（材料加工工程专业论文）az31镁合金板材温热高速率本构关系研究.pdf

摘要 材料的本构关系，尤其是动态冲击载荷下的弹塑性本构关系一直是材料与 力学领域研究的重点。镁合金因其为最轻的金属结构材料而受到了强烈的关注， 并广泛应用于航空航天、汽车以及电子产品等领域。随着计算机和数值计算方 法的发展，数值模拟成为研究问题的重要手段，但是材料的动态本构关系一直 是束缚其发展的瓶颈。目前从文献上看，很多学者所建立的本构方程，关于镁 合金材料热压缩变形应力与应变定性分析的研究很多，但关于镁合金材料在热 拉伸变形条件下应力、应变、应变速率和温度之间关系的描述并不多见，故文 献中提出的本构关系模型还存在不足，对于拉伸类变形，引用时难免会出现很 大的误差。本研究的目的就是建立可以满足计算精度的a z 3 1 镁合金高应变速 率温热拉伸类变形本构关系模型。 本文首先介绍了a z 3 l 镁合金温成形及高速率成形研究进展，其次介绍了材 料的本构关系，在塑性变形阶段材料的应力不仅与应变有关，还受材料的加载 历史、应变率和温度影响，重点介绍了应变率及温度对材料成形性能的影响， 并列举了几种常用与a z 3 1 镁合金的本构方程。 为了建立a z 3 1 镁合金温热高速率本构方程，作者对a z 3 1 镁合金进行了旋 转盘动态拉伸力学性能测试，得到了材料在不同温度不同应变率条件下的应力 应变关系曲线，分析了变形温度及应变率对材料成形性能的影响规律。结果表 明：1 ) 在应变率一定的前提下，峰值应力随着温度的升高而降低，材料的延伸 率随着温度的升高而增加；2 ) 在温度一定的前提下，应变率越高，峰值应力也 越高；3 ) 随着应变的增加，a z 3 1 镁合金屈服强度提高，其流变应力迅速达到 峰值，缓慢上升到应变值达到一定时，呈下降趋势，使流变应力下降。 本文根据实验得到的a z 3 1 镁合金应力应变数据及其关系曲线，通过模型 选择、数值计算建立镁合金在温热高速率成形下的本构方程。最后根据电磁胀 形得到的实验数据和数值模拟得到的模拟结果来验证所得的本构方程的准确 性。结果显示，所求得的本构方程能很好地模拟材料的变形过程，具有一定的 理论指导意义。 关键词：应变率；温度；本构关系；镁合金；动态拉伸 a b s 仃a c t t h ec o n s t i t u t i v er e l a t i o n so fm a t e r i a l s ，e s p e c i a l l yd y n a m i cp l a s t i cc o n s t i t u t i v e r e l a t i o n s ，h a v ea l w a y sb e e no n eo ft h ee m p h a s e si nm e c h a n i c a la n dm a t e r i a lf i e l d s a st h el i g h t e s tm e t a l ，m a g n e s i u mi sa t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ei n t e r e s t s ，a n dw i d e l y u s e di nt h ea v i a t i o n a u t o m o t i v ea n de l e c t r i c a li n d u s t r i e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e ra n dt h em e t h o do fn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n , n u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sb e c o m e a ni m p o r t a n tm e a s u r ei ns t u d y i n ge n g i n e e r i n g ，w h i l ed y n a m i cc o n s t i t u t i v er e l a t i o n so f m a t e r i a l si ss t i l la no b s t a c l ea s t r i c t i n gi t sd e v e l o p m e n t b u tf r o mt h ec u r r e n t l i t e r a t u r e s ，w ec a ns e et h a tt h e c o n s t i t u t i v ee q u a t i o n so fm a g n e s i u ma l l o ym a n y s c h o l a r sh a v ee s t a b l i s h e da r ea l m o s ta b o u tt h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i sr e s e a r c ho fi t s