（材料加工工程专业论文）az31ysr镁合金板材超塑气胀成形性能研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ：t g14 6 2 d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e eo fe n g i n e e r i n g s t u d y o ns u p e r p l a s t i cf o r m i n gp r o p e r t i e s o f a z 3 1 + y + s r m a g n e s i u ma h o y s h e e t c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： l i nk a i y uy a n d o n g m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 2 h a r b i nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文a z 3 1 + y + s r 镁合金板材 超塑气胀成形性能研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期问独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明 部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人 承担。 作者签名： 嘲、凯 日期： o zg ? 月z o 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 ( ( a z 3 1 + y + s r 镁合金板材超塑气胀成形性能研究系本人在哈尔滨理 工大学攻读硕士学位期问在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究 成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发 表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授 权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布 论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密团 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：格嘭理 r 期：沙乙年3 月涉pr 导师 同期：7 汐产年多月z 矿同 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 a z 31 + y + s r 镁合金板材超塑气胀成形性能研究 摘要 镁合金是重要的轻质结构材料，与钢和铝合金相比，不仅具有较高的比 强度和比刚度，而且具有优良的散热性能、电磁屏蔽性能、减震性能和机械 加工性能等优点，其产品广泛应用于航天、汽车以及军工等领域，是本世纪 具有发展潜力的材料之一。镁合金具有特殊的密排六方结构，常温下滑移系 少、塑性较差、这些缺点严重限制了镁合金的发展。在室温下，用冲压成形 等传统工艺制造镁合金零件具有很大难度，而利用镁合金具有超塑性的优 点，可以克服其难以成形的缺陷。本文重点研究以下几个方面。 对采用连铸连轧的方法获得的具有超塑性的a z 3 1 + y + s r 镁合金板材， 在不同变形温度下进行拉伸实验，研究a z 3 l + y + s r 镁合金超塑变形中的力 学行为和微观组织变化，测定不同变形温度的最大延伸率，找出 a z 3 i + y + s r 镁合金板材最佳超塑性的变形温度。研究y 和s r 对于a z 3 l 镁 合金板材超塑性的影响。通过扫描电镜观察断口形貌，初步探讨了镁合金超 塑变形的机理。 半球形气胀成形实验能够直接反应出材料的超塑性能，本文对 a z 3 l + y + s r 板材进行了半球形件气胀成形实验，对不同温度下的零件进行 了高径比测量，壁厚分布与微观组织观察。实验中还选用未添加元素的 a z 3 1 连铸连轧板材进行对比。探究温度对于镁合金板材超塑性能的影响， 确定空洞组织的形成和对板材断裂的影响，板材内部组织在变形过程产生大 量空洞，由于空洞不断长大并连接在一起，最终导致了材料的断裂。 进行了a z 3 1 + y + s r 镁合金板材的盒形件气胀成形实验，设计盒形气胀 成形零件模具。利用模具对不同温度下的a z 3 1 + y + s r 板材进行气胀成形， 给出了盒形件成形的最佳温度与加压流程。最后对零件的壁厚与空洞组织分 布进行统计，探究盒形件各部位贴模的过程，以及零件不同部位显微组织上 的区别，稀土元素的加入使得晶粒的细化程度进一步加强，有利于晶粒组织 的扩散蠕变，制得的盒形件为该技术的应用奠定了基础。 