【正文】 1960年起，由于有限元與非線性模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，金屬板料的有限元模擬技術(shù)開始發(fā)展起來。由于板料的沖壓成形是由設(shè)備提供變形力在模具內(nèi)發(fā)生塑性變形，成形過程中與模具相互接觸，相互擠壓，發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此模具與工件之間的摩擦阻礙材料流動(dòng)，影響板料的成形性能。第二章 有限元模擬基礎(chǔ)知識(shí)第二章 有限元模擬基礎(chǔ)知識(shí) 引言板料在成形過程中經(jīng)過復(fù)雜的應(yīng)力變化發(fā)生塑性流動(dòng)和應(yīng)變硬化等作用。從拱頂高度和脹形系數(shù)等宏觀角度分析鎂合金板料的成形性能，同時(shí)對(duì)比鎂合金板料垂直于脹形方向的顯微晶粒組織，從內(nèi)部晶粒變化機(jī)理分析二次成形對(duì)鎂合金板料成形性能的影響。另外，本論文提出二次成形的方法，即對(duì)鎂合金板料進(jìn)行預(yù)成形一定拱頂高度后，在成形溫度下保溫一段時(shí)間，隨后脹形至板料失穩(wěn)。塑性成形中，模具與工件之間的摩擦影響工件的成形及表面質(zhì)量。金屬塑性成形與各種成形參數(shù)有密切的關(guān)系，其中成形溫度對(duì)鎂合金板料的成形性能有顯著的影響。本論文提出采用極限拱頂高度實(shí)驗(yàn)對(duì)熱軋鎂合金板料進(jìn)行脹形成形。盧志文[50]等人對(duì)研究手機(jī)外殼溫成形時(shí)，提出二硫化鉬在高溫下潤滑效果極佳。在300℃以上，應(yīng)變速率的影響就微乎其微。. [47] 等人通過研究發(fā)現(xiàn)，在一定得應(yīng)變速率下，鎂合金板料的流變應(yīng)力隨溫度升高而下降，延展性隨溫度升高而變好。Sebastian W [45]等人經(jīng)過研究得出結(jié)論，低溫下，鎂合金AZ31板料的成形性能較差，但成形出的淺拉深件表面質(zhì)量較好，板料的抗拉強(qiáng)度隨著溫度的升高而降低，塑性卻隨著溫度的升高而提高。（10）完成對(duì)金相顯微鏡的使用后，擦干物鏡鏡頭和載物臺(tái)上的的水和試劑，并鋪上防塵布。若轉(zhuǎn)換器螺口發(fā)生損傷或松動(dòng)后，轉(zhuǎn)換高倍物鏡時(shí)將對(duì)焦距的交接造成困難。旋轉(zhuǎn)微調(diào)焦距旋鈕時(shí)，動(dòng)作要輕且慢，轉(zhuǎn)不動(dòng)時(shí)切勿硬轉(zhuǎn)。（6）使用轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)換物鏡鏡頭，而不輕易搬動(dòng)。（4）不能用手觸摸顯微鏡上所有的光學(xué)部分，擦拭時(shí)只能用專用的擦鏡頭紙。不能傾斜顯微鏡，否則目鏡會(huì)從鏡筒上端移出。金相顯微鏡的維護(hù)[43]：（1）熟知并掌握顯微鏡的使用方法，嚴(yán)格按照產(chǎn)品的使用說明書使用顯微鏡。1872年荷蘭()研究出這種裝置，并制成了第一臺(tái)金相顯微鏡。上述象差校正程度，都分別以鏡頭類型的形式標(biāo)志在物鏡和目鏡上。物鏡和目鏡經(jīng)過這些象差校正后，不僅圖像清晰，并可在較大的范圍內(nèi)保持其平面性，這對(duì)金相顯微照相尤為重要。早期的顯微鏡著眼于色差和部分球面象差的校正，根據(jù)校正的程度而有消色差和復(fù)消色差物鏡。透鏡的象差主要有七種，其中單色光有球面象差、彗星象差、象散性、象場彎曲和畸變五種。象差的校正程度，也是影響成像質(zhì)量的重要因素。因此，必須借助于電子顯微鏡來觀察， ～500之間的組織形貌、分布、晶粒度的變化，以及滑移帶的厚度和間隔等，都可以用光學(xué)顯微鏡觀察。在角接近于90176。從上式可知，分辨率隨著波長和折射系數(shù)的增加而提高。由于光的衍射現(xiàn)象，物鏡的最小分辨距離是有限的。透鏡的分辨率和象差缺陷的校正程度是衡量顯微鏡質(zhì)量的重要標(biāo)志。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(shù)；M目——目鏡的放大倍數(shù)；f物——物鏡的焦距；f目——目鏡的焦距；L——光學(xué)鏡筒長度；250——為明視距離。分立式和臥式，,它們都包括光學(xué)放大、照明和機(jī)械三個(gè)系統(tǒng)。至20世紀(jì)初，光學(xué)金相顯微術(shù)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(xué)領(lǐng)域中的一項(xiàng)基本技術(shù)。