s t r e s sa n ds t r a i nu n d e rh o tc o m p r e s s i o nd e f o r m a t i o n , w h i c hc a nn o tb eu s e dt od e p i c t t h er e l a t i o n s h i po fi t ss t r e s s ，s t r a i n ，s t r a i nr a t ea n dt e m p e r a t u r eu n d e rt h eh o tt e n s i l e d e f o r m a t i o n s of o rt e n s i l ed e f o r m a t i o n ，t h ec o n s t i t u t i v er e l a t i o nm o d e l sm e n t i o n e di n t h el i t e r a t u r e sa r ei n s u f f i c i e n t ，q u o t ew h i c hw i l lc i t eb i ge r r o ri n e v i t a b l y t h ep u r p o s e o ft h i ss t u d yi st ob u i l daa c c u r a t ec o n s t i t u t i v er e l a t i o n s h i pm o d e l o fa z 3 1 m a g n e s i u ma l l o yu h d e rt h eh o tt e n s i l ed e f o r m a t i o nw i t hh i g hs t r a i nr a t e f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c hp r o g r e s so fa z 3 1m a g n e s i u ma l l o y u n d e rw a r ma n dh i g hs p e e df o r m i n g s e c o n d l y , i tg i v e sa no u t l i n eo fc o n s t i t u t i v e r e l a t i o n so fm a t e r i a l s m a t e r i a ls t r e s si nt h ep h a s e so fp l a s t i cd i s t o r t i o ni sn o to n l y r e l a t e dw i t hs t r a i n ，b u ta l s oa f f e c t e db yl o a d i n gh i s t o r ya n ds t r a i nr a t e ，a u sw e l la s t e m p e r a t u r e ，e s p e c i a l l yi n t r o d u c e st h ei m p a c to f t h es t r a i nr a t ea n dt e m p e r a t u r eo nt h e m a t e r i a lf o r m i n gp r o p e r t i e s ，l i s t ss e v e r a lc o m m o nc o n s t i t u t i v ee q u a t i o n su s e df o r a z 31m a g n e s i u ma l l o y i no r d e rt ob u i l dt h ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o no fa z 31m a g n e s i u ma l l o yu n d e rt h e h v f & w a r mf o r m i n gc o n d i t i o n ，u s i n gt h em e t h o do fd y n a m i ct e n s i o nt e s t i n g ，t h e w r i t e rg e t st h es t r e s s s t r a i nc u r v e su n d e rt h ec o n d i t i o no ff o r m i n gw i t hd i f f e r e n ts t r a i n r a t e sa n dt e m p e r a t u r e s ，a n a l y s et h ei n f l u e n c eo fs t r a i nr a t ea n dt e m p e r a t u r eo n m a t e r i a lf o r m i n gp e r f o r m a n c e ，f r o mw h i c hw ec a ng e tt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ：1 ) w h e nt h es t r a i nr a t ei su n c h a n g e d ，t h ep e a ks t r e s so fa z 3 1m a g n e s i u ma l l o yd e c r e a s e s w h e nt h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e s ，b u te l o n g a t i o ni n c r e a s e sw i t ht h er i s eo ft e m p e r a t u r e ； 2 ) w h e nt h es t r a i nr a t ei su n c h a n g e d ，t h ep e a ks t r e s so fa z 3 1m a g n e s i u ma l l o y i n c r e a s e sw h e nt h es t r a i nr a t ei n c r e a s e s ；3 ) w i t ht h ei n c r e a s eo fs t r a i n ，t h ey i e l d s t r e n g t ho fa z 3 1m a g n e s i u ma l l o yi n c r e a s e ，a n da f t e rr a p i d l yr e a c h i n gt ot h ep e a k ， w h e nt h ef l o ws t r e s ss l o w l yr i s e st oac e r t a i nv a l u e ，i ts t a r t st od e c l i n e a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n ds t r e s s s t r a i nc u r v e s ，t h r o u g ht h em o d e l s e l e c t i o na n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n , t h ew r i t e ro ft h i sp a p e rb u i l d st h ec o n s t i t u t i v e e q u a t i o no f a z 31m a g n e s i u ma l l o yu n d e rt h eh v f & w 缸mf o r m i n gc o n d i t i o n f i n a l l y , w ev e r i f yt h et h ea c c u r a c yo ft h ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o na c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a l d a t aa n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s i ts h o w st h a t ，t h ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o n b e e nb u i l tc a l lw e l ls i m u l a t et h ed e f o r m a t i o np r o c e s so fm a t e r i a l a n dh a sc e r t a i n t h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：s t r a i nr a t e ，t e m p e r a t u r e ，c o n s t i t u t i v er e l a t i o n s h i p ，m a g n e s i u ma l l o y , d y n a m i ct e n s i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：鋈颦渔皇日期：兰生：窆 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 。：蒈军裼跏。趟醐沙 矽 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 镁合金是一种轻质结构材料，在实用金属中，其密度最低。虽然其弹性模 量和强度低于钢和铝，但由于其具有良好的耐蚀性、比强度较高、抗震性能较 好、切削加工性能好、可承受较大的冲击和振动、电磁屏蔽性能强、易回收利 用等优点，其应用领域已越来越广【l 】。就目前来说，镁合金件主要通过压铸、注 射、轧制等方法成形，应用范围涉及航天航空、电子产品，汽车零部件等产品。 但是近几十年来，对镁的开发利用还暂不成熟，在许多方面还存在很大的挖掘 空间。