关键词a z 3 l + y + s r 镁合金；超塑性；连铸连轧；气胀成形 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 s t u d yo ns u p e r p l a s t i cf o r m i n gp r o p e r t i e so f a z 31 + y + s r m a g n e s i u ma l l o y s h e e t a b s t r a c t m a g n e s i u ma l l o yw i t hl i g h t w e i g h ts t r u c t u r e ，c o m p a r e d w i t hs t e e la n d a l u m i n u m ，h a sn o to n l yh i g l ls p e c i f i cs t r e n g t ha n ds t i f f n e s s ，b u ta l s oe x c e l l e n t h e a td i s s i p a t i o n ，e l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n g 嘲e l g i l i v e n e s s ，d a m p i n gp e r f o r m a n c e a n dm a c h i n a b i l i t y i t sp r o d u c t sa r ew i d e l yu s e di na e r o s p a c e ，a u t o m o t i v e ， m i l i t a r ya n do t h e rf i e l d s a sar e s u l t ，i ti sc o n s i d e r e dt ob et h em a t e r i a lw i t ht h e m o s tp o t e n t i a ld e v e l o p m e n to ft h e21s tc e n t u r y h o w e v e r , t h ea p p l i c a t i o na n d d e v e l o p m e n to fw r o u g h tm a g n e s i u ma l l o ya r eg r e a t l yr e s t r i c t e db e c a u s eo ft h e h c p s t r u c t u r eo fm a g n e s i u ma l l o y , l e s s s l i ps y s t e m s ，p l a s t i c d e f o r m a t i o n c a p a b i l i t y a n dl o wp r o d u c t i v i t y , e t c a tr o o mt e m p e r a t u r e ，i ti sd i f f i c u l tt o m a n u f a c t u r em a g n e s i u ma l l o yp a r t sb yc o n v e n t i o n a lp l a s t i cf o r m i n gm e t h o d s ，b u t t h ed e f e c t si n f o r m i n gd i f f i c u l t y c a nb eo v e r c o m eb ys u p e r p l a s t i c i t yo f m a g n e s i u ma l l o yt h i sp a p e rf o c u s e so nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s a z 31 + y + s rm a g n e s i u ma l l o ys h e e tw i t hs u p e r p l a s t i c i t yw a sp r e p a r e db y c o n t i n u o u sc a s t i n ga n dr o l l i n g t h em e c h a n i c a lb e h a v i o r a n dm i c r o s t r u c t u r e c h a n g e so fa z 3 1+y+srm a g n e s i u ma l l o yw e r es t u d i e d ，a n dt h em a x i m u m e l o n g a t i o n s w e r em e a s u r e da td i f f e r e n td e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e sd u r i n g s u p e r p l a s t i cd