AZ31镁合金薄板成形性能研究

发布时间：2016-05-31 05:53

1.绪 论

1.1 引言
镁是自然界尤其是地壳中含量比较多的元素之一，若按重量排序，在地壳中排在第八位，排在常用的金属铝和铁之后，其重量大约占地壳重量的 2.1%。地壳中含有的化合物种类约有 1600 种，其中仅镁元素的化合物就有超过 200 种，并且其分布也非常的广泛。当前用于工业上的主要炼镁原料有菱镁矿、光卤石、白云石和蛇纹石，海水和盐湖水中也含有大量的镁元素化合物，也可作为炼镁原料。我国的镁资源非常丰富，镁资源储量约占地球上镁资源总量的 23%，已经探明的菱镁矿储量就超过 30 亿吨，居于世界首位，白云石矿产量更是超过 40亿吨，而且我国的盐湖镁资源也非常丰富。我国原镁产量已居世界首位近 20 年，同时也是是世界第一大镁出口国[l]。纯镁的密度相比于其它金属较低，大约是铝密度的 2/3，钢密度的 1/4，金属镁及镁合金是当前应用于工程及机械加工中的最轻质的金属材料[2]。除密度小以外，镁及其合金的比强度和比刚度却比较高，而且具有很好的切削加工性能,良好的电磁屏蔽性能，良好的散热性而且容易回收和二次应用，被誉为 21 世纪的绿色工程材料[3]。即使如此，依然存在许多因素制约着镁及其合金的生产，例如材料的制备、镁及其合金的加工技术、空气中容易氧化、易腐蚀以及价格等，正是由于这些制约因素，镁及其合金在工程以及加工领域的使用量仍然大大低于传统金属材料钢铁和铝合金。有一个非常重要的原因是过去镁没有找到巨大的应用市场。近些年来，随着经济高速发展，社会快速运转，环境日益恶化，能源问题也越来越紧张，越来越多的企业致力于汽车的轻量化和低耗能，这重新引起了大家对镁的极大兴趣[4]。我国镁生产能力占世界的 2/3 以上，但原镁产能利用率低下，超过 80%的镁资源都是经简单处理作为初级原料低价出口[5]。 高性能镁合金以及镁合金产品的生产能力不足，严重阻碍了我国镁产业的发展。
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1.2 镁合金的概述
我国普遍使用美国的材料试验学会制定和应用标准，也就是我们常说的ASTM 标准[5]。按照 ASTM 标准的规定，各类镁合金的名称由三个部分组成，第一部分是字母，由代表镁合金中除镁以外的含量最高的两种元素的字母组成，且顺序是按镁合金中元素含量由多到少排列的，第一个字母表示合金中化学元素的含量高，假如出现合金中的两种元素含量一样，则其排列顺序就根据 26 个英文字母的排序；第二部分是数字，数字是前面一部分两种元素在镁合金中的准确含量，是用质量分数表示该元素在合金中所占的份额，用整数（四舍五入）表示。第三部分是 ASTM 标准指出的英文字母如 A、B、C 以及 D 等，这些英文字母在一般情况下表示了镁合金的元素纯度，用来划分具有相同元素，相同名称但不同元素含量的合金，代表了各型号镁合金发展的各个阶段[5]。例如，AZ31表示合金 Mg-3Al-1Zn。正常来讲，合金的化学成分、成型工艺以及合金中是不是具有有色金属锆，这三方面是镁合金的分类依据[5]。
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2 主要研究方法与设备

2.1 本文研究方案
本课题首先以对称轧制和不对称轧制两种工艺温轧 0.5mm 厚 AZ31 镁合金薄板，探究并选择最佳热处理工艺。进行金相实验和 XRD 实验，从微观方面解释影响镁合金薄板力学性能和成形性能的因素。进行不同温度下的单向拉伸实验，以获得冲压成形性能指标。进行不同温度下的拉深实验、杯突实验以及 FLD 实验等，探索适合 AZ31镁合金薄板的冲压工艺。
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2.2 板材制备
实验原材料以银河镁铝合金公司轧制的 AZ31 镁合金热轧镁卷，原料的初始厚度是3mm，宽度是 380mm，热轧态镁卷化学成分如表 2.1 所示。轧制实验在辽宁科技大学镁合金铸轧工程技术中心自主研制的六辊温轧机进行（如图 2.2），采用多道次可逆轧制轧机两边有隧道炉，轧辊具有控温装置，轧制时原料首先进入隧道炉加热到 250℃，轧辊也预热到 300℃左右。采用多道次、小压下量、可逆轧制，轧制到厚度为 0.5mm 为止。不对称轧制时采用相同的生产工艺，通过改变上下工作辊的直径实现不对称，上工作辊直径 60mm，下工作辊直径 80mm。轧制工艺如表 2.2 所示，1 号 2 号试样分别采用对称和不对称轧制工艺轧制。金相分析作为金属材料微观组织一种常规检测方法，金相显微镜下能够观察到金属材料的晶粒大小、晶粒形状、孪晶及其分布情况[50]。镁合金的金相试验过程包括取样﹑镶嵌（冷镶）﹑研磨（水磨砂纸 400 目到 5000目）﹑抛光（抛光膏用 1W 和 0.5W，最后水抛）﹑腐蚀等。腐蚀 AZ31 镁合金所用腐蚀剂配比为苦味酸 1.0g+乙醇 16ml+乙酸 1ml+蒸馏水 2ml，腐蚀时间 为 35~45s，腐蚀剂现配现用，，不可多配留用。
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3.AZ31 镁合金薄板力学性能研究..........26
3.1 引言.....26
3.2 热处理对普通轧制 AZ31 镁合金薄板微观组织及力学性能的影响.......26
3.3 轧制工艺对 AZ31 镁合金薄板微观组织及力学性能的影响.....30
3.3.1 轧制工艺对 AZ31 镁合金薄板微观组织的影响........30
3.3.2 轧制工艺对 AZ31 镁合金薄板力学性能的影响........32
3.4 AZ31 镁合金薄板冲压力学性能分析.......35
3.6 本章小结..........43
4.AZ31 镁合金薄板成形实验研究..........44
4.1 引言.....44
4.2 AZ31 镁合金薄板室温拉深实验研究.......44
4.3 AZ31 镁合金薄板高温状态下的 FLD 实验研究.......... 46
4.4 AZ31 镁合金薄板热成形实验研究....49