在许多金属矿产资源日益枯竭的今天，加速研究开发新型金属及其合金 材料变得尤为重要，而镁及其合金作为新型实用的金属结构材料，成为当前许 多国家研究的重大课题。相信随着研究技术的日益完善，镁及其合金在工业上 会有更加广阔的应用前景。 本课题来源于国家自然科学基金资助项目“基于均匀压力线圈的镁合金板材 温热电磁复合成形基础研究”。电磁成形是高速率成形中的一种，就是利用磁场 力使坯料成形的成形方法。因为镁合金在室温下的塑性较差，拉深性能不佳， 在有关学者近几年的研究中发现，镁合金在高于1 5 0 低于2 5 0 之间具有良好 的拉深性能，促进了镁合金板材在工业上的应用。本项目将电磁成形与温成形 结合起来成形镁合金板材，其目的在于为镁合金成形寻找一种新的工艺方法和 手段。 由于电磁成形的成形过程往往完成于一瞬间，因此无法详细观察此过程， 这就需要借助于实验的手段，因此研究材料在动态冲击载荷下的力学性能尤为 重要，从中我们可以得到实验现象和数据，根据这些实验结果分析成形过程， 并且为数值模拟提供理论指导【2 】。例如。本课题拟建立的a z 31 镁合金动态拉伸 本构模型将用于数值模拟软件中去，提高数值仿真的真实可靠性。一般的数值 模拟软件自带的本构模型描述的都是静态下材料的力学性能，但早在1 9 世纪， 人们就发现材料在动态冲击作用下的所体现的各方面的性能都与静态下有所不 同，所以研究材料在动态冲击载荷作用下的力学性能显得尤为重要。在动态力 学研究方面，就目前来说，以研究单向压缩类变形的居多，有时候不能准确反 武汉理工大学硕士学位论文 应材料( 尤其是拉压性能不对称材料) 在动态拉伸条件下的力学性能。因此对 动态拉伸实验研究显得尤为重要，尤其当要考虑高速率、温度效应的影响时， 国内外的相关研究也少之又少。 本课题通过动态拉伸实验，旨在研究温度、应变率等对a z 31 镁合金板材动 态拉伸力学性能的影响，通过所得到的实验数据，建立a z 3 1 镁合金板材在高速 冲击载荷作用下的塑性流动本构模型，以供数值模拟软件选取和参考，尤其是 为上述提到的基金项目中关于a z 3 1 镁合金温热电磁复合成形数值模拟提供能 真实反映材料动态响应的本构模型。 1 2 高速率成形 1 2 1 高速率成形工艺研究 很多金属和合金材料具有高的强度、硬度、弹性和冲击韧性。用普通机械 不能加工的材料，可用高速率法成形既能解决。高速率成形能加工铝及其合金、 镁及其合金、不锈钢、镁铝合金等。 高速率成形可分为爆炸成形、电气液力成形、气力机械高速率成形、电磁 成形等【3 】，其共同的特点都是利用很高的动能使工件产生塑性变形。爆炸成形主 要用于制造大型件，或难以用其他方式所生产的制件。制件尺寸基本上无限制， 而模具的结果方面，只需用简单而价廉的凹模。电液成形已经适用于大批量生 产。虽然在设备上的投资很大，但生产操作成本很低，对细小或中型电件的生 产很合适。气力机械成形可用于细小零件的成形或穿孔工作，其主要优点是用 于热锻、冷锻和挤压方面。电磁成形与电液成形很相似，也用于大量生产与自 动化操作上。 目前，高速率成形技术已和传统的生产方式一样应用于金属制品的生产上， 对于某种制品来说，如何选择合适的成形工艺方式，需要根据以下因素综合考 虑：1 、制件的形状；2 、制件的大小；3 、需要用到的物质材料；4 、产品的数 量；5 、工具设备；6 、生产方法等。 由于本课题组主要研究的是电磁成形，所以下面将以电磁成形为例阐述高 速率成形的特点。 电磁成形是高速率成形法中最新发展的技术，它能产生均匀而强烈的能量 使坯料成形。这种方法可用于管件胀形、缩径、板料成形、铆接等工作方面。 2 武汉理工大学硕士学位论文 电磁成形的特点是只须改变线圈的设计就能用作多种用途。 图1 1 是电磁成形电路，高压电源放出电荷，使充入并联的电容器组，储存 能量的大小，可使用改变电容器或电压值的方法，所以易于控制，但电压过高 则受到线圈中变重金属材料绝缘力的限制。工作时充电操作极快，充电完成后， 高压开关即接通而使线圈建立一种强力磁场，这个磁场又感应到线圈附件的金 属工件而使之产生电流，因而产生了作用于工件的力量，当力量超过材料的弹 性极限时，就发生永久性塑性变形。在电磁成形中，磁场力一般为几十m p a , 峰 值压力可达4 0 0 5 0 0 m p a 4 1 ，工件成形时间非常短，一般在1 0 1 0 0 m s 之间，由 于变形速度很大，所以材料产生高塑性，使材料的延展性得到提高，而且成型 后材料的残余应力较低，回弹小，与传统的静压力成形相比，大大改善了材料 的应变。 高 上u _ 、i ， 、i_ ， i 电晷毒 线圈一、 。t 、 一。 图1 1 电磁波成形电路 电磁成形与传统的加工工艺相比，主要有一下特点和优势【铜，主要有： ( 1 ) 电磁成形加工无机械接触； ( 2 ) 成形精度高且工件材料性能不变； ( 3 ) 工件的残余应力低； ( 4 ) 电磁成形加工成本低； ( 5 ) 工艺过程易于实现机械化、自动化，生产率高。 1 2 2 高速率本构关系研究进展 本构关系能够反应材料的变形特性，也是进行数值模拟的基础前提。