1863年，英國人()把試樣的制備（切割、磨拋）、拋光和腐刻等巖相學(xué)技術(shù)應(yīng)用于鋼鐵的研究，產(chǎn)生了金相技術(shù)，后來還拍出一批低放大倍數(shù)的和其他組織的金相照片。它可顯示500～。光學(xué)、照明、機(jī)械等系統(tǒng)和附件裝置是構(gòu)成金相顯微鏡主要部分。合金成分、材料的熱處理、冷熱加工能影響鎂合金材料的內(nèi)部晶體組織、內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并能改變鎂合金構(gòu)件的機(jī)械、力學(xué)性能。該儀器配用攝像裝置，可攝取金相圖譜，并具有對(duì)圖譜進(jìn)行測量分析，對(duì)圖像進(jìn)行編輯、輸出、存儲(chǔ)、管理等功能。等經(jīng)角軋制工藝能夠有效地細(xì)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。等經(jīng)角軋制工藝能有效地降低能源消耗，主要是因?yàn)檐堉颇＞咚枰臄D壓力由軋制過程產(chǎn)生的摩擦力提供。多道次軋制可以使板料產(chǎn)生很大的塑性變形。等經(jīng)角軋制工藝是一種連續(xù)剪切變形工藝，采用線速度相同的軋輥，軋輥由幾個(gè)小軋輥（衛(wèi)星輥）和一個(gè)大軋輥（中心輥）組成[39]。ⅱ等經(jīng)角軋制工藝（Equal Channel Angular Rolling）從實(shí)際工業(yè)應(yīng)用情況來看，由于等經(jīng)角擠壓受到工藝設(shè)備結(jié)構(gòu)等限制，傳統(tǒng)的等經(jīng)角擠壓工藝雖可以批量生產(chǎn)，卻不能制備大尺寸的板材，也不能連續(xù)生產(chǎn)。如果在擠壓的過程中材料的晶粒細(xì)化到一定程度且很好的控制材料的晶界結(jié)構(gòu)，經(jīng)等經(jīng)角擠壓的鎂合金獲得低溫超塑性[38]。隨著等經(jīng)角擠壓的繼續(xù)進(jìn)行，大變形使位錯(cuò)胞能量升高，引起位錯(cuò)交滑移，動(dòng)態(tài)回復(fù)發(fā)生。繼續(xù)加大變形，位錯(cuò)胞尺寸變小，數(shù)量增多，位錯(cuò)集中在胞壁上。圖11 等徑角擠壓示意圖變性材料在通過轉(zhuǎn)角時(shí)，發(fā)生較大的剪切變形，并在這大的剪切應(yīng)變的作用下，晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，晶粒取向產(chǎn)生變化，同時(shí)由于位錯(cuò)重排、剪切變形的交互作用達(dá)到細(xì)化晶粒的目的[3637]。常規(guī)的擠壓和軋制工藝不能滿足上述兩個(gè)方面，因此提出等經(jīng)角擠壓工藝和等經(jīng)角軋制工藝[3335]。板材自身的合金成分、晶粒尺寸、相組成、織構(gòu)類型以及板材的塑性加工方法、熱處理等又會(huì)影響這些力學(xué)性能參數(shù)。4）等經(jīng)角擠壓與等經(jīng)角軋制工藝近年來，對(duì)鎂合金的研究結(jié)果表明，鎂合金在常溫下滑移系很少，塑性變形能力差，高溫下的塑性變形能力可得到進(jìn)一步的改善。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。為了得到性能良好的軋制板材，應(yīng)嚴(yán)格控制各個(gè)成性參數(shù)。軋制溫度較高，晶粒容易長大；溫度較低，板材容易發(fā)生應(yīng)力集中。其中壓下量、軋制溫度、軋制速度三者之間相互影響、相互制約。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(shù)幾種鎂合金可直接軋制鑄錠成薄板，如MgMn、MgZnZr合金。同時(shí)擠壓成形時(shí)，材料受到的擠壓壓力大、加快模具的磨損、制品各向異性顯著。在成形過程中模具的預(yù)熱溫度、鑄錠的溫度、潤滑條件、擠壓速度、擠壓比等對(duì)鎂合金制品的內(nèi)部組織、性能有很大的影響。孿生切變量遠(yuǎn)小于滑移變形量，其作用是改善應(yīng)力集中和調(diào)整晶體的內(nèi)部取向，使滑移進(jìn)一步進(jìn)行，同時(shí)孿生和滑移交替進(jìn)行，獲得更大的塑性變形量。 孿生變形孿生變形作為一種附加的調(diào)節(jié)機(jī)理，也是鎂合金的塑性變形的一種重要機(jī)制。一般情況下，影響鎂合金滑移的主要因素有合金元素、初始晶粒取向、晶粒度、成形溫度、成形速度等。棱柱面和錐面滑移系的滑移只有在晶界附近區(qū)域應(yīng)力集中較為嚴(yán)重的時(shí)才能發(fā)生。鎂合金晶體結(jié)構(gòu)中原子排列最為緊密的晶面是{0001}基面，是最基本的滑移系，在室溫鎂合金發(fā)生塑性變形時(shí)，只有三個(gè)基面滑移系，即兩個(gè)獨(dú)立的滑移系。