【正文】 較慢，從室溫加熱到250℃時間約四小時。山東大學碩士學位論文第四章 鎂合金成形性能研究在緒論中我們提出溫度影響鎂合金中Al在鎂基中的溶解度，Al是本文所研究的鎂合金AZ31B最主要的合金元素，其對鎂合金的強度、塑性和耐蝕強度有很大的影響。采用干燥箱加熱時，應打開鼓風開關，使干燥箱內溫度均勻，干燥箱內部結構如圖35所示。在用于研究潤滑劑對成形性能的影響時，在試件上涂抹所需的潤滑劑。啟動實驗機，調整工作臺與上橫梁的位置，同時在計算機控制系統(tǒng)中使工作臺向上運動，使沖頭在實驗開始前與試件相接觸。端部為球形的沖頭從加熱箱下壁的孔洞中穿過并固定在墊板上。壓邊圈上表面外邊緣有一圈壓邊筋的凹槽，凹模下表面相對應的位置有一圈壓邊筋的凸臺，旋緊螺栓，在螺栓預緊力的作用下，凹模和壓邊圈將它們中間的試件壓制出一圈壓邊筋，試件上的壓邊筋可以阻止實驗過程中試樣邊緣的板料向凹?？變攘鲃?，保證實驗過程中鎂合金板料的變形為純脹形。設計的實驗裝置如圖23所示。 極限拱頂高度實驗裝置實驗是在500噸材料實驗機上進行。本論文提出用極限脹形系數來表示鎂合金的成形性能，即 （31）式中 表示開始產生裂紋時的高度；a是沖頭半徑。工具有半球形凸模、凹模和帶壓邊筋的壓邊圈。鋼板深沖性能不好的話，沖壓件在制作過程中就很容易開裂。杯突實驗是模擬脹形工藝，所以實驗值IE可作為材料的脹形成形性能指標。直接實驗中板材的應力和變形情況與真實沖壓基相同，所得的結果也比較準確；而間接實驗時板材的受力情況與變形特點卻與實際沖壓時有一定的差別。通常把材料開始出現破裂時的極限變形程度作為板料沖壓成形性能的判定尺度。所謂沖壓成形就是板材可成形能力的總稱，或者叫做廣義的沖壓成形性能。使用Deform2D有限元分析軟件，對鎂合金板料脹形實驗過程進行數值模擬，能夠準確獲得鎂合金板料成形的應力分布及板料最初破裂位置。在運行階段，若材料網格不符合真實成形情況時，即網格發(fā)生畸變，軟件會工件重新劃分網格，若不能重新劃分網格則終止運行；若材料參數設置恰當，網格劃分合理，則模擬會按照使用者預定的軌道完成模擬。該軟件是世界上發(fā)展較成熟的模擬軟件之一。構建板板材有限元平衡方程： （26）其中，M是質量矩陣；C是阻尼矩陣；是節(jié)點位移矢量；是等效內力適量；為等效節(jié)點力矢量；t和時刻內力與節(jié)點力平衡，即： （27）內力與節(jié)點力增量方程為： （28）式（28）Taylor展開成： （29）解方程（29）得： (210)當值很小時，即，方程（29）為靜力顯式方程；較大時，內力和節(jié)點力不再平衡，即產生不平衡力： （211）將Taylor展開為 （212）解方程(212)得 （213）當小到一定程度時，解得，方程（211）為靜力隱式方程。在Deform2D中，如果采用經典庫侖摩擦定律模擬鎂合金板料脹形實驗中的摩擦，其模擬結果顯然與實驗結果相差很大。這種算法計算準確，精度較高，但工作量大。罰函數法編程比較簡單，只考慮動量守恒和能量守恒，主要用于顯式算法。模擬分析時應正確定義工件與模具之間的接觸和摩擦模型及系數。 （23）式中，系數是表示材料性質的參數；是非單向拉伸時的屈服應力。但同Hill89和Hill90（下一節(jié)即將提到）屈服準則相比，又有計算精度較高的優(yōu)勢。