只有 得到真实的材料本构模型，才能将其用于数值模拟软件中去，直观观察材料的 武汉理工大学硕士学位论文 运动状态，也为实际生产提供指导，降低生产成本。对于高速率本构关系，许 多国家也都进行了大量研究，主要研究成果在于材料性能的研究以及本构关系 的建立与分析两方面。 在高速率本构关系的研究方面，许多研究者主要研究了应变率效应对材料 本构关系的影响，因为当温度一定时，材料的本构关系主要是应力、应变和应 变率之间的关系。当金属材料的应变率增加到1 0 3 1 0 4 s 以时，材料的本构关系 与静态下相比发生明显改变。 另外，高应变速率下应变率敏感度与式样几何参数有关。g o r h a m 等【7 】通过 高应变率压缩实验，研究发现，由于惯性作用的存在使得应变率与试件尺寸之 间很大关系，这种关系随着敏感系数的增加而越发明显。d i o h 等【8 】采用分离式 霍普金森压杆实验对应变率为1 0 4s 。的式样进行了测试。发现在高应变率条件 下，试样越厚，流动应力也越高。由此证明，在高应变率条件下，流动应力与 试样厚度有明显关系。m i c h e l 等【9 】在铜板拉伸和液压胀形试验中也发现，本构关 系与试样形状和尺寸有较大关系。o o s t e r k a m 1 0 1 通过单轴压制试验和分离式霍普 金森压杆试验，测试分析了不同厚度工件的本构关系，并且比较了数值模拟结 果和试验结果( 见图1 2 ) 。结果发现，高应变速率下，应变速率敏感度变化与 工件几何尺寸有很大关系，分析原因可能为应变波传播所致。以上试验均表明， 试样尺寸和厚度影响本构关系中流动应力的变化，试样尺寸和厚度增大时，其 成形性能及流动应力提高。 童艺刁 ；牟? | | j ，t 。，i ，一，一- 一， ， ； i n l l 一1 5 一 蛐聃- 咀柳 “”表示厚工件；“”表示薄工件；“o ”表示有限元分析结果 图1 2 铝合金试样的应力应变速率曲线模拟与实验结果 美国的b a l a n e t h i r a m t l l , 1 2 、a l t y n o v a 掣1 3 1 为了研究成形速率对材料本构关系 4 - 尊 赫 -di吊l_瑚u 武汉理工大学硕士学位论文 的影响，采用电液成形和电磁胀形的方法，在高速率成形和准静态成形下，对 不同材料的硬度进行比较。结果发现，高速率成形条件下的工件硬度与低速率 准静态成形条件下的硬度差别不大( 见图1 3 ) 。由此推论，高速率成形虽然具 有应变速率效应，可是应变速率敏感性不是非常明显。 图1 3 不同成形速率下铝合金硬度与应变关系 法国学利1 4 b r o s i u s 通过线测量和有限元迭代，研究了铝合金6 0 6 1 电磁胀形 中圆坏颈缩现象，同时研究了其在高速率变形时屈服应力、塑性应变和应变速 率之间的关系。研究结果表明，材料成形性能取决于材料的应变速率敏感性及其 在成形过程中所获得的高速率( 1 0 4 s 。1 级) 。另外，在高速率成形中，假如考虑温 度对材料本构关系的影响的话，由于温度的软化效应的存在，可能使得材料的 应力及应变速率有所下降，从而使本构关系也随之发生变化。高速率成形中工 件温度也可能对材料本构关系的改变有一定影响作用，可能引起工件流动应力 和应变速率的下降，从而影响本构关系的变化。 以上研究认为，高应变速率下材料本构关系的改变主要取决于应变速率敏 感度和应变速率效应，但是没有建立高应变速率下的金属的本构方程，缺少具 体的塑性动力分析。 p i e r r el e p l a t t e n i e t l 5 】采用j o h n s o n - c o o k 本构模型，应用l s d y n a 动态分析 软件分析预测了电磁高速率胀管实验中的流动应力( 见图1 - 4 ) ，也考虑了惯性 和应变速率的影响因素。结果表明，在电磁成形中高速率使得流动应力大大增 加，这样材料本构关系将会发生改变。密歇根大学的j d t h o m a s 等【1 6 】运用电磁 胀管实验中的应变和电流数据，采用弱光栅分析双轴拉伸板料，考虑了本构关 系的影响，建立的电磁成形极限图与实验结果相符，也再次说明了在高速率成 形过程中，材料的本构关系发生了定改变。 武汉理工大学硕士学位论文 s t r a i nr a t e = 0 s t r a i nr a t e = 2 5 0 0 s - 1 。- - 图1 - 4l s d y n a 不同应变速率下应力应变曲线预测图 综上所述，在高速率成形中材料的高应变速率影响到材料应变速率敏感度 的改变，使其本构关系发生变化，影响了材料成形性能。在高速率成形中获得 的高应变速率受工件尺寸和厚度的影响；高速率成形中材料的本构关系变化取 决于材料应变强化与应变速率敏感性。 1 3 镁合金 1 3 1 镁合金特点及应用 大多数镁及其合金具有密排六方晶格结构，在冷状态下塑性变形的能力很 差。在室温下只有一个滑移面( 0 0 0 1 ) 基面( 如图1 5 ) ，这就说明了镁合 金在冷压加工时塑性很差，而与晶粒大小及方向有关的各向异性则较显著。当 加热到2 2 5 以上时，产生了第一类角锥面的新的附加的滑移面，于是镁合金塑 性变形能力就大大提高了。因此，镁合金的压力加工都是在加热毛料的情况下 进行的。