（材料加工工程专业论文）az80镁合金锻造性能研究.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 镁及镁合金是所有金属结构材料中最轻的，其密度只有1 7 4 c m 3 ，是铝的2 3 ， 比钢轻7 8 1 。镁合金具有很高的比强度和比刚度。镁合金己被誉为2 i 世纪的金 属。 本研究是在全球汽车轻量化、大力发展镁合金在汽车行业的背景下，以镁合 金a z 8 0 为研究对象，应用g l e e b l e 1 5 0 0 d 热力学模拟试验机，对不同温度和变形 速率下a z 8 0 镁合金的流变性能进行了系统的研究，着重分析了变形温度、变形速 率和变形量对材料变形抗力的影响，从中找出规律。利用动态材料模型绘制了 a z 8 0 镁合金的热加工图，确定出了a z s 0 镁合金高温变形时的最佳工艺参数范围； 以镁合金a z 8 0 高温变形的应力应变曲线的特征分析为基础，建立了镁合金a z 8 0 高温变形时的流动应力模型。验证结果表明，a z 8 0 镁合金高温变形时的流动应力 模型能较好地描述合金的高温变形行为。同时研究分析了镁合金a z 8 0 的组织变 化及动态再结晶。 应用有限元方法，对轿车轮毂的预成形、底部成形和翻边成形三道工序的锻 造成形中，工艺参数对锻造过程的影响规律进行了数值模拟。着重讨论了不同的 变形温度、变形速度和摩擦条件对变形过程中等效应变、等效应力以及挤压力- 行 程曲线的影响。在以上研究工作的基础之上，选择合理的毛坯形状，使轮毂预成 形工序中挤压变形和镦粗变形同时进行，并使外力所做功较小。并研究出在底部 成形中影响金属充填性能的主要因素是凹模圆角半径。上述研究为a z 8 0 镁合金轮 毂的等温锻造工艺的优化设计及质量控制提供了理论和技术上的支持。 关键词：a z 8 0 镁合金；等温锻造；热加工图；流动应力模型：数值模拟 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t m a g n e s i u ma n dm a g n e s i u ma l l o y sa r et h el i g h t e s ta m o n ga l lc o n s t r u c t i o n a lm e t a l m a t e r i a l s i t sd e n s i t yi sj u s to n l y1 7 4 c m ，w h i c he q u a l st ot w ot h i r d so ft h eo n eo f t h ea l u m i n u ma n dt a k e s7 8 1p e r c e n tl i g h t e rt h a nt h eo n eo f t h es t e e l c o m p a r e dt oo t h e r m e t a l so re n g i n e e r i n gp l a s t i c s ，t h es p e c i f i cs t r e n g t ha n dr i g i d i t yo f t h em a g n e s i u ma n d m a g n e s i u ma l l o y sa r ev e r yh i g h s ot h em e t a lo f t h em a g n e s i u ma n dm a g n e s i u ma l l o y s a r ep r a i s e df o rt h e2 1 s tc e n t u r y sm e t a l t h i sb a c k g r o u n do f r e s e a r c hi sg l o b a ll i g h t w e i g h to f t h ea u t o m o b i l ea n dd e v e l o p i n g t h em a g n e s i u mi nt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y , c h o o s i n ga z 8 0m a g n e s i u ma l l o yp r o c e e d s t h er e s e a r c h r h e o l o g i c a lp r o p e r t yo fa z 8 0a td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sa n dd e f o r m i n gr a t e i ss t u d i e da p p l y i n gg l e e b l e 1 5 0 0 dt h e r m a l - m e c h a n i c a ls i m u l a t o r t h ee m p h a s i si so n h o wd e f o r m i n gt e m p e r a t u r e ，d e f o r m i n gr a t e ，a n dd e f o r m i n ga m o u n ti n f l u e n c i n g d e f o r m a t i o nr e s i s t a n c eo f m