12、的应用是较大的整体部件，如发动机罩，后备行李箱，车顶板，车体加强板，内侧车门框架和后部车厢隔板，甚至是发动机汽缸17-19。（2） 航空航天领域镁合金由于密度低，能够有效减少零部件的质量，很早就应用于航空、航天工业14。采用镁合金部件替代铝合金，可以解决铝合金机翼的疲劳问题。座舱架、吸气管、导弹舱段、壁板、蒙皮、直升机上机闸等大都采用Mg-Li合金部件。随着镁合金制备技术的发展，材料的性能如比强度、耐热强度和抗蠕变性能等不断提高，其应用范围也不断扩大。目前其应用领域包括各种民用、军用飞机的发动机零部件、螺旋桨、齿轮箱、支架结构以及火箭、导弹和卫星的一些零部件等。（3） 3C领域与传统的塑料和铝

13、材相比，镁合金更能满足3C产品(计算机类、通讯类、消费类电子产品)的轻、薄、短、小方向的发展趋势。因此，采用镁合金外壳的电子产品越来越多。笔记本电脑使用镁合金作为机壳几乎是基于镁合金的全部优点：防震性能提高了电脑部件的可靠运行；抗电磁波干扰和电磁屏蔽性能保证了电脑的信息安全；尤其是优良的热传导性，大大地改善了电脑的散热问题。在获得笔记型号电脑制造商的青睐之后，在更强调轻、薄、短、小的移动电话制造商中也倍受欢迎，镁合金的流行大潮涌向手机市场。（4） 其他领域在办公、家用和体育用品方面，由于经过塑性变形后的镁合金产品具有高的强度和刚度，以及轻巧、美观、可回收等优点，可替代许多塑性制品，成为近年来变

14、形镁合金材料不可忽视的一个应用领域。在办公设备方面，变形镁合金用于制备铅笔刀、打印机卷轴、磁带卷轴等。在家庭消费品方面，镁合金被用于制造手提箱、梯子、化妆品罐、安全帽等。在运动器械领域方面，镁合金制造的自行车更加轻便、舒适。用镁合金制造的折叠式自行车车架重量仅1.4Kg，总重量仅为4Kg20。4. 镁合金塑性成形理论4.1 镁合金的位错特征金属材料的塑性变形主要是通过位错运动实现的。因此，塑性变形与晶体内的位错特征密切相关，而位错特征通过又取决于材料的晶体结构。如图1所述，纯镁和大部分镁合金均具有密排六方晶体结构，其密排面为（0001）面，理想完整的晶体结构是由（0001）面按“ABABAB&

15、#183;··”的顺序堆垛而成的。但在实际晶体中，原子并非总是按照上述理想规则排列，而是可能出现错排并在出现错排的位置出现一个层错。根据Berghezan等采用八面体（双四面体）对密排六方晶体中位错的分析可知，在密排六方镁合金中，主要存在以下几种可能的位错2122：（1） a位错 即柏氏矢量为a/3 <1120>的单位位错。（2） c位错 即柏氏矢量为c <0001>的单位位错。（3） c+a位错 即柏氏矢量为 c2+a2 <1123>的全位错。（4） 不全位错 实质是相应层错的边界线。4.2 镁合金的塑性流变行为镁属于低层错能的金属，尤

16、其是其基面层错能低，约10mJ·m-2(而铝的层错能111为200mJ·m-2)，因此镁在滑移面上不全位错之间的层错能较宽，即扩展位错宽度大，导致位错的滑移和攀移很困难。图2所示为纯镁和ZK60合金在不同温度下的流变应力-应变曲线，表明纯镁和ZK60合金的塑性变形将导致较高的流变应力。在较低温度下，应力随应变增加快速上升，到达峰值后下降；在较高温度下，应力达到一定值后出现水平线，出现稳态流变行为。镁合金的应力-应变速率-温度之间相互作用明显。应变速率是影响流变应力的重要因素，在同一变形温度下，材料的应力随应变速率的增加而增加；温度是影响流动应力的另一个重要因素，在相同应变速

17、率下，应力随温度提高而降低。根据描述金属流动过程的通式23为式(1)描述了流变应力 、温度T、状态参数Si和材料特性参数Pi对应变速率的影响。Frost和Ashbyt24认为纯镁在573 K以上、280 MPa内，金属流动过程可用幂指数模型来描述：，式中Q是镁的变形激活能，R是气体常数，A1和n是与材料有关的常数。McOueen等25研究者根据Selars蠕变模型针对镁合金AZ31提出了一个更为合适的模型：，式中A 和均为与材料相关的常数， 为应力指数，常数n的值为0052 MPa。这一模型比Frost和Ashby的模型更适合于描述镁合金的流变应力。张先宏，崔振山，阮雪榆等26提出了适合镁合金