长期以来，大家都认为镁及其合金是难以发生塑性变形、成形性能差 的金属材料。同时，目前，大多数镁合金产品都是通过铸造尤其是压铸的方法 而得，因为大多数镁合金具有良好的铸造性能，但是，通过铸造而得到的镁合 金产品往往存在夹杂、孔洞等缺陷，这样大大降低了镁合金产品的力学性能， 限制了铸造镁合金零件的应用范围。与铸造镁合金零件相比，通过塑性成形的 零件组织上更加细化，成分上更均匀，内部更致密，因此变形镁合金具有高强 度和高延展性等优点，能够满足更高的设计要求。但是，镁合金的塑性变形能 力差导致其的塑性加工极其困难。 6 武汉理工大学硕士学位论文 图1 5 镁单晶体的晶格模型及剪变位原理图 1 3 2 镁合金应用现状 就加工方式而言，镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金两大类。前者多 通过压铸方法生产，但铸造缺陷如孔洞和夹杂等大大降低了其力学性能，严重 地限制了铸造镁合金的应用。后者则通过锻造、挤压、拉拔、轧制和冲压等方 法而制得，与铸造镁合金零件相比，通过塑性成形的零件在组织上更加细化， 成分上更均匀，内部更致密。但是，镁合金的塑性变形能力差导致其的塑性加 工极其困难。 因为镁合金具有前述优点，所以广泛应用在航空航天、汽车、笔记本电脑 及电子产品的外壳上。 在航空航天方面，镁及其合金由于密度低，比强度高的优点正好符合飞机 对重量和承载方面的要求而得到应用。目前，镁合金锻件已经应用于制造飞机 上的螺旋桨，镁合金管材用于制造火箭壳体。此外，一些飞机机轮及刹车装置 等也有使用镁合金材料。飞机减重，相应的燃油费用就会节省很多，况且其零 部件性能的改善也可以提高飞机的战斗力。正因为如此，各国航空工业上都在 尽力增加镁合金的用量。 在汽车行业，据研究，汽车每减少l o o k g 重量，耗油就降低5 ，而如今， 随着经济收入及生活水平的不断提高，居民对轿车的需求也越来越多，排放到 大气中的有害气体越来越多，直接影响了人类的健康，为响应人类可持续发展 的战略，必须提倡环保，降低能耗，减少污染，这时汽车减重就显得尤为重要 了，镁合金的应用也显得迫在眉睫。目前，汽车用镁合金零部件大多通过压铸 的方法制的，如变速箱、轮毂、方向盘、座驾等。但也有通过锻造和冲压成形 的，如德国大众汽车公司研究开发的汽车内门板，采用内镁外铝的混合车门， 7 武汉理工大学硕士学位论文 与钢门相比可减重5 0 ，与铝门相比可减重2 0 t 1 7 】。 在电子电器产品应用方面，日本率先将镁合金材料应用于一些可携式产品 如手机、p d a 等。后来，镁合金材料在笔记本外壳及相机机壳上等的应用越来 越多。镁合金在家电中的应用可提高产品的使用性能，易于回收，降低成本。 在笔记本电脑、手机等的应用可减轻重量，便于携带，同时使商品可屏蔽电磁 干扰，提高信号质量，也可减轻电磁波对人体的危害。镁合金材料在电子产品 中的使用可顺应其高度集成化和超轻薄的发展趋势【l 引。 1 3 3 镁合金温成形研究现状 如上所述，镁合金在冷状态下塑性加工能力较差，为了拓展镁合金的应用 范围，国内外许多学者都在着手研究温度对镁合金塑性成形性能的影响。大量 实验表明，随着温度的升高，镁合金板材的塑性成形性能得到明显改善。镁合 金在2 2 5 以上温度时，全部1 2 个滑移系都可以参加变形，塑性很好，甚至超 过铝合金、低碳钢和不锈钢在加热状态下的塑性变形能力0 9 1 。而当温度高于 4 0 0 时，镁合金易氧化，严重降低了镁合金件的使用性能。 为了研究温度对镁合金流变应力的影响规律，ed o e g e 和kd r o d e r t 2 0 】对 a z 3 1 b 镁合金板材进行拉伸测试，随着温度的升高直到2 0 0 的过程中，其流 变应力呈下降趋势，但在2 0 0 到2 5 0 * ( 2 之间时，应变速率从0 0 0 2 s 1 增加到0 2 s - 1 ， 流变应力呈上升趋势，极限拉伸率降低。可见温度升高，应变速率降低对金属 有软化作用，大大提高了镁合金板材的成形性能。 应变硬化指数，l 是衡量材料成形性能好坏的指标之一。n 值大，对于板材来 说，可以提高板材的局部应变能力，使应变分布均匀，提高板材成形的成形极 限，对于胀形来说，可以提高材料的抗破裂性。y 值小，塑性变形即使不大也会 使板材进入加工硬化的饱和状态，容易出现大的集中变形，不利于局部变形【2 1 1 。 c h e nf u l l k u o 等人【2 2 j 经研究表明，a z 31 镁合金板材在冲压加工时，加工硬化指 数 随着温度的升高而下降。 在刘满平等人【2 3 】对a z 3 1 镁合金的研究中发现，此镁合金应变敏感指数达 o 4 ，表现出良好的超塑性。在陈拂晓等1 2 4 j 对变形镁合金m b 2 6 的研究中发现当 温度达到4 0 0 ，应变速率为1 1 7 x1 0 2s 1 时，其应变速率敏感指数为o 6 ，而延 伸率达1 4 5 0 。由此说明随着温度的提高，应变速率敏感指数聊提高。当m 很 小时，其对材料成形性能的影响并不明显，但当，z 值较大时，镁合金可以实现 武汉理工大学硕士学位论文 超塑性成形，此时的m 值对于提高镁合金的塑性成形性能方面显得尤为重要。 