a t e r i a l ，f r o mw h i c ht h el a wi sf o u n d t h ep r o c e s s i n gm a po f a z 8 0m a g n e s i u ma l l o yh a sb e e ne s t a b l i s h e da c c o r d i n gt od y n a m i cm a t e r i a l sm o d e l i n g ， w h i c hc a nm a k ec e r t a i nt h eo p t i m a lp a r a m e t e r sd u r i n gt h ei s o t h e r m a ld e f o r m a t i o n b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es t r e s s s t r a i nc u r v e so ft h ea z 8 0m a g n e s i u ma l l o y d u r i n gh i 曲t e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o n ，af l o ws t r e s sm o d e lo fa z s 0m a g n e s i u ma l l o y d u r i n gh i g ht e m p e r a t u r e d e f o r m a t i o nh a sb e e ne s t a b l i s h e db yt h ei s o t h e r m a l c o m p r e s s i o n m e a n w h i l e ，t h ep r e s e n tm o d e li sc h e c k e d i th a sb e e np r o v e dt h a tp r e s e n t c o n s t i t u t i v er e l a t i o n s h i ph a sag o o dr e l i a b i l i t y i na d d i t i o n ，i th a v eb e e ns y s t e m a t i c s t u d i e dt h e r e g u l a t i o n o fm i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o na n dd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o no f a z 8 0 m a g n e s i u ma l l o yd u r i n gh e a tf o r m i n g t h ee f f e c t so fp a r a m e t e r si nf o r g i n gl i k ep r e - f o r m i n go ft h eh u bi na u t o m o b i l e ， f o r m i n go ft h eb o t t o mp a r ta n df i a n g i n go nf o r g i n gp r o c e s sh a v eb e e nn u m e r i c a l l y s i m u l a t e db ym e a n so ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n dt h ed 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 a n ds p e e da n df r i c t i o nt h a ta f f e c tt h ee q u i v a l e n ts t r a i n ，s t r e s sa n dl o a d - j o u r n e yc u r v e s h a v eb e e nb r i e f l yd i s c u s s e d b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c hw o r k ，c h o o s i n gt h es u i t a b l e r o u g h ，m a k i n ge x t r u s i o nd e f o r m a t i o na n du p s e t t i n gd e f o r m a t i o nw o r kt o g e t h e ri nt h e 沈阳理工大学硕士学位论文 p e r f o r m i n go fh u b ，m a k i n gt h ee x t e r n a lf o r c ed ow o r ks m a l l e r a n dt h em a i nf a c t o r i n f l u e n c i n gt h em e t a lt ob ef i l l e dw i t hp e r f o r m a n c ei st h er a d i u so fr o u n da n g