4. AZ31 镁合金薄板成形实验研究

4.1 引言

镁合金的室温冲压对冲压模具和操作工艺要求低，但由于塑性性能差的原因，室温下能冲压成形只适合结构简单，冲压前后尺寸变化小的工件[56]。而镁合金薄板变形时，高温能够激活更多的滑移系，是冲压更易进行，从而克服镁合金薄板塑性性能差的缺点，使能够冲压成形的零件形状尺寸更加复杂。本章将从冲压温度和压边力大小等方面，对 AZ31 镁合金薄板的室温及高温冲压工艺进行实验研究，进行不同温度下的杯突实验和高温下的 FLD 实验，以期找到影响镁合金薄板成形的主要因素和最佳的高温拉深工艺。室温下，对 0.5mm 厚对称轧制 AZ31 镁合金薄板进行拉深实验。首先分别用直径为 60 毫米、65 毫米、70 毫米以及 75 毫米的试样进行预实验，实验选用压边力 5KN，凸模速度 10mm/min。发现试样直径为 70 毫米和 75 毫米时，凸模圆角区出现破裂，推测该材料室温拉深实验时，所能选用的最大直径大约为 70 毫米。正式实验选取同样的工艺参数，试样直径从 66.25mm 到 73mm，每两个试样直径相差 1.25mm，如图 3.19（1）所示。计算得对称轧制板材 LDR 值为 1.17，不对称轧制板材 LDR 值为 1.26，（2）中a 是直径为 70mm 的不对称轧制板材，其冲压深度为 9.8mm，b 是直径为 70mm 的对称轧制板材，其冲压深度为 7.1mm。说明不对称轧制工艺有利于改善 AZ31 镁合金薄板室温下的塑性成形性能。

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结 论

1、室温下不对称轧制工艺制备的 AZ31 镁合金薄板比对称轧制工艺制备的 AZ31镁合金薄板晶粒分布更加均匀，更加细小，基面织构减弱，抗拉强度和延伸率大幅度增加，力学性能更好。
2、随热处理温度升高，保温时间延长，镁合金板材晶粒长大，当温度达到 300℃时，出现了静态再结晶，试样热处理温度为 350℃，保温时间 0.5h 时，静态再结晶达到完整，温度继续升高或者保温时间继续增加，晶粒都会出现不同程度的长大。
3、对称轧制 AZ31 镁合金薄板经 350℃，0.5h 热处理后，断裂延伸率达到 16.36% ，未热处理板材的值只有 8.41%，薄板抗拉强度变化不大。当热处理温度升高到 400℃或者保温时间延长到 1h，延伸率出现了一定程度的减小，但变化并不明显。
4、室温下，与对称轧制板材相比，不对称轧制板材各方向的屈强比即均减小，n值均增大，r 值均减小。小的屈强比和大的应变硬化指数有利于薄板的冲压成形，但小的塑性应变比对薄板的冲压成形不利。
5、随着变形温度的升高，两种工艺制备板材的冲压性能指标 r 值，出现了不同的趋势，对称轧制板材的 r 值降低，不对称轧制板材的 r 值升高。
6、室温下，不对称轧制 AZ31 镁合金薄板极限拉深比为 1.26 高于对称轧制薄板的极限拉深比 1.17，有利于薄板的冲压成形性能。
7、室温到 350℃范围内，随着温度升高，AZ31 镁合金薄板的杯突值有升高趋势，350℃时杯突值为 9.3mm，远大于室温时的 2.2mm，不对称轧制薄的杯突值高于对称轧制薄板。
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参考文献(略)

本文编号：52218