e f o r m a t i o nb yt e n s i l et e s t s ，t of i n do u to p t i m a lt e m p e r a t u r eo f t h e s u p e r p l a s t i c i t yo fa z 3 1 + y + s r m a g n e s i u ma l l o ys h e e tu n d e rt h ee x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n sa n ds t u d ye f f e c t so fya n d s ro nt h e s u p e r p l a s t i c i t yo fa z 3 1 m a g n e s i u ma l l o ys h e e t d i s c u s st h em e c h a n i s mo fs u p e r p l a s t i cd e f o r m a t i o no f m a g n e s i u ma l l o y , o b s e r v i n gt h e f r a c t u r em o r p h o l o g y b ys c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p y h e m i s p h e r i c a lb u l g i n ge x p e r i m e n t c a nd i r e c t l yr e f l e c tt h em a t e r i a l s s u p e r p l a s t i c i t y i nt h i sp a r t i c l e ，a z 3 1 + y + s rs h e e tw a s b u l g e dt oh e m i s p h e r i c a l p a r t s ，a n dt h e nm e a s u r e dr a t i oo fh e i g h tt od i a m e t e ro ft h ep a r t s a td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e sa n do b s e r v e dt h ew a l lt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o na n dm i c r o s t r u c t u r e i n 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 a d d i t i o n ，t h ea z 31s h e e tw i t h o u ta d d i n go t h e re l e m e n t sp r e p a r e db yc a s t i n ga n d r o l l i n gw a sc h o s e na sc o m p a r i s o n e x p l o r ee f f e c t so ft h et e m p e r a t u r eo nt h e s u p e r p l a s t i c i t yo ft h em a g n e s i u ma l l o ys h e e t ；d e t e r m i n ee f f e c t so fc a v i t a t i o no n t h ef r a c t u r e al a r g en u m b e ro fc a v i t i e sa r ec r e a t e di nt h ei n t e r n a ls t r u c t u r e ，a n d c o n t i n u et og r o wa n dg e n e r a t ed u r i n gt h ed e f o r m a t i o np r o c e s s ，e v e n t u a l l y l e a d i n g t om a t e r i a lf r a c t u r e 。 