此外，大量实验【2 5 】表明镁合金板材不管是在室温还是在高温下成形都没有 明显的屈服点。经冲压成形的镁合金件回弹小，成形零部件表面质量完好。镁 合金的伸长率随着温度的升高而增加，在较高的温度下甚至可以获得超塑性。 此外，温度还对拉深性能的各向异性【2 6 】、最小相对弯曲半径【2 7 1 、埃里克森值【2 8 】 等有一定的影响。 1 3 4 镁合金本构关系研究 目前，为了研究镁合金在温度，应力、应变、应变率综合作用下的流变应 力，国内外学者做了大量实验，通过实验结果以及实验数据建立了各种各样的 材料本构模型，为镁合金的成形工艺及数值模拟提供了重要的理论依据。但是 以上所建立的本构方程大多都是在低应变速率( 准静态) 条件下建立的，很难 考虑到高应变速率对材料本构关系的影响，因此建立材料的高温高应变速率下 的本构方程显得很有必要。 以下将重点介绍国内外关于镁合金本构关系的研究进展。 王忠掌等【2 9 】通过热模拟实验，研究了a z 3 1 镁合金高温流动应力变化规律， 并将式( 1 1 ) 所示双曲正弦模型的a r r h e n i u s 本构方程进行了简化，简化后的本构 方程见式( 1 2 ) 。 s = a s i n h ( a o - ) ”e x p 一q ( r t ) 】 ( 1 一1 ) g = a l o r 4e x p 一q ( r t ) ，口盯0 5 占= a 2e x p ( a n o ) e x p 一q ( r t ) ，町2 0 占= a s i n h ( a o ) ”e x p 一q ( r t ) 】，口盯任意 式中a l = a a “，a 2 = a 2 ” ( 1 2 ) 他们首先根据热模拟实验数据，确定了a z 3 1 镁合金高温变形本构模型的 各个参数，该本构关系模型的相对计算误差小于1 3 ( 如图1 - 6 所示) 。实验确 定的a z 3 1 镁合金本构关系模型的适用温度范围为2 5 0 3 5 0 ，应变速率范围为 0 0 1 1 0 s 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 6 不同条件下本构模型计算结果与实测结果比较 王智文等【3 0 1 、范永革等 3 1 】采用高温压缩实验法分别研究了a z 3 1 b 和m b 2 镁合金在温度为2 0 0 , - - 一4 5 0 c 、应变速率为0 0 1 - - 1 0 s j 时的压缩流变应力。结果 表明t ：高温压缩情况下，变形温度和应变速率对流变应力有显著的影响，流变 应力随应变速率的升高和变形温度的降低而升高( 如图1 7 所示) 。研究结果显 示，流变应力同应变速率的对数之问呈显著的线性关系。 l l l 1 姜l i 图1 7a z 3 1 b 流变应力与真应变速率的关系 范永革等引入z e n e r h o l l o m o n 参数的指数形式，采用式( 1 3 ) 所示模型描 述a z 3 1 b 镁合金热压缩变形时流变应力同变形温度和应变速率之间的关系： 盯= b l n ( z z o ) + c( 1 3 ) 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 并通过回归分析确定了模型参数，对流变应力进行预测，预测值0 2 同实测 值0 1 之间吻合比较好。 张先宏等【3 2 】通过热模拟压缩试验研究了镁合金a z 31 b 在不同温度下的成 形性能，获得了应变速率为0 0 0 1 1 s 一，温度为2 0 0 4 0 0 时镁合金变形特性和流 动应力。结果发现：镁合金在低于2 0 0 以下的温度范围内变形困难，发生断裂； 在高于4 0 0 时，由于镁合金极易氧化，不适合塑性加工；镁合金塑性成形的最 佳温度为2 5 0 4 0 0 。由于镁合金在高温下的软化效应，流变应力随应变的增加 而下降，他们提出了一个含有软化因子的流变应力数学模型： a = k “”e x p ( c o + s e )( 1 - 4 ) 并采用该模型对实验流变应力曲线进行回归分析，确定了模型参数。试验 结果显示该模型适用于该实验条件下镁合金热变形过程的流变应力分析。 郭强【3 3 】等在应变速率为0 0 0 5 5 s 一、变形温度为2 5 0 - 4 5 0 c 条件下，在热模拟 机上对a z 31 镁合金的高温热压缩变形特性进行了研究。结果表明：材料流变应 力行为和显微组织强烈受到变形温度的影响；变形温度低于3 5 0 。c 时，流变应力 呈现幂指数关系；变形温度高于3 5 0 时，流变应力呈现指数关系；变形过程中 发生了动态再结晶，且晶粒平均尺寸随变形参数的不同而改变，其自然对数与 z e n e r - h o l l o m o n ( z ) 参数的自然对数成线性关系。实验的最佳工艺条件为：变形 温度3 5 0 - 4 0 0 ，应变速率为o 5 5 s 一。 苌群峰等【3 4 1 、咸奎峰等【3 5 】通过热拉伸试验，获得了温度在1 5 0 3 5 0 。c 和应变 速率为0 0 0 1 2 s 。1 条件下，a z 3 1 镁合金板材在受拉状态下的真实应力应变曲线 ( 如图1 8 所示) 。