18、塑性成形的含有软化因子的流变应力模型：，式中: s 为镁合金应变软化因子， s< 0. 这里将该模型称为软化模型. 用该模型对所有的流变应力曲线进行数学回归分析， 得：。试验结果表明， 该模型适用于镁合金热变形过程的流变应力分析。4.3 镁合金的塑性变形机理2122327多数镁合金具有密排六方的晶体结构，室温下这些合金的塑性变形受密排六方晶体基面的支配。低于225时，镁合金仅限于0001基面和<11 20>方向滑移以及在锥面1012)和<1011>方向孪生来实现，从而导致了镁合金塑性很低，因此镁合金被视为一种难以塑性变形、压力加工成形性能差的金属材料，因此对变形镁

19、合金的塑性变形理论进行深入的研究就显得尤为重要。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，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）. 滑移变形机制一般而言，在其它条件相同时，晶格的滑移系越多，塑性便越好。研究表明，镁合金滑移系主要包括基面滑移系，锥面滑移系，棱柱面滑移系，如图3所示。0001基面是镁合金中原子排列最为紧密的晶面，是镁合金中最基本的滑移系，而三个101 0棱柱面和六个1011锥面等非基面滑移系由于其临界切应力在室温附近时比基面大得多，因而室温下只沿三

20、个基面进行滑移，使镁及其合金的室温塑性较低，难以塑性加工成形。而棱柱面和锥面等非基面滑移一般只有在应力集中较为严重的晶界附近区域才能发生。图3 镁合金中的滑移系图4 室温以上时镁的滑移面和滑移方向1（按热激活顺序排列）大量的研究表明，随着变形温度的提高，镁晶体棱柱面和锥面等非基面滑移系被激活而启动，使镁及其合金的高温塑性得以大幅度提高。锥面滑移能减小镁单晶的塑性各向异性，从而使其塑性及加工性能得到改善。室温以上时镁的滑移面和滑移方向如图4所示1。一般而言，影响镁合金滑移的主要因素有变形温度、变形速度、合金元素、晶粒度、初始晶粒取向等。（2）. 孪生变形机制在金属塑性变形过程中，孪生切变量一般都

21、远小于滑移变形量，因此孪生本身对晶体的塑性变形的直接贡献并不大，但孪生的作用在于调整晶体的取向并释放应力集中，从而激发进一步的滑移，使滑移和孪生交替进行，这样就可以获得较大的变形。对具有密排六方晶体结构的纯镁及其合金，由于仅通过位错发散难以获得有效的调节，因此孪生也是一种重要的晶内塑性变形机制。孪生对于Mg-Al-Zn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。一般而言，影响镁

22、合金孪生的主要因素有变形温度、应变速率、晶粒取向、晶粒尺寸等。5 变形镁合金板料塑性成形性能5.1 引言282930在镁合金板料的冲压加工中，板材成形性能的研究具有极其重要的地位。所谓板材成形性能是指金属板材对冲压过程的适应能力，抑或是指金属板料通过塑性变形改变形状的能力。其中，金属薄板在冲压过程中抵抗破裂的能力称为抗破裂性，或称狭义成形性能；综合考虑金属薄板在冲压过程中抗破裂性、贴膜性和定形性时的成形性能称为综合成形性能，或称广义成形性能。这里着重考虑狭义成形性能。根据国家标准GB/T 15825.1-2008可知，狭义成形性能主要包括以下几项：（1）. 胀形性能胀形成形时，金属薄板在双向拉

23、应力作用下抵抗其厚度减薄而引起局部颈缩或破裂（如图5）的能力。（2）. 拉深性能拉深成形时，在凸缘主变形区不起皱条件下，金属薄板在凸模圆角附近抵抗破裂（如图6）的能力。（3）. 扩孔（内孔翻边）性能扩孔（内孔翻边）成形过程中，金属薄板抵抗因孔缘（竖缘）局部伸长变形过大而发生孔缘（竖缘）开裂（如图7.图8）的能力。（4）. 弯曲性能弯曲成形时，金属薄板抵抗变形区外层拉应力引起破裂（如图9）的能力。图5 胀形与胀形破裂图6 拉深与拉伸破裂图7 扩孔与孔缘开裂图8 内孔翻边与竖缘开裂图9 弯曲与弯曲破裂根据日本学者吉田等28对冲压成形的分类方法，冲压成形可按表4区分为弯曲成形、胀形成形、拉深成形等。