純鎂和鎂合金的晶格結(jié)構(gòu)大多是密排六方，與理想的密排六方結(jié)構(gòu)接近。 滑移變形一般金屬材料主要是靠位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)塑性變形的，鎂合金發(fā)生塑性形時(shí)也不例外。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(chǎn)中的推廣[31]。鎂合金塑性成形工藝，如擠壓、軋制、鍛造、拉深、脹形等可以消除或減小在鑄造工藝階段所形成的縮孔縮松，提高鎂合金材料的綜合力學(xué)性能和使用性能，擴(kuò)大鎂合金的應(yīng)用范圍。雖然鎂合金的鑄造性能較好，生產(chǎn)效率高，并且可以成型各種大型小型且形狀復(fù)雜的零部件，但鑄造件本身所具有的缺點(diǎn)卻不可避免，如縮孔、縮松、晶粒粗大（雖然可以通過變質(zhì)處理得到一些改善，但會(huì)增加鎂合金的生產(chǎn)成本，并且達(dá)不到使用要求）、偏析、脆斷性、綜合力學(xué)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]。日本在熔煉鎂合金熔液時(shí)為了得到較好的變質(zhì)效果，采用氫氣混入高純碳粉作為變質(zhì)劑。對(duì)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(xì)化。5）鎂合金熔融液的變質(zhì)處理鎂合金熔熔液的變質(zhì)處理是通過改變鎂合金的組織形態(tài)，從而影響合金的晶粒大小、力學(xué)性能和合金的氧化雜質(zhì)含量。其中最為實(shí)用的是采用合金化的方法提高鎂合金熔融液阻燃性。在發(fā)達(dá)國家使用惰性氣體保護(hù)法或能與鎂發(fā)生反應(yīng)成致密的氧化膜的阻燃物質(zhì)。4）鎂合金的阻燃技術(shù)現(xiàn)在普遍使用得保護(hù)溶劑是以無水光鹵石為主并添加氟化物、氯化物。鎂合金消失模鑄造技術(shù)剛剛開始研究，是將先進(jìn)材料和先進(jìn)工藝相結(jié)合，用于生產(chǎn)形狀復(fù)雜的汽車零部件。用于攪拌熔體的電磁攪拌裝置安裝在壓射室外圍。這個(gè)系統(tǒng)使生產(chǎn)過程中鎂合金熔融液表面與空氣隔開，避免鎂合金熔融液的氧化燃燒，同時(shí)可在低溫下進(jìn)行保溫和澆注[28]。3）擠壓鑄造鎂合金及其它鑄造成型方法日本東芝機(jī)器公司結(jié)合擠壓鑄造技術(shù)、低壓鑄造技術(shù)和通過電磁控制澆注泵流量，開發(fā)了LEOMACS系統(tǒng)。該工藝成型的壓鑄件，成型壓力較高，還需對(duì)鎂合金進(jìn)行預(yù)處理，制成屑片，且設(shè)備成本較高，大大提高了鎂合金鑄件的生產(chǎn)成本。鎂合金壓鑄成型應(yīng)注意以下問題：合金液容易堿化燃燒，應(yīng)添加一些阻燃劑，不僅解決壓鑄成型過程發(fā)生燃燒現(xiàn)象，同時(shí)可使鎂合金鑄件獲得阻燃性能。鎂合金壓鑄成型鑄件收縮率均勻一致，脫型力較低，因此鎂合金鑄件尺寸精度高。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(yīng)，避免對(duì)鎂合金熔融液的污染。由于鎂合金自身的性質(zhì)及工藝特點(diǎn)，鎂合金在鐵道行業(yè)、船舶、冶金、化學(xué)、電力、電子、家用電器、家具、醫(yī)療等領(lǐng)域也會(huì)得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。大量的實(shí)驗(yàn)證明，鎂合金完全能在400～500℃下作為反應(yīng)堆中的包覆材料。 鎂合金在其它領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展由于鎂的熱中子吸收截面小，僅是鋁的1/4。 鎂合金在航空航天工業(yè)中的發(fā)展在20世紀(jì)20年代，鎂合金材料就開始用于制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄箱、客機(jī)座椅和起落輪零部件等零件。根據(jù)兵器本身的使用特點(diǎn)和功能要求，結(jié)合鎂合金的性能，鎂合金密度小，鎂合金的尺寸穩(wěn)定很高，滿足導(dǎo)彈、火箭減重及高精度要求，鎂合金在兵器上的應(yīng)用技術(shù)是可行的，并不斷的向前發(fā)展[26]。從世界各國各個(gè)汽車生產(chǎn)廠家鎂合金使用的綜合數(shù)據(jù)來看，目前鎂合金在汽車底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)和車內(nèi)外構(gòu)件已有廣泛的應(yīng)用。