2. Bart89準則[54]Barlart89屈服準則的方程式如下式所示： (22)其中：；；x，y為板材的軋制向和橫向；不同的晶格，m值也不相同；分別為板材各向異性系數；為沿軋制方向的等效應力。Hill48屈服準則Hill48各向異性屈服準則從其命名上可知，Hill在1948提出該準則 [52]。本構方程的準確性影響這有限元模擬能否真實反映材料成形過程。1960年起，由于有限元與非線性模擬技術的不斷發(fā)展，金屬板料的有限元模擬技術開始發(fā)展起來。第二章 有限元模擬基礎知識第二章 有限元模擬基礎知識 引言板料在成形過程中經過復雜的應力變化發(fā)生塑性流動和應變硬化等作用。另外，本論文提出二次成形的方法，即對鎂合金板料進行預成形一定拱頂高度后，在成形溫度下保溫一段時間，隨后脹形至板料失穩(wěn)。金屬塑性成形與各種成形參數有密切的關系，其中成形溫度對鎂合金板料的成形性能有顯著的影響。盧志文[50]等人對研究手機外殼溫成形時，提出二硫化鉬在高溫下潤滑效果極佳。. [47] 等人通過研究發(fā)現，在一定得應變速率下，鎂合金板料的流變應力隨溫度升高而下降，延展性隨溫度升高而變好。（10）完成對金相顯微鏡的使用后，擦干物鏡鏡頭和載物臺上的的水和試劑，并鋪上防塵布。旋轉微調焦距旋鈕時，動作要輕且慢，轉不動時切勿硬轉。（4）不能用手觸摸顯微鏡上所有的光學部分，擦拭時只能用專用的擦鏡頭紙。金相顯微鏡的維護[43]：（1）熟知并掌握顯微鏡的使用方法，嚴格按照產品的使用說明書使用顯微鏡。上述象差校正程度，都分別以鏡頭類型的形式標志在物鏡和目鏡上。早期的顯微鏡著眼于色差和部分球面象差的校正，根據校正的程度而有消色差和復消色差物鏡。象差的校正程度，也是影響成像質量的重要因素。在角接近于90176。由于光的衍射現象，物鏡的最小分辨距離是有限的。顯微鏡的放大率為：M顯=L/f物250/f目=M顯M目 （11）式中，M顯——表示顯微鏡放大率；M物——物鏡的放大倍數；M目——目鏡的放大倍數；f物——物鏡的焦距；f目——目鏡的焦距；L——光學鏡筒長度；250——為明視距離。至20世紀初，光學金相顯微術日臻完善，并普遍推廣使用于金屬和合金的微觀分析，迄今仍然是金屬學領域中的一項基本技術。它可顯示500～。合金成分、材料的熱處理、冷熱加工能影響鎂合金材料的內部晶體組織、內部結構，并能改變鎂合金構件的機械、力學性能。等經角軋制工藝能夠有效地細化晶粒、改變晶粒取向、并能有效地提高板材的沖壓成形性能。多道次軋制可以使板料產生很大的塑性變形。ⅱ等經角軋制工藝（Equal Channel Angular Rolling）從實際工業(yè)應用情況來看，由于等經角擠壓受到工藝設備結構等限制，傳統(tǒng)的等經角擠壓工藝雖可以批量生產，卻不能制備大尺寸的板材，也不能連續(xù)生產。隨著等經角擠壓的繼續(xù)進行，大變形使位錯胞能量升高，引起位錯交滑移，動態(tài)回復發(fā)生。圖11 等徑角擠壓示意圖變性材料在通過轉角時，發(fā)生較大的剪切變形，并在這大的剪切應變的作用下，晶粒發(fā)生轉動，晶粒取向產生變化，同時由于位錯重排、剪切變形的交互作用達到細化晶粒的目的[3637]。