24、在成形极限内所有断裂可以分为断裂、断裂和弯曲断裂。其中断裂是强度不足引起的，而断裂是延性不足引起的，弯曲断裂则是由弯曲成形而引起。表4 冲压成形性能区分图28 变形区的变形方式破裂方式胀形变形拉深变形弯曲变形断裂拉深成形胀形成形断裂拉伸折边成形弯曲断裂弯曲成形5.2 板材成形性能指标与试验方法2293031板料冲压性能及其控制主要受制于材料性能参数和工艺参数两个方面。目前，对板料冲压性能的评定方法很多，主要可分为直接实验法和间接实验法。其中，模拟试验是目前镁合金冲压性能研究应用最为广泛的方法。图10 板料冲压性能的评定方法2当前，鉴定板材的成形性能的指数及取得这些指数的试验方法，可以概括为如下

25、几类31：（1） 基本成形性能指数及其试验a) 强度性能：弹性模量、屈服强度、抗拉强度、屈强比；b) 变形性能：屈服点延伸率、最大力总伸长率、断裂总伸长率、断面收缩率；c) 晶粒度 d) 硬度 e) 表面状态 （2） 模拟成形性能指数及其试验a) 胀形性能指标：杯突值IE；b) 拉深性能指标：极限拉深比或载荷极限拉深比LDR()；c) 扩孔（内孔翻边）性能指标：极限扩孔率（平均极限扩孔率）()；d) 弯曲性能指标：最小相对弯曲半径Rmin/t；e) “拉深+胀形”复合成形性能指标：锥杯值CCV；f) 面内变形均匀性指标：凸耳率Ze；g) 贴膜（抗皱）性指标：方板对角拉伸试验皱高；h) 定形性指

26、标：张拉弯曲回弹值。（3） 成形极限曲线及其试验（4） 特定成形性能指数及其试验a) 塑性应变比（r）或平均塑性应变比（r）；b) 应变硬化指数（n）；c) 塑性应变比平面各向异性（r）。（5） 金属学的成形性能指数及其试验对于成形性能的基本参数和指标的具体内容，GB/T 15825.1-2008附录也有说明，在此不再赘述。5.3 镁合金板料成形性能研究现状5.3.1 基本和特定成形性能及其影响因素（1）. 屈服强度在冲压过程中，板材屈服强度小则材料容易屈服，成形后回弹小，贴膜性和定形性较好。大量试验表明，镁合金板材在室温和高温下拉伸时其拉伸曲线均无明显的屈服点。镁合金板材冲压成形后，零件回弹

27、小，具有较好的贴膜性和定形性，成型零件表面质量较好。（2）. 延伸率延伸率大小是评价金属材料塑性成形好坏的重要指标。延伸率大，板材的塑性变形的能力也就越大，也就不易在板材局部产生紧缩而导致破裂。延伸率受温度的影响较大，随着温度的升高，延伸率显著增加，尤其是在200以后，镁合金非基面滑移系的开动导致延伸率快速增加。32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33。E.Doege34等对AZ31B板进行拉伸测试，从常温升温至250的过程中

28、，流变应力逐渐下降，在200时应变速率从0.002s-1，上升到0.2s-1，流变应力增加，极限拉伸率降低。（3）. 硬化指数硬化指数n反映了金属板料成形过程中的形变硬化能力，其物理意义等于材料拉伸时刚要出现缩颈时的应变，也是最大均匀应变。n值大，不仅能够提高板料的局部应变能力，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。一般，n值越大，抗破裂性越强，尤其对胀形成形性能最有利2。应变硬化指数n受温度的影响，一般随温度的升高，n值减小35 36 37。 Fuh-Kuo Chen38等证明了AZ31板在冲压时，n值会随着温度的升高而下降。也有研究

29、表明，n值还与板料的热处理温度有关，AZ31镁合金的n值会随着热处理温度的升高而增大。（4）. 塑性应变比塑性应变比r反映了板厚方向和板料平面方向之间的塑性差异，由于板料平面上各个方向也存在塑性各向异性，所以板料的塑性厚向异性常用加权平均值r表示。r值对板料的拉深成形性能影响很大，r值大，板料平面方向比板厚方向容易变形，拉深毛坯的径向收缩时不容易起皱，并且拉深力也小，传力区不容易拉破，有利于板料的拉深成形。实验表明，镁合金的r值随着变形温度的升高而减小2。实验研究表明2，热处理温度对r值影响较大，未经热处理的板材r值最大，热处理温度在400时，其r值最小。为了得到合适的r值，在进行热处理时，需