t h eb o x s h a p e db u l g i n gd i ef o rs h e e tb o x s h a p e dp a r t so fa z 3 1 + y + s r m a g n e s i u ma l l o yw a sd e s i g n e da n dg a sb u l g i n gf o r m i n ge x p e r i m e n t sw e r e c a r r i e do u ta tt h e d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s a n dt h e nt h eo p t i m a lt e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r ep r o c e s sw e r ed e t e r m i n e d f i n a l l y , s t a t i s t i c so ft h ew a l lt h i c k n e s sa n d c a v i t i e sd i s t r i b u t i o no fp a r t sw e r ea n a l y z e d ，t oe x p l o r et h ep r o c e s st h a tt h eb o x s h a p e dp a r t sa p p r o a c h e dt h ed i ea n dt h ed i f f e r e n c eo fm i c r o s t r u c t u r ei nd i f f e r e n t p o s i t i o n so ft h ep a r t s a d d i n gr a r ee a r t hd e m e n t sf u r t h e rr e f i n et h eg r a i n s t r u c t u r ea n da r ec o n d u c i v et ot h ed i f f u s i o nc 心印，w h i c hl a y st h ef o u n d a t i o n so f g a sb u l g i n gf o r m i n g k e y w o r d s a z 31 + y + s rm a g n e s i u m g a sb u l g i n gf o r m i n g a l l o y , s u p e r p l a s t i c i t y , c a s t i n ga n dr o l l i n g ， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论l 1 1 课题背景1 1 2 镁及镁合金的特性1 1 3 镁合金的发展2 1 4 超塑性研究概述3 1 4 1 超塑成形技术的发展与应用3 1 4 2 镁合金超塑性变形的特点4 1 5 课题研究的目的和意义5 第2 章a z 31 + y + s r 板材的制备及性能6 2 1 连铸连轧工艺6 2 2 实验材料的制备7 2 2 1 实验材料成分7 2 2 2 实验方案1 0 2 3 板材的性能与组织分析1 0 2 3 1 力学性能分析1 1 2 3 2 微观组织分析13 2 3 3 断口扫描分析15 2 4 本章小结1 7 第3 章a z 3 1 + y + s r 半球形件超塑气胀成形研究1 8 3 1 半球形胀形模具设计一1 8 3 2 半球形件胀形实验分析一1 9 3 2 1 半球形件成形2 0 3 3 2 微观组织分析2 3 3 3 本章小结2 4 第4 章a z 3i + y + s r 盒形件的超塑气胀成形研究2 5 4 1 盒形件胀形模具设计2 5 4 1 1 模具结构设计2 6 啥尔浜理工大学工学硕士学位论文 4 1 2 型腔的修正设计一2 7 4 2 盒形件胀形设备3 0 4 3 盒形件胀形实验分析31 4 3 1 盒形件成形31 4 3 2 微观组织分析3 5 4 4 本章小结j 4 0 结论4 1 参考文献4 3 攻读学位期间发表的学术论文4 6 致谢4 7 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 在金属材料中，镁合金密度低，强度高，具有优良的散热性和电磁屏蔽能 力 1 】，在航空航天、汽车、电子信息、军工等产业逐渐被人们所接受( 2 卅。镁合 金产业作为一个新兴产业，在产业规模方面不及传统的钢铁工业和铝业，潜在 的产能没有被发掘出来。汽车工业是当今世界上最大的镁合金产品使用者，随 着汽车轻量化理念的普及，镁合金的发展进入了一个快速增长期，众多汽车厂 商投入大量人力物力，设立相关课题进行研究。在电子信息产业中，手机、笔 记本、平板电脑的大量结构件采用镁合金来制造，降低了产品的重量，同时增 强其强度和散热性篦f 5 l 。镁是地壳中储量丰富的化学元素之一【6 】，我国在镁合 金工业方面拥有一定的优势，充足的镁资源，众多镁合金生产加工企业和科研 合作项目，都展现出了镁工业的良好发展态势【7 jo 】。 1 2 镁及镁合金的特性 镁在地壳表层储量居第六位，在大多数国家都能发现镁矿石，目前已知的 镁矿就达到6 0 余种j 。但人类对于镁的认识起步却很晚。直到十九世纪初， 英国化学家戴维用金属钾还原氧化镁制得单体金属镁。纯镁的密度为 1 7 4 9 c m 3 ，熔点6 4 8 9 。c ，沸点为1 0 9 0 ( 2 ，容易与空气发生氧化反应，其晶体 结构为密排六方结构，轧制态的细晶镁合金具备优良的超塑成形能力。 在工业生产中，一般不利用纯镁直接加工零件，而是在镁中加入适量的 铝、锌、钙、锆等元素制成镁合金。