板材自身的合金成分、晶粒尺寸、相組成、織構類型以及板材的塑性加工方法、熱處理等又會影響這些力學性能參數。沖壓工序分為分離工序和變形工序，分離工序如沖孔、落料、切邊等，變形工序如彎曲、拉深、壓印、彎曲、脹形等。軋制溫度較高，晶粒容易長大；溫度較低，板材容易發(fā)生應力集中。2）軋制工藝大部分鎂合金板材通過擠壓后再軋制成薄板，只有少數幾種鎂合金可直接軋制鑄錠成薄板，如MgMn、MgZnZr合金。在成形過程中模具的預熱溫度、鑄錠的溫度、潤滑條件、擠壓速度、擠壓比等對鎂合金制品的內部組織、性能有很大的影響。 孿生變形孿生變形作為一種附加的調節(jié)機理，也是鎂合金的塑性變形的一種重要機制。棱柱面和錐面滑移系的滑移只有在晶界附近區(qū)域應力集中較為嚴重的時才能發(fā)生。純鎂和鎂合金的晶格結構大多是密排六方，與理想的密排六方結構接近。但是常溫下，鎂合金的塑性變形能力較差，這就限制了鎂合金在工業(yè)生產中的推廣[31]。雖然鎂合金的鑄造性能較好，生產效率高，并且可以成型各種大型小型且形狀復雜的零部件，但鑄造件本身所具有的缺點卻不可避免，如縮孔、縮松、晶粒粗大（雖然可以通過變質處理得到一些改善，但會增加鎂合金的生產成本，并且達不到使用要求）、偏析、脆斷性、綜合力學性能和使用性能較差，難以滿足特殊場合的使用要求，從而使鎂合金的適用范圍受到限制[2930]。對于含Al的鎂合金，可加入適量的碳素，通過形成使鎂合金晶粒細化。其中最為實用的是采用合金化的方法提高鎂合金熔融液阻燃性。4）鎂合金的阻燃技術現在普遍使用得保護溶劑是以無水光鹵石為主并添加氟化物、氯化物。用于攪拌熔體的電磁攪拌裝置安裝在壓射室外圍。3）擠壓鑄造鎂合金及其它鑄造成型方法日本東芝機器公司結合擠壓鑄造技術、低壓鑄造技術和通過電磁控制澆注泵流量，開發(fā)了LEOMACS系統(tǒng)。鎂合金壓鑄成型應注意以下問題：合金液容易堿化燃燒，應添加一些阻燃劑，不僅解決壓鑄成型過程發(fā)生燃燒現象，同時可使鎂合金鑄件獲得阻燃性能。由鎂合金自身的特性可知，鎂合金鑄件基本上不與鐵基發(fā)生反應，避免對鎂合金熔融液的污染。大量的實驗證明，鎂合金完全能在400～500℃下作為反應堆中的包覆材料。 鎂合金在航空航天工業(yè)中的發(fā)展在20世紀20年代，鎂合金材料就開始用于制造飛機發(fā)動機曲柄箱、客機座椅和起落輪零部件等零件。從世界各國各個汽車生產廠家鎂合金使用的綜合數據來看，目前鎂合金在汽車底盤、發(fā)動機及傳動系統(tǒng)和車內外構件已有廣泛的應用。鎂在我國分布廣泛，菱鎂礦儲量居世界第一位，%，主要分布在遼寧、河北、四川、山東、青海和西部等地，我國鎂產業(yè)的發(fā)展具有原材料豐富、原材料成本低等優(yōu)勢，有利于進行鎂合金的研究應用。1946年，鎂合金在“甲殼蟲”的應用達18kg。二戰(zhàn)期間，由于軍需，鎂合金在軍工、航天等領域開始廣泛應用，此時掀起了研究和應用鎂合金的熱潮[22]。Mn能提高AZ31鎂合金的耐腐蝕性能，在熔煉的過程除去鐵和其它重金屬元素，避免有害的晶間化合物影響AZ31鎂合金的耐腐蝕性能。在MgAlZn合金中，為了獲得良好的綜合力學性能，Al、Zn含量應該有合適的比例。 