30、要适当地选择温度。AZ31板材的r值室温下最高，为1.5，高于铝合金的1.0839。随温度的升高，r值降低，在573K时，r降低为0.632。（5）. 应变速率敏感指数应变速率敏感指数m是指在拉伸变形的任一瞬时，流变应力对应变速率的敏感性。m值愈大表明材料在冲压速度发生变化时，均匀变形的能力愈强，从而成形性愈好。镁合金板料的m值通常条件下很小，对冲压成形性能影响不明显，但当m值较大时，镁合金板料可以实现超塑性成形，此时m值对其超塑性成形性能影响较大40。研究表明，m值随着温度的升高而增大，因此为了实现超塑性，一般需要较高的成形温度236。刘满平41研究了工业态AZ31镁合金在温度623K723

31、K和应变速率1×10-51×10-3s-1，范围内的超塑性变形行为，结果表明工业态AZ31镁合金表现出良好的超塑性，其应变速度敏感指数达0.4。Fu-xiao Chen 42等在对MB26镁合金的超塑性研究中，在4000C、应变速率1.17×10s-1，条件下得到应变速率敏感系数为0.6。（6）. 其它相关研究张雷43对镁合金板材的成形性能通过拉伸试验进行了研究。研究表明：室温下，单向多道次弯曲工艺可以有效地改善工业态镁合金板材的室温机械性能。同时，经过RUB工艺弯曲处理的镁合金板材具有较低的塑性应变比r值和较高的加工硬化指数n值。陈林、汪凌云、卢志文35等人通过

32、试验研究了变形镁合金AZ31B薄板的冲压成形性能，并获得了常温下AZ31B板材的应变强化指数n、各向异性系数r和r以及弯曲半径和弯曲角的关系。试验结果表明，交叉轧制的AZ31B镁合金薄板比单向轧制的具有更大的伸长率，更高的加工硬化性能和更大的厚向异性系数，从而具有更好的冲压性能。另外，王里进44通过实验也获得相似的结论：采用交叉轧制的方式可以显著改善AZ31B镁合金的冲压性能。王越、姜丽丽等人45研究应变速率对AZ31B 变形镁合金力学性能的影响，通过不同应变速率和不同试验温度条件下，对AZ31B变形镁合金进行拉伸试验，得出结论：随着应变速率的提高，AZ31B变形镁合金的抗拉强度和屈服强度都随

33、之提高，而延伸率却逐渐降低；随着温度的升高，同一应变速率下的抗拉强度和屈服强度降低，而延伸率大幅度升高。通过观察扫描断口形貌发现，室温时，AZ31B变形镁合金的拉伸断裂机制为韧脆性断裂，在150时转变为韧性断裂，且随着应变速率的降低，断口上的韧窝变深且数量增多。卢志文、李焕峰46等人系统地研究了AZ31B镁合金板材的冲压性能：通过室温和中高温拉伸实验研究了AZ31B镁合金板材的基本冲压性能，如b、s、s/b、n、r和r等性能指标；通过模拟成形实验研究了杯突值、弯曲性能、拉深性能、扩孔性能以及成形极限图FLD等。研究表明，AZ31B镁合金板材的冲压性能室温下较低而中高温则较好。室温下镁合金的冲压

34、性能较差， 中、高温则具有较好的冲压成形性能。杨勇彪，王富耻等人47采用分离式Hopkinson压杆获得了冲击压缩方向与热轧态AZ31B镁合金板材法向分别成90°、45°及0°的动态应力-应变曲线，利用光学显微镜及透射电子显微镜对微观组织演化过程进行了分析。结果表明：应变率约为1200s-，压缩方向与板面法向成90°时，孪晶的面积分数随应变量的增大逐渐增加，孪生是主要变形机制，其曲线为凹型；压缩方向与板面法向成45°及0°时，其塑性变形以位错滑移为主，曲线形状分别为近似线型和凸型；应变率约为2800S-，压缩方向与板面法向成90