全國21個(gè)省、自治區(qū)、直轄市的4個(gè)研究院所、7所高校、20多家企業(yè)直接參與了該項(xiàng)目的研究進(jìn)展。鎂在我國分布廣泛，菱鎂礦儲(chǔ)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(chǎn)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(jìn)行鎂合金的研究應(yīng)用。長期以來，對(duì)鎂合金的研究使用德國一直處于世界領(lǐng)先地位，而北美和日本汽車行業(yè)中鎂合金的開發(fā)應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代。1946年，鎂合金在“甲殼蟲”的應(yīng)用達(dá)18kg。 鎂合金在汽車工業(yè)上的應(yīng)用早在20世紀(jì)20年代中期，德國就出現(xiàn)了鎂合金壓鑄件[23]。二戰(zhàn)期間，由于軍需，鎂合金在軍工、航天等領(lǐng)域開始廣泛應(yīng)用，此時(shí)掀起了研究和應(yīng)用鎂合金的熱潮[22]。 鎂合金的發(fā)展和應(yīng)用[21]在實(shí)驗(yàn)室提得純鎂，至今鎂合金的使用已有兩百多年的歷史。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。 其它合金元素的影響鎂合金中的Fe和Ni元素對(duì)于鎂合金的抗腐蝕性能極為不利，會(huì)使鎂合金的抗蝕性能嚴(yán)重降低，其含量必須嚴(yán)格控制。在MgAlZn合金中，為了獲得良好的綜合力學(xué)性能，Al、Zn含量應(yīng)該有合適的比例。%時(shí)，Zn對(duì)鎂合金的防腐性能有負(fù)面影響。 Zn元素的影響 %，并隨著溫度的降低而顯著減少。若在晶界上析出則會(huì)降低鎂合金的抗蠕變性能[17]。首先是因?yàn)锳l在Mg中起到固溶強(qiáng)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(jìn)行時(shí)效處理時(shí)，彌散的、平衡的強(qiáng)化相在過飽和固溶體中析出，從而提高M(jìn)gAl合金的強(qiáng)度。%，且由于工業(yè)上的所用的鎂鋁合金通常是不平衡結(jié)晶，室溫狀態(tài)下的組織通常為[16]。在此溫度下，%。表11 鎂合金主要元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)%元素AlCaCuFeMnNiSiZnMg質(zhì)量分?jǐn)?shù)Max Max Max 97 Al元素的影響Al是AZ31鎂合金中的主要元素，主要起到固溶強(qiáng)化作用并形成沉淀析出相，從而降低合金的塑性并提高其強(qiáng)度和耐腐蝕性能[15]。 合金元素對(duì)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(duì)材料的各項(xiàng)力學(xué)性能有很大的影響[12]，本章節(jié)介紹各種合金元素對(duì)AZ31B鎂合金板料的影響。（11）鎂合金回收率高，達(dá)到環(huán)保要求[9]。（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。（8）鎂合金的鑄造性能優(yōu)良，幾乎可以采用所有的鑄造工藝。（7）鎂幾乎不與鐵發(fā)生反應(yīng)，因此采用壓鑄成型時(shí)，壓鑄模磨損少，可延長模具的使用壽命。（5）鎂合金的電磁屏蔽性比鋁合金好，適宜制作電子產(chǎn)品，如計(jì)算機(jī)和手機(jī)等產(chǎn)品的外殼，可降低對(duì)人體的輻射危害。（4）鎂合金的彈性模量較低，受力時(shí)，應(yīng)力分布均勻，能夠防止過高的應(yīng)力集中。（2）有很高的比強(qiáng)度和比剛度，其比彈性模量與合金鋼、高強(qiáng)度鋁合金相當(dāng)，因此采用鎂合金制作剛性良好的整體構(gòu)建，對(duì)于構(gòu)件的整體性能十分有利[8]。在金屬結(jié)構(gòu)材料中，鎂合金具有絕對(duì)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。 forming property山東大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章 緒論 鎂及鎂合金材料的性質(zhì)及工藝特點(diǎn)鎂元素在自然界中分布廣泛，居第八位，是地殼中分布最廣的元素之一，%[1]。 dome height。 reversely, the form