Zn元素的影響 %，并隨著溫度的降低而顯著減少。首先是因為Al在Mg中起到固溶強化作用；其次，由于Al在Mg中的溶解度隨溫度降低而下降，合金凝固或者進行時效處理時，彌散的、平衡的強化相在過飽和固溶體中析出，從而提高MgAl合金的強度。在此溫度下，%。 合金元素對AZ31B鎂合金的影響 本論文研究鎂合金AZ31B板料的脹形性能，大量的研究表明，合金元素對材料的各項力學性能有很大的影響[12]，本章節(jié)介紹各種合金元素對AZ31B鎂合金板料的影響。（10）鎂合金材料在高溫下具有良好的塑性，因此可以在一定溫度下采用壓力加工的方法獲得各種規(guī)格板材、棒材、型材和粉材，并獲得壓鑄件、鍛件和模鍛件等。（7）鎂幾乎不與鐵發(fā)生反應，因此采用壓鑄成型時，壓鑄模磨損少，可延長模具的使用壽命。（4）鎂合金的彈性模量較低，受力時，應力分布均勻，能夠防止過高的應力集中。在金屬結構材料中，鎂合金具有絕對優(yōu)勢[36]：（1），鎂合金的密度比純鎂稍大，～ g/cm3之間，大約是鐵的密度的1/4，鋁的密度的2/3，與塑料接近。 dome height。對比了二次成形與一次成形時鎂合金板料的成形性能，并分析了預成形高度與保溫時間對二次成形性能的影響；從拱頂高度和脹形系數等宏觀角度分析鎂合金板料的成形性能；對比了各成形條件下鎂合金板料垂直于脹形方向的顯微晶粒組織，從內部晶粒變化機理分析二次成形對鎂合金板料成形性能的影響，最終找出提高鎂合金板料成形性能的方法。降低鎂合金板料的成形速度能提高鎂合金板料的成形性能，但是過低的成形速度不適合在工業(yè)生產中廣泛應用。（1）在本文提出的溫度范圍內（100～250℃），隨著成形溫度的提高，鎂合金板料的成形性能逐漸增強。同時鎂合金具有較高的比強度和比剛度以及良好的切削加工性能和鑄造性能。鎂合金的密度較小，鎂合金制品整體結構質量輕、能源消耗少。本文采用極限拱頂高度實驗裝置，著重分析了各成形參數對鎂合金AZ31B板料脹形成形性能的影響，并找出提高鎂合金板料成形性能的方法。（3）對比兩種成形速度下（1mm/min和10 mm/min）鎂合金板料的極限拱頂高度和脹形系數：較低的成形速度下，鎂合金板料的極限拱頂高度和脹形系數較大。另外，本論文提出鎂合金板料的二次成形方法，即先預成形至一定拱頂高度，在成形溫度下保溫一段時間后再成形至失穩(wěn)。 AZ31B。在鎂基中添加其他元素所組成的鎂合金，是目前使用最輕的金屬結構材料[2]，提高鎂合金的應用范圍受到人們的廣泛重視。（3）鎂合金的阻尼性能好，震動吸收性能好，適合用鎂合金制作抗震減震的零部件。（6）鎂具有抗堿性、抗鹽霧腐蝕性能。（9）鎂合金具有優(yōu)良的切削加工性能；其切削速度遠遠比其他金屬材料要高；機加工工件在加工過程中不需要切削液；加工后不需要磨削、拋光處理；加工面的光潔度很高；同時其尺寸穩(wěn)定性好、尺寸精度高。由于鎂合金具有這樣的工藝特點，被譽為“21世紀的綠色工程材料”[10]，越來越多應用在電子、汽車工業(yè)、 航天、國防等領域[11]。Al對鎂鋁合金的鑄態(tài)組織的影響是根據MgAl二元相圖：平衡結晶時，溫度為437℃，發(fā)生共晶反應：，%。鎂合金中的Al含量小于百分之十時，隨著Al的含量的增加時，鎂鋁合金的伸長率先提