35、76;时，孪晶面积分数迅速增加，大多数晶粒取向发生了改变，有利于滑移，其曲线由较低应变率的凹形变为凸型。5.3.2 模拟成形性能及其影响因素（1） 拉深性能镁合金板料的拉深性能实验研究的主要内容是极限拉深比（LDR）。用不同直径的圆形坯料拉深平底圆杯，取试件底部圆角处不破裂时可能拉深成功的最大坯料直径D与凸模直径d的比值为极限拉深比(LDR)。极限拉深比的影响因素主要有坯料加热温度、模具温度、润滑剂选用、模具结构等。变形温度对金属的塑性有着重大的影响，对于镁合金亦是如此。陈振华48等通过实验证明，1mm的AZ31B镁合金薄板在200275温度范围内具有较好的成形性能，杯形拉深件的最大极限拉深比

36、可达2.14。当应变速率一定时，温度的升高可明显改善AZ31B镁合金轧制板的塑性。图11为不同温度下应力应变的关系，在400时延伸率可达58%。但温度升高的同时板材的抗拉强度和屈服强度则相应降低，有明显的软化现象。图11 不同温度下应力与应变的关系48图12 不同成形温度下的LDR曲线49张凯锋49等在50240的温度范围内对0.8mm的镁合金薄板极限拉深比进行了研究。如图12所示，与室温下的RLD=1.3相比，在50200范围内，AZ31B镁合金板的RLD随着温度的上升不断增大，200时达到最大值2.65。这说明在200时，延伸率增加的促进作用与应变硬化能力降低的负面影响达到了平衡。当温度超

37、过200，应变硬化能力降低的影响超过了延伸率增加的影响，导致RLD开始下降，到240时降低到2.2。与之相似，Fuh-Kuo Chen38等对厚度为0.85mm的AZ31B镁合金板材进行了拉深实验，结果也表明板材的成形性能不一定随温度的升高而一直提高，在300时的拉深性能最好。另外，很多镁合金冲压件的变形要求并不很大，其冲压变形完全可以在120170的温度范围内实现。对于板材，在120170之间塑性变形能力就很好，尤其在170左右板材的变形能力很高，筒形件的极限拉深比可达1.82.6。E. Doege34等选取AZ31B，AZ61B和M1三种镁合金材料进行了拉深试验，得出AZ31B镁合金板料(

38、厚1mm)在50时可进行少量的冲压成形，在200250，AZ31B、AZ61B和M1板料都己具有较好的冲压成形能力，AZ31B板料的最大拉深比为2.52。于彦东51等通过在25220范围内对AZ31B镁合金板料进行了拉深模拟，指出AZ31B镁合金板的LDR随着温度的上升不断增大，到200达到最大值2.8，在此之后温度升高时，极限拉深比反而降低。Fuh-Kuo Chen52等通过有限元分析和试验研究也得出了相同的结论。S.H. Zhang53等利用镁合金轧制板料在105170时得到了成形良好的杯形件。Somekawa等32 对AZ31镁合金板材从室温到300的拉深性能进行了测试，并用该板材进行了

39、筒形件成形试验。结果表明，随着温度升高，极限拉深比逐渐增加， 当温度为180时得到试验温度范围内的最大极限拉深比; 温度继续升高，其极限拉深比不再增加。张士宏教授等626364系统研究了镁合金板材热拉深工艺，结果表明随着温度升高极限拉深比增加，当温度为170时获得2.6的极限拉深比。应变速率是影响镁合金板料成形极限的一项重要的参数。多项研究表明，镁合金板料的低塑性使其对于应变速率具有很高的敏感性。E. Doege34等研究了AZ31B，AZ61B，M1镁合金在200进行拉深时拉深速度与LDR的关系，发现其LDR值与拉深速度成线性关系，随拉深速度的增加而降低。Fuh-Kuo Chen52等通过对

40、AZ31的深拉深试验，也得出了其明显的应变速率敏感性，指出在30mm/min的速率下进行拉深是比较合适的。张凯锋49等在200研究了拉深速度7.5mm/min，、30mm/min和72mm/min对AZ31镁合金成形的影响，发现以7.5mm/min的速度进行拉深时，板料拉深很浅时便发生断裂;而以30mm/min和速度进行拉深时，获得了LDR为2.65、高径比为1.4的杯形件。K.F.Zhang50等经过实验证明，200以30mm/min的速度对AZ31B板材进行冲压时，LDR值最大可达到2.65；当拉深速度约为900mm/min时，LDR值最大为1.83。在温成形条件下进一步提高镁合金板材的变