镁合金与传统的金属材料相比较，具有以 下方面的优势 1 2 - 1 8 1 。 1 较低的合金密度； 2 较高的比强度； 3 优良的减震性能； 4 较好的机械加工性能； 5 散热性好； 6 有效的电磁屏蔽能力； 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 7 环保可再生： 8 良好的耐腐蚀性。 正因为镁合金具有以上诸多优势，在未来轻合金材料的发展中，镁合金必 然会在一些领域中替代传统材料将的位置，具有十分可观的前景。 1 3 镁合金的发展 国家在“十一五”规划中大力发展新材料产业，镁合金已经在很多领域得到 了应用。在替代塑胶制品方面，镁合金零件厚度比塑胶薄3 0 左右，具有强度 高，可变形，电磁屏蔽等特点。在替代铝合金方面，镁合金零件比铝合金平均 减重4 0 。除此之外，我国拥有丰富的镁矿资源，能否合理利用资源，开拓镁 合金的应用领域，成为轻合金材料领域下一个阶段的重点研究对象【1 9 l 。 在国际上，美国加州汽车行业召开了镁技术国际研讨会，提出了未来镁合 金发展遇到的障碍与未来的发展方向。美国从我国进口的镁合金年增长达到 3 0 0 。同年，宝马公司公布新型六缸发动机的箱体由镁合金制成。今年，日本 经济产业省对外公布了利用镁合金制作汽车车体的计划，预计未来几年即可完 成第一台镁合金材料为主体的汽车【2 0 1 。 国内方面，镁合金产品的产量已经突破四十万吨，同比增长3 0 5 。在山 西省建立“国家镁及镁合金产业基地”，广东省鸿图科技公司引进3 0 0 0 吨镁合 金压铸机，该压铸机是中国最大的镁合金压铸设备。重庆镁业科技股份有限公 司建立镁合金挤压型材生产线，其中可以生产管材1 0 0 0 吨，其余型材1 0 0 0 吨。洛阳铜加工集团在2 0 0 5 年建立国内第一个“变形镁合金加工”基地【2 1 1 。 在辽宁营口有非常丰富的镁资源，已探明储量达二十五亿吨，占我国总储量的 8 5 。镁合金产业成为该市的支柱产业。年创造产值达1 0 0 多亿元人民币【2 2 】。 目前镁合金产业发展方向主要集中在以下几个方面【2 3 】： 1 镁合金冶炼过程的现代化、规模化、绿色化。减少二氧化碳排放与环境 污染。 2 生产与回收一体化镁合金零件，可以有效减少材料生产时间，降低镁合 参的生产成本。 3 发展变形镁合金及其成形技术。 虽然镁合金具有许多优点，但现阶段镁合金零件加工产品成本高，需要时 问得到市场的认可，随着镁合金制造与加工技术的进一步发展，镁合金一定会 被人们所接受，镁合金材料成形技术将会在材料加： 领域占据重要地位。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 4 超塑性研究概述 金属超塑性是材料学研究领域中的重点课题之一，较传统材料性能研究起 步较晚，但是该项研究受到科研领域的关注，许多成形性能优异的超塑性材料 被发现，新的超塑性成形机理的不断提出，都极大丰富了超塑性研究的意义。 超塑性已经在很多方面得到应用，如板材气胀成形，棒材挤压成形，拉伸成形 等技术。尤其在航空航天领域，已经成为了一种重要的加工方法。 但相对铝、锌等合金而言，镁合金超塑性的相的研究还不充分，生产技术 不完善。近几年随着汽车、航空航天等工业领域的需求带动镁合金研究的热潮 兴起，镁合金的超塑性引起了世界各国研究者鲍极大重视。 1 4 1 超塑成形技术的发展与应用 超塑性的发展共分为三个阶段，分别为萌芽时期，奠基时期，发展时期。 1 萌芽时期( 1 9 2 0 - 1 9 4 5 ) 这段时期是超塑成形技术的萌芽时期，在这一时期 内，人们发现一些特殊的金属材料在拉伸过程中的特殊塑性现象。 19 2 0 年，r o s e n h a i n ，h a u g h t o n 和b i n g h a l n 在研究z n a 1 c u 合金时，发 现这种合金板材高速弯曲时断裂，但是如果缓慢加载，产生很大的变形也不会 断裂( 2 4 】，这是人们第一次意识到变形速率与金属材料的塑性有着重要的联系。 1 9 2 4 年，s a u v e u r 进行了一次有意义的实验，他将铁棒一端加热，另一端 保持冷却，铁棒上保持温度梯度。当对铁棒进行扭曲时发现在接近相变温度的 位置铁棒扭曲量要大于其他位置，实验揭示出温度与金属材料塑性的联系。 2 奠基时期( 1 9 4 5 1 9 6 8 ) ，在这个时期，超塑性的研究取得了重大的进展。 1 9 4 5 年苏联科学家b o c h v a r 和s v i d e r s k a i a 发现了z n - a i 合金具有很高的延 伸率，并对其他合金系也进行了研究，提出“超塑性”这个名词。1 9 6 4 年，美 国科学家b a c k o f e n 在研究中提出应变速率敏感指数m 这一概念，这一贡献确 立了超塑性的标准，目前被大量参考和使用【2 5 】。在1 9 4 5 1 9 6 7 年的时间，各国 材料学家对超塑性的机理提出了多种假设，这些机理弥补了前人研究工作的不 足，为超塑性工艺在工业生产中的应用奠定了理论基础f 2 6 2 7 1 。 3 发展时期( 1 9 6 8 至今) ，在超塑性研究的发展时期，超塑性成形工艺逐渐 被生产领域所接受并逐渐普及。 