研究表明：随着应变速率的降低，塑性显著增加，显示出明 显的应变速率敏感性；随着温度的升高，屈服强度和抗拉强度明显降低，在2 5 0 以上，由于动态回复的存在，没有明显的加工硬化现象，屈服强度和抗拉强 度几乎相等。通过比较可以发现，镁合金的力学性能对于温度特别敏感，其次 是应变速率。在1 5 0 以上，对拉伸速度不太敏感。 咸奎峰等采用式( 1 5 ) 所示的修正f i e l d s b a c k o f e n 模型来描述a z 3 1 镁合金 材料应力应变行为。 1 仃= 胎”s 所lr 1 s 、 r = a l o g e + b 1 i 、一一， 武汉理工大学硕士学位论文 式中么常数； 召、k 、聊均与1 厂r ( t 为温度) 成线形关系。 通过数据回归确定了模型参数。当温度为2 0 0 3 5 0 ，应变速率为 0 0 0 1 s q - o 1 s 。1 时，修正后的流变应力模型计算结果在应变为0 0 5 0 2 5 时与实验 数据十分吻合( 如图1 9 ) 。咸奎峰等还采用张先宏等提出的加入软化因子的流 变应力模型进行了对比。结果显示，在峰值应力之前，修正后的f i d d s b a c k o f e n 模型预测的更为准确，但是在软化阶段，加入软化因子的模型更准确地模拟了流 变应力的变化趋势( 如图1 1 0 ) 。 2 5 0 2 耋1 5 0 b i o o 5 0 00 ，10 30 ，30 4 0 50 f ( a ) ，一2 0 0 图i - 8 温拉伸应力应变曲线 f l 吣；一0 0 0 2s + i ( a ) ；= o 0 0 1 s 一1 ；( b ) 窨= o o l s 一1 ；( c ) ；= o 1 s 一1 图1 - 9f i e l d s b a c k o f e n 模型计算与实测结果的比较( 虚线为计算值) 1 2 姗 啪 姗 黼 啪 _1屯b 武汉理工大学硕士学位论文 ( a ) 毒= 0 0 0 1 s 一1 ； ( b ) 奎= 0 0 1 s q ；( c ) 耋= o 1 s 。1 图1 1 0 软化模型计算与实测结果的比较( 虚线为计算值) 1 4 选题目的及意义 综上所述，准确的材料本构关系模型不但可以准确分析材料变形特征、成 形性能，而且还可以优化塑性成形工艺与模具设计，降低生产成本。因此要想 全面认识镁合金塑性变形时的力学性能及其与相关微观组织演化的耦合规律， 必须建立起比较全面的本构方程。当给出了相应的材料参数以后，便可以实现 镁合金金属成形工艺的数值模拟，预测出镁合金高温变形时全部力学性能和微 观组织演化。 如前述，本课题源于国家自然科学基金资助项目基于均匀压力线圈的 镁合金板材温热电磁复合成形基础研究，故我们所建立的本构关系必须考虑温 度、高应变速率对镁合金板材成形性能有重要的影响作用，所以对a z 3 1 镁合金 板材进行常温和高温条件下的动态拉伸实验，得到它的动态力学性能数据，如： 动态屈服强度、动态本构关系、动态塑性指标以及温度对它们的影响等直接涉 及到汽车和飞机、电子产品的理论分析和工程设计，并且为数值模拟提供可靠 的数据。为此，本文应用旋转盘冲击拉伸试验技术，分别在常温和高温条件下 进行动态拉伸实验，得到不同应变率下a z 3 1 镁合金板材的应力应变关系和动 态屈服强度，分析温度和应变率对它的动态力学行为的影响，确定a z 3 1 镁合金 板材本构模型的参数，为数值模拟软件提供可靠的数据保障。 1 5 本文主要研究内容 本课题拟在温度为2 5 砣5 0 和应变速率为1 0 2s - i1 0 3s 。1 的条件下，对 a z 3 1 镁合金进行旋转盘冲击拉伸试验，对其温拉深条件下的流变应力展开研究， 武汉理工大学硕士学位论文 并建立流变应力的本构模型，为了研究材料在不同温度及应变率条件下的力学 性能和确定度材料的本构模型参数，需要进行以下几个方面的研究： 1 常温下，采用旋转盘冲击拉伸试验系统对a z 3 1 镁合金进行试验，得到 了不同应变率下材料的应力应变曲线，并且分析了应变率对a z 3 1 镁合金的应 力应变关系影响。 2 高温下，采用旋转盘冲击拉伸试验系统对a z 3 1 镁合金进行高应变率下 的动态拉伸实验，得到了相应的应力应变曲线，结合室温条件下测得的应力 应变关系分析温度、应变率等对a z 31 镁合金材料成形性能的影响。 3 根据试验的结果，拟合得到a z 31 镁合金本构模型的各模型参数，并分 析比较所建立的几种本构方程的可靠性。 1 6 本章小结 本章介绍了高速率成形及镁合金温成形的有关知识及研究现状，重点在于 高速率本构与温成形本构关系的研究进展上，由此引出本文的研究目的及主要 研究内容，为下面的试验方案的选择及本构方程的建立打下了基础。 1 4 武汉理工大学硕十学位论文 2 1 引言 第2 章本构关系介绍 本构关系( 也称本构模型) 描述的是材料力学性质的数学关系。是通过大 量实验，按照预先提出的数学、力学模型所建立的。在流体力学问题中，本构 关系就是通常所说的状态方程【3 6 1 。世界上存在着各种各样的材料，其力学性质 也是各不相同的，这就需要用不同的本构关系来描述。即使是同一种材料，在 不同的变形阶段，其本构关系的描述也是不一样的。例如，