41、形速率，可以提高大批量生产镁合金部件效率，具有很大的发展潜力。润滑剂的使用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150350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37。尹德良60等研究了肥皂、硅油和水基石墨三种润滑剂对拉深性能的影响。K.Iwanaga57等研究表明采用PET膜作为润滑剂，比用MoS2得到了更好的润滑效果。Tyng-Bin Huang61等对于0.58mm厚的AZ31B板料，在260 C下采用MoS2和5号润滑油，得到了最大LDR分别为2.63和2.37的实验结果。影响镁合金拉深成形的模具结

42、构因素还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。目前对镁合金拉深时凸、凹模间隙的研究较少，通常采用较大的模具间隙56 57。Paisam58等研究表明，对于0.9mm的AZ31镁合金，rp/t<2.2时，其LDR值较小且随rp/t的值增加变化不大;当rp/t>3.3时，LDR随rp/t增大而增大，当rp/t>4.4时，其LDR值基本不发生变化。董海59等研究表明，当成形温度在170时，对于直径160mm、厚度1.0mm的AZ31镁合金交叉轧制板料，在4mm<rp<12mm，4mm<ra<9mm范围内，其成形效果较好，超出这个范围，试

43、件易发生破裂现象。S·Yoshihara54等采用加热凹模、冷却凸模的方法及与变压边力技术相结合，在400以200mm/min速度对0.5mm厚的AZ31镁合金薄板进行了拉深，得到直径为36.5mm、高度115mm的圆杯，最大成形极限达到5.0。Qun-Feng Chang55等研究发现，采用差温拉深工艺对AZ31板料进行拉深成形时，凸模温度控制在5090之间时，板料具有最好的成形性能。Iwanaga 等57研究了175时AZ31镁合金圆筒形件温热拉深试验。结果表明，减弱板材的基面织构可以提高AZ31板材的极限拉深比。张文忠、王志刚等65试验AZ31镁合金筒形件的结果表明，在室温到4

44、00的范围内最佳成形温度为200，增加凸模或凹模的圆角半径都能提高板材的成形性能， 润滑条件对板材的成形也有很大影响。任丽梅66对AZ31镁合金板材的温热成形进行了系统研究，结果显示0.7mm板材在180250成形效果较好，当温度高于250时板材的成形性能随温度的升高而下降;AZ31镁合金盒形件温热拉深成形中，采用矩形切角坯料将有利于成形。除了试验研究外，Takuda等67还对AZ31 镁合金板材的室温杯突试验进行了数值模拟，比较准确地预测了板材开裂的位置。郑文涛等68 采用Oyane损伤准则对AZ31 镁合金板材在非等温拉深试验中的开裂位置进行了预测。前人所获结果表明，变形温度、变形速度、摩

45、擦条件以及板材的织构等对板材的成形性能有较大影响，且温度对板材成形性能的影响趋势大致为：随着温度的升高， 板材的成形性能先提高，后无明显影响甚至下降。但是，前人的工作中并没有考虑氧化对板材成形性能的影响，此外，虽然陈复国等6970 对AZ31镁合金的研究已经发现板材的厚度不同时，获得的极限拉深比不同，但是却没有给出板材厚度对成形性能的具体影响趋势。（2） 弯曲性能镁合金板料的弯曲性能实验研究的主要内容有最小弯曲半径、回弹量等。镁合金的弯曲成形一般在加热状态下进行，但当弯曲变形程度不大时，也可以在室温下成形。由于镁合金板料比钢材具有更低的弹性模量，因此在弯曲工艺中其回弹将会更明显。Fuh-Kuo

46、 Chen38等研究了温度和凸模圆角半径对弯曲性能的影响，绘制了不同温度下弯曲半径与回弹角的关系曲线。研究发现，随温度升高，回弹角减小。C·Bruni71等对AZ31在不同温度、冲头半径、冲头速度的实验条件下进行了自由弯曲试验，发现温度和冲头半径对回弹影响较大，而速度影响很小，在给定温度和冲头速度的情况下，随着冲头圆角半径的减少回弹减少;随着温度升高回弹减少。（3） 胀形性能胀形成形性能的模拟试验包括埃里克森试验（杯突试验）、奥尔森试验、瑞典纯胀形试验和其他（液压胀形试验、极限成形高度试验等）。其中，如图13所示，杯突试验因其试验方便、试样简单而得到广泛应用；但是该试验的问题在于凸缘