1 9 6 8 年，英国里兰德汽车公司利用材料的超塑成形性能，将z n a 1 合金制 成车门和冰箱门板材内衬。1 9 7 0 年，t h o m s e n 采用z n a 1 合金进行气胀成形， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 将管材吹成调味瓶，且在瓶身表面制造形状复杂的花纹，这次尝试为超塑性在 工艺设计领域的应用奠定了基础f 2 8 1 。 进入发展时期后，人们发展了多重超塑性合金。6 0 年代中期，日本在超塑 性材料方面进行了大量的研究，与其他国家不同的是，日本的超塑性产品更多 利用在民品上，如卫浴，厨房设备。这些产品拓宽了超塑性产品的应用领域。 镁合金超塑性的应用主要集中在以下几个方面。 1 车身结构方面。德国h o n s e l 公司利用a z 31 镁合金板材的超塑性制造奥 迪车门，壁厚达n 2 2 5 m m 。英国v a g o n 公司在开发镁合金车门。克莱斯勒公 司拟将在下一代车型上采用全集成镁合金车身前围结构，由一件镁合金超塑成 形件与三个冲压件组装而成，取代1 5 个钢冲压件焊装的前围，重量由2 2 9 k g 减 至9 5 k g ，镁合金材料在车体减重方面有着其它材料无法比拟的性能【2 9 1 。 2 功能性材料方面。镁的密度、弹性模量、抗拉强度接近于生物骨，力学 相容性能优良。镁是人体必需的微量元素，高纯镁具有良好的耐腐蚀性能，生 物相容性良好。利用镁合金超塑性能制备骨板、骨针、义齿等医疗用品【3 0 】。 3 航空航天方面。镁合金的强度、阻尼性能优于传统金属结构材料，在航 空航天和军事领域有着广阔应用前景，如导弹、卫星和武器的电子仪表支架 等。波音7 4 7 客机上大量的轻合金零件均由超塑成形方法制造f 3 1 1 。 1 4 2 镁合金超塑性变形的特点 “超塑性”指超出一般塑性指标的特性，金属材料在受到拉伸时，显示出 很大的伸长率而不产生缩颈与断裂现象。衡量超塑性的重要指标是材料的延伸 率6 ，6 1 0 0 的性能，称为超塑性，有些材料的伸长率可以达到1 0 0 0 以 上。此外应变速率敏感性指数m 值也可以定义超塑性【3 2 l 。 镁合金超塑性属于微晶组织超塑性，细晶有利于增加诱发超塑性最佳应变 速率，提高镁合金强度和延展性。研究表明，产生超塑性时细品镁合金伸长率 高达3 0 0 以上。晶粒尺寸每小一个数量级，超塑性应变速度将增加近千倍。 镁合金超塑变形具备以下特点。， 1 晶粒尺寸在变形中保持等轴性，没有明显的晶粒变形现象。 2 只有在合适的温度下，即大于材料o 5 t m 的情况下才体现出超塑性能 ( t m 为材料熔点) ，另外，材料的超塑性变形对应变速率也有一定的要求。 3 超塑性拉伸的过程中没有明显缩颈，应变硬化现象被逐渐抵消。 4 超塑性变形过程中有大量空洞形成。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 5 课题研究的目的和意义 镁合金是密排六方晶体结构，室温下只有三个滑移系，塑性较差，成形困 难。导致镁合金板材塑性成形技术没有得到足够的重视，塑性成形件应用很 少，超塑成形零件更少。超塑成形件与压铸件相比力学性能优良、组织致密、 成分偏析少。故研究镁合金的超塑性成形成形性能、形成科学的成形理论，找 到最佳成形工艺，制备性能优异的镁合金板材是推动镁合板材广泛应用的基 础。论文的研究目的是研究a z 3 1 + y + s r 镁合金板材超塑性加工的新技术，寻 找这种镁合金板材最佳超塑性成形温度，分析这种镁合金板材的零件缺陷，为 a z 3 1 系列镁合金板材的应用和推广奠定良好的基础。 论文的研究内容： 1 对a z 3 1 + y + s r 镁合金板材在不同温度下进行热拉伸实验，对拉伸试样 进行宏观和力学性能分析，研究不同的温度对镁合金板材超塑性能的影响。同 时对拉伸试样进行断口扫描分析与金相组织分析，研究超塑性变形过程中合金 微观组织的变化。 2 对a z 3 l + y + s r 镁合金板材进行不同温度下的自由胀形实验，观察并测 量半球形试样的胀形高度，对试样的不同位置进行金相观察，通过与普通 a z 3 1 板材的对比，了解a z 3 1 + y + s r 镁合金板材在超塑气胀成形中的性能表 现。 3 选取一种特殊的盒形件，设计并制作镁合金超塑气胀成形模具，在不同 温度下利用a z 3 1 + y + s r 板材气胀成形此盒形件，对零件进行宏观测量与对 比，取盒形件不同位置进行金相观察，了解不同位置零件的微观组织变化和空 洞的形成。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章a z 3 1 + y + s r 板材的制备及性能 2 1 连铸连轧工艺 连铸连轧技术始于2 0 世纪8 0 年代，是一种生产板材的短流程工艺，首次 将熔炼，均质化及轧制三个工艺组合在一起，实现了流程紧凑化，简单化，节 能减排，降低生产成本，减小了生产场地的限制，是国际公认的革命性板材生 产方法 3 3 l 。 连铸连轧全称连续铸造连续轧制( c o n t i n u ec a s t i n gd i r e c tr o l l i n g ，简 称c c d r ) ，本文中涉及的a z 3 i + y + s r 板材即是用这种工艺制备出来的。 如图2 1 为镁合金连铸连轧的工艺示意图。主要工艺流程是把液态金属倒 入连铸机中轧制出型坯后，不经冷却，在均热炉中保温一定时间后直接进 入热连轧机组中轧制成形的轧制工艺。 图2 1 连铸连轧工艺示意图 f i g 2 - 1c o n t i n u o u sc a s t i n gd i r e c tr o l l i n gp r o c e s ss c h e m a t i c 1 连铸连轧的工艺特点 ( 1 ) 节约能源消耗，传统的轧制过程需要将铸坯加热到合适的温度后进行 轧制，在这个过程中消耗大量能量，连铸连轧工艺恰好相反，是将金属液冷却 至一定的温度再进行轧制，没有能量的二次消耗。 ( 2 ) 提高成材率，节约金属消耗。由于加热时间缩短使铸锭烧损减少，例 如高温直接热装或直接轧制，可使成材率提高0 5 1 5 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 简化生产工艺流程，减少厂房面积和运输各项设备，节约基建投资和 生产费用。 ( 4 ) 大大缩短生产周期，从投料到轧出成品仅需几个小时；直接轧制时从 浇铸到轧出成品只需十几分钟，增强生产调度及流动资金周转的灵活性。 ( 5 ) 提高产品的质量。大量生产实践表明，由于加热时间短，材料氧化减 少，镁板表面质量要比常规工艺的产品好得多。铸坯无加热炉滑道冷却痕迹， 使产品厚度精度也得到提高。同时能利用连铸连轧工艺保持铸坯在碳氮化物等 完全固溶状态下开轧，将会更有利于微合金化及控制轧制控制冷却技术作用的 发挥，使组织性能有更大的提高【3 4 l 。 2 连铸连轧的工艺流程 ( 1 ) 镁金属熔液经由气体保护倒入中间包，由起重机吊至连铸机上方； ( 2 ) 将中间包中的液态镁倒入连铸机中进行连铸生产，铸坯从连铸机下方 拉出； ( 3 ) 用飞剪对连铸坯进行定尺剪切，剪切成定尺长度的连铸坯送入隧道均 热炉中； ( 4 ) 连铸坯在隧道均热炉中缓慢前进，以保证连铸坯温度均匀和恒定； ( 5 ) 连铸坯进入连轧机中制成3 6 r n m 厚度的板材，然后在3 5 0 。c 下进行均 质化处理1 6 小时，随后以每道次厚度2 5 的压下量进行轧制，在4 2 0 。c 下保 温2 0 分钟，最后得到厚度为i m m 的板材； ( 6 ) 经轧制成形后的板材进入水冷段进行层流冷却； ( 7 ) 经过层流冷却后的板材进入卷取机中卷取； ( 8 ) 卷成卷筒状的板材由天车运送入成品库中存放【3 5 】。 2 2 实验材料的制备 实验所用板材利用连铸连轧工艺制备，与普通a z 3 1 板材不同的是，实验 板材中添加一定量的y 和s r 元素，连铸连轧工艺有效减小晶粒的尺寸，加入 稀土元素限制晶粒在受热之后的长大，两种因素的共同作用提升了板材的超塑 成形能力。 2 2 1 实验材料成分 a z 3 1 镁合会板材应用广泛，常温时强度和延展性优良。但是在熔炼时容 易烧损，高温力学性能不佳，室温塑性差，这些都在一定程度上限制了镁合金 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 的应用，因此在合金中加入稀土元素改善合金性能就显得尤为必要。 按化学成分，a z 31 镁合金其主要合金成分见下表2 - 1 。 表2 1a z 3 1 b 镁合金的主要化学成分( ) t a b l e2 一la z 31bm a g n e s i u ma l l o yc h e m i c a lc o m p o s i t i o n ( ) 合金元素含量 a lz nm nc as ic uf e 其他杂质 a z 3 l b2 5 3 50 7 一1 30 2 1 o 郢0 4郢1 0郢0 1郢0 0 5郢3 a z 3 1 镁合金铸态组织基体为g t m g 固溶体以及第二相 b - m g l 7 a l l 2 组织分 布于晶间和晶界处。m g l 枷1 2 是a z 3 1 镁合金中唯一的化合物相，由于偏析和 在晶界以及枝晶问存在m g l 7 a 1 1 2 第二相，使镁合金的热塑性降低，加工性能变 坏。为保证变形加工工艺的实旌和提高合金的组织成分均匀性，需要对合金铸 锭进行均匀化处理。在均匀化处理过程中，通过原子扩散，可在很大程度上消 除晶内偏析和内应力，改善铸锭化学成分与组织不均匀性，提高其工艺塑性。 实验所用a z 3 l 镁合金板材在熔炼过程中加入了一定量的y 和s r 元素， 化学成分见表2 2 。y 和s r 元素电子排步特殊、性能独特。在熔炼合金过程中 可以改善合金组织和力学性能，改善合金的耐腐蚀性能。在镁合金领域，稀土 优异的净化、强化作用不断被人们认识和掌握，并开发出一系列含稀土的镁合 金。随着镁合金在高强和高段( 如固溶等) 不能改变其形态和分布。