47、材料能少量地被拉入凹模，压坑深度受厚度影响较大，并且受板材润滑情况的影响。奥尔森试验使用大压边力及齿形压边时，基本限制了试件凸缘的内流，但是不能完全阻止凸缘材料流入凹模洞口。瑞典纯胀形试验提出带阻力梗的杯突试验方法，如图14所示。图13 德国标准埃里克森试验装置，尺寸单位：mm图14 瑞典纯胀形试验1-凸模 2-压边圈 3-试样 4-凹模邓明、许洪斌等72对镁合金AZ31板进行了胀形实验和扩孔试验，并对它的成形性能进行了研究，获得了极限胀形系数、平均扩孔率以及成形力与行程的关系曲线等一些有价值的数据，得出以下结论：镁合金板材AZ31的极限胀形高度5.68mm (厚度为1mm2mm)；镁合金板材

48、AZ31的极限平均扩孔率为5.71%。镁合金塑性变形的主要影响因素除了包括晶体结构、显微组织、织构等内在因素外，还包括变形温度、变形速度和变形方式等外界因素。为此，许多学者对此进行了广泛而深入的实验研究和数值分析。何维均等73测试连铸连轧AZ31镁合金板在不同温度下的的杯突值(IE值) 。研究得出以下结论：随着温度升高，AZ31镁合金板材的IE值逐渐增加；在室温至450温度范围内，随着板料厚度增加其IE值增加；利用减薄率准则能够较准确地预测开裂的部位。张海涛，胡建华等人74通过室温和中温胀形实验研究了经过退火处理的AZ31镁合金板材的基本冲压性能，结论如下：变形温度升高时，镁合金板材塑性明显提

49、高，胀形极限应变增大；良好的润滑可有效地改善镁合金板材的塑性成形性能，提高其变形极限；板材状态对其成形性有直接关系，退火处理可以提高镁合金的极限胀形高度；压边力的控制对工件的胀形具有至关重要的作用。胡永学75通过超塑性气胀成形试验研究了交叉轧制AZ31B镁合金的超塑性气胀成形、超塑性能和微观组织。结论表明：在应变速率为5×10-s-和温度为698K时，镁合金板料超塑性气胀半球体的极限高径比H/R=0.86，最大变薄率为63.25%。在气胀成形过程中，胀形件的厚度随高度的增加而逐渐变薄，其顶端变薄最大，是最容易破裂的位置。通过胀形件断口的SEM照片分析可得，晶界滑移(GBS)是超塑性成

50、形的主要变形机制，位错蠕变和原子扩散是其主要的协调机制。镁合金和铝合金在一定程度上具有成形性能和工艺的可比性，因此在镁合金塑性成形性能研究中，我们可以借鉴已有的铝合金胀形研究成果，来探讨润滑条件对镁合金板料的影响。毛俊东，徐岩等人76在其他条件不变的情况下，通过采用不同的润滑条件，对同样形状的板料进行胀形和拉深实验，比较润滑剂对钢和铝板料成形性能的影响。实验结果表明：板料成形中，在不同的润滑条件下，板料的胀形和拉深成形性能差别比较大，其中干润滑剂润滑效果好于湿润滑剂润滑效果；胀形实验试件裂纹两端厚度减薄量随润滑条件的不同其分布差异较大；润滑剂对钢和铝板两组试件成形性能的影响基本一致。李秀华等人

51、77对铝合金薄板的杯突值进行了不同润滑条件的试验研究。试验结果表明：同一种金属材料，在相同的试验条件下，杯突值随着材料的厚度增加而增大；对同种材料同种厚度的铝合金板材测试杯突值时，使用润滑剂对其影响较大；无论对于哪一种厚度的材料，聚四氟乙烯薄膜能够取得良好的润滑效果邱晓刚78通过对胀形成形进行仿真计算和实际测试分析，比较了不同润滑条件下的应变分布，确定了胀形成形时的静摩擦系数值，研究分析了摩擦系数和材料参数n、r值对胀形成形的影响。研究表明：静摩擦系数值减小，LDH增大，板厚减薄越多，极限应变值增大，可提高胀形成形的能力；n值对胀形成形的影响是非常明显的，随着n值的增加LDH 增大。r 值对胀

52、形成形几乎没有影响。张军、董湘怀等人79研究厚度小于0.3mm的薄金属板的微胀形性能，为了得到胀形过程中薄板的成形性能规律，分别采用三种厚度的铜板和四种厚度的铝板进行胀形实验。结果表明：不同厚度的金属板的胀形深度不同，随着板厚的降低，铜板及铝板变形后的最大应变及极限胀形高度有增高的趋势。（4） 其他相关研究王立东80通过实验测定不同温度下的普通轧制和等径角轧制工艺制备的AZ31B镁合金板材的冲压性能指标，比较分析变形温度及轧制工艺对板材屈强比、应变硬化指数、塑性应变比以及LDR值的影响，得出的结论如下：AZ31B镁合金板材的r值随温度的升高逐渐减小，要获得较好的冲压性能，则普通轧制或等径角轧制