以针状形态 存在的稀土相，对m g 合金基体产生很强的割裂作用，当合金受力时，易引起 应力集中，对合金强韧性及塑性加工性能十分不利【3 0 1 。 表2 2a z 3i + y + s r 镁合金的主要化学成分( ) t a b l e2 - 2a z 3l + y + s rm a g n e s i u ma l l o yc h e m i c a lc o m p o s i t i o n ( ) 合金元素含量m g z na ls ry 其他杂质 a z 31 - y + s r9 4 2 30 8 4 3 1 50 8 60 9 1 郢0 l 向a z 3 1 镁合金中加入y 和s r 两种复合元素可以使镁合金的晶粒得到细 化，同时减少合金中的d m g l 7 a 1 1 2 相数量并改变其结构，使得新生相可以在晶 界处弥散分布，这有助于材料变形时晶粒进行滑移和扭转，同时也为新生晶粒 的生长提供了空间，可以明显提高板材的超塑性能 4 1 - 4 2 1 。 加入y 和s r 还可以强化镁合金基体，其主要的强化机理为细晶强化，固 溶强化和析出相强化，这使得合金的高温力学性能得到了有效提高，随着加入 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 y 和s r 元素量的增多，合金的断口形貌也将由脆性断裂转变为韧性断裂，这 有助于提高合金的机械性能。 实验利用这种方法制备出a z 31 和a z 31 + y + s r 两种镁合金板材，板材如 图2 2 所示。 图2 - 2 两种镁合金板材 f i g 2 - 2t w om a g a 懿i u ma l l o ys h e e t 雄p 黜n c c 图2 3 为两种双辊连铸连轧板材的原始金相显微组织，图2 3a ) 为双辊连 铸连轧a z 3 1 镁合金板材，图2 3b ) 为双辊连铸连轧a z 3 1 + y + s r 镁合金板材。 两种板材分别沿轧制方向取样，制备金相试样并进行组织观察。 a ) a z 3 1b ) a z 3 1 + y + s r 图2 - 3 拉伸前两种合金的光学显微组织 f i g 2 3t h eo p t i c a lm i c r o s t r u c t u r eo ft w oa l l o y sb e f o r es t r e t c h 从图2 3 中两种镁合金拉伸前的光学显微组织可以看出：两种合金经过轧 制工艺之后组织破碎，晶界处尤为明显，在腐蚀试样后晶界更加清晰并有孪晶 产生。经过线性截取法测量，a z 3 l 合金的晶粒平均尺寸为4 5 “m ，加入y 和 s r 元素的a z 3 1 合金晶粒平均尺寸为3 - 4 9 m ，两种板材的晶粒尺寸都在1 0 p m 以下，具备超塑性材料的细晶特点。进一步观察两种合金，发现两种合金晶粒 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 组织之间都有一定空洞组织存在，这是在板材轧制过程中形成的，而在 a z 3 1 + y + s r 晶粒内部和晶界之间有a h s r 以及a h m g y 第二相的生成，而普通 的a z 3 1 合金则只有少量的m g l 7 a l l 2 生长在晶界之间。 2 2 2 实验方案 为研究a z 3 1 、a z 3 l + y + s r 镁合金的最佳超塑性范围，针对上述用连铸连 轧的方法获得的镁合金板材分成几组，分别在常温、2 0 0 、3 0 0 、4 0 0 温 度下进行恒定应变速率0 7 x 1 0 弓s 。1 拉伸，测定出每一温度拉伸时的应力与应 变。对拉伸过程中的应力与应变的变化规律转换成真应力与真应变曲线，分析 温度的不同对其力学性的影响，找出超塑性最佳的温度范围。 利用线切割从轧制板材上沿平行于轧制方向取拉伸试样。拉伸试样标距长 度为1 0 m m ，宽度5 m m ，试样的形状和尺寸如图2 _ 4 所示。 l二三二一一i 图2 _ 4 拉伸试样 f i g 2 - 4t e n s i l es p e c i m e n 试验采用s h i m a d z ua g 一1 电子拉力试验机，加热炉由电阻丝供热，利用 热电偶进行三段自动控制炉温。试样在炉内保温十分钟后进行拉伸。用它来测 镁合金试样的应力与位移数值。 对拉断后的试样断口进行金相组织、断口扫描。分析超塑性变形对 a z 3 1 、a z 3 1 + y + s r 镁合金组织的影响，研究稀土元素y 和s r 对a z 3 1 板材组 织与性能的影响。 2 3 板材的性能与组织分析 对实验结果的分析包含三部分：力学性能分析，微观组织分析与断口扫描 分析，从不同的角度对双辊连铸连轧a z 3 1 + y + s r 镁合金板材的超塑性能进行 衡量。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 3 1 力学性能分析 图2 5 为两种板材在不同温度拉伸后的试样对比照片，可以看出，随着温 度的升高，金属的流动性增加，两种板材试样都产生了很大的拉伸形变。 其中3 0 0 和4 0