53、的AZ31B镁合金板材的拉深温度不应超过300；随着轧制温度的增加，镁合金板材的LDR值先升高，然后下降。而经过等径角轧制工艺制备的AZ31B镁合金板材具有更好的拉深性能；等径角轧制工艺能有效地提高AZ31B镁合金板材室温冲压性能，但塑性应变比变小，对拉深性能不利。褚兴荣、高军等8182通过镁合金板料的筒形件拉深实验分析了各个工艺参数对镁合金板料成形性能的影响。他们发现：(1)成形温度是影响镁合金板料的成形性能的最主要的因素。在210-240时镁合金板料具有很好的拉深成形性能，这个温度范围是其最佳成形温度范围。(2)压边力大小也是影响镁合金板料成形的一个重要因素，镁合金板料在最佳成形温度范围内

54、的压边强度大小为0.33 MPa1.84MPa。(3)镁合金板料成形时最佳的模具单边间隙范围为1.05t1.10t。凸模圆角半径l0mm、8mm、6mm是合适大小的圆角半径。与此同时，褚兴荣通过90°V形校正弯曲研究了各个工艺参数对镁合金板料弯曲成形的影响，实验表明：与普通材料相比，镁合金板料在常温下回弹角较大，常温下回弹角达到17°10'，而相同情况下普通钢板却只有2°10；成形温度是影响镁合金板料弯曲成形回弹角大小的最主要因素，随着成形温度的升高镁合金板料弯曲回弹角逐渐变小；镁合金板料的最小弯曲半径在240以下时，均在2mm-8mm，而且随着成形温度的

55、升高镁合金板料的最小弯曲半径逐渐变小。TanJ.C和Tan.MJ在1994年研究了粗晶AZ31镁合金的两阶段拉伸变形。第一阶段成形过程中，在523K和1×10-4s-1应变速率下原本粗大的晶粒成功细化为l0m以下，其主要变形机制是伴随位错蠕变的的晶界滑移。第二阶段成形则是在673K和723K下进行，主要变形机制为伴随扩散蠕变的晶界滑移83。2002年他们又研究了细晶AZ31镁合金板材(<10m)的两阶段拉伸，成功得到了360的拉伸率84。结果发现，第一阶段60变形过程中主聚变形机制为晶内扩散，而晶界扩散为主要的辅助机制。随变形的进行，晶界滑移逐渐发挥重要作用。当提高100150

56、K进行第二阶段变形时，再结晶晶粒已长大至30100u m，变形机理也随之发生变化，晶界滑移起主要作用。刘俊伟85选取AZ31镁合金板材为研究对象，分析了该合金在高温下的成形性能和微观结构，进而研究了AZ31镁合金超塑性气胀成形工艺，研究了直接胀形、两阶段胀形和多阶段胀形工艺。通过测量了胀形件的尺寸变化，得出了三种胀形方式的重要成形参数：等效流变应力、等效应变和应变速率敏感系数m。通过对微观结构的分析，刘俊伟还探讨了轧制AZ31镁合金板材的胀形机制。分析表明：晶界滑移是气胀成形过程中的主要变形机制，而动态再结晶、空洞形核和晶内滑移则是重要的辅助机制。6 结论和展望变形镁合金因其独特的性能，在许多

57、领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景。但是，由于镁合金的塑性成形工艺和性能明显不同于其他常用材料，这成为阻碍镁合金板材广泛应用的重要原因。因此，镁合金板料的冲压成形性能和工艺的研究是关键所在。为了解决镁合金的塑性变形问题，国内外众多学者在镁合金塑性成形领域开展了大量研究。目前，研究已经对板料的基本成形性能和拉深等模拟成形性能等进行了广泛而深入的研究。研究表明，镁合金可以在一定的成形条件下获得良好的成形性能和冲压产品。在板料冲压成形过程中，影响镁合金板料的冲压性能的因素主要包括：晶粒形态、织构形态、处理状态、变形温度、变形速率、润滑条件、板材厚度等。虽然镁合金冲压成形研究已取得一定的进展，但还缺乏系统性、实用性。尤其是在变形镁