l eo ft h e p u n c hi nt h eb o t t o mf o r m i n g t h i sw o r kp r o v i d e st h et h e o r ya n dt e c h n i c a lf o u n d a t i o n f o ri m p l e m e n t i n gp r o c e s so p t i m i z e d d e s i g na n dq u a l i t yc o n t r o ls c h e m eo fa z 8 0 m a g n e s i u ma l l o yc a rh u bi s o t h e r m a lf o r g i n gp r o c e s s k e y w o r d s ：a z 8 0m a g n e s i u mn l o y ；i s o t h e r m a lf o r g i n g ；p r o c e s s i n gm a p ；f l o ws t r e s s m o d e l ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者 本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：物砍刁色 日期 ：知。7 年3 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 靴敝肾甏；兰笋岛艚笞麓f 弱 日期： 归，7 ；，7 日期： 砌弓7 第1 章绪论 第1 章绪论 1 i 镁合金的特点及其应用 1 1 1 镁合金的特点 镁是地球上蕴藏量很丰富的元素，约占地壳总重量的2 ，仅次于a l 和f e 占第三位。镁的化合物不仅广泛地分布于陆地上，还大量的蕴藏在海水、盐泉和 湖泊中。在大多数国家都能发现镁矿石，己知含镁的矿石多达6 0 余种，其中有工 业价值的有菱镁矿、白云石和光卤石等。镁的原子序数为1 2 ，相对原子质量为2 4 - 3 2 ， 手结构为l s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 ，位于周期表中第3 周期第2 族。镁的结构为密排六方。 通常情况下，镁具有以下一些特点： ( 1 ) 密度小，镁在2 0 时密度只有1 7 3 8 9 c m 3 ，是常用结构材料中最轻的金 属，镁的这一特征与其良好的力学性能相结合成为大多数镁基合金结构材料应用 的基础。可以广泛用于携带式的器械和汽车行业中，达到轻量化的目的。 ( 2 ) 体积热容低，镁在2 0 。c 时的体积热容为1 7 8 1j ( d m 3 k ) ，比其他所有的金 属都低，而且合金元素对镁的热容影响也不大，因此镁及镁合金的一个重要特性 是加热升温与散热降温都比其他金属快。 ( 3 ) 比强度高，镁合金的比重虽然比塑料重，但是，单位重量的强度和弹性率 比塑料高，所以，在同样的强度零部件的情况下，镁合金的零部件能做得比塑料 的薄而且轻。另外，由于镁合金的比强度也比铝合金和铁高，因此，在不减少零 部件的强度下，可减轻铝或铁的零部件的重量。 ( 4 ) 减振性好，镁及镁合金能够充分吸收振动能量，使用在驱动和传动的部件 上可减少振动，并且，镁在受到冲击后，能吸收冲击能量而不易产生断裂。 ( 5 ) 切削加工性能好，镁的切削阻力仅仅是铝合金的1 2 ，铸铁的1 3 5 ，在机 械加工时，可以较快的速度加工。 ( 6 ) 再生性好，镁合金与塑料不同，它可以简单地再生使用且不降低其机械性 能，而塑料很难在不降低其机械性能再生使用；镁合金与其他金属相比，熔点低 ( 6 5 0 ) ，比热低，在再生熔解时所消耗的能源是其它材料制造所消耗的能源的 沈阳理工大学硕士学位论文 4 。 ( 7 ) 化学活性很高，镁合金在熔炼和加工过程中极容易氧化燃烧，因此，镁合 金的生产难度很大。在室温下，镁的表面能与空气中的氧起作用，形成保护性的 氧化镁薄膜，但氧化膜比较脆，而且不致密，故耐蚀性很差。 1 1 2 镁合金的工艺性及经济性 1 具有良好的加工性能 镁合金具有良好的铸造性能，与铝合金相比：镁合金的动力学粘度低，相同 流体状态下的充型速度远大于铝合金；镁合金熔点、比热容和相变潜热均比铝合 金低，其熔化能量少，凝固速度快，镁合金的实际压铸周期约为铝合金的5 0 ； 此外，镁合金与铁的亲和力小，固熔铁的能力低，因而不易粘连模具表面，模具 寿命可提高2 3 倍。 许多镁台金在热加工温度范围内的塑性很高，通过锻造、挤压、轧制、拉拔 以及冲压等塑性加工工艺制备的镁合金材料及部件具有更高的强度、更好的延展 性和更多样化的力学性能。与镁合金铸件相比：晶粒细小、力学性能好、表面质 量好。如m b 系列的大多数合金可挤压成各种规格的棒材、型材和带材；合金的 锻造性能良好，可制成形状复杂的大型锻件和承受高载荷和高屈服强度的零件。 2 具有好的经济性 一般而言，镁合金具有和铝合金相当的经济性。尽管镁合金的单位质量价格 比铝合金高，但由于镁合金密度小，对相同体积的零件，镁合金用量只是铝合金 的三分之二。因此可用单位体积的价格而不是单位质量价格来衡量镁合金零件的 材料成本更为合适。同一铸件，用镁合金铸造，原材料费用将比用铝合金铸造降 低1 0 2 0 ，而质量减少2 5 3 0 ，这一差异可基本抵消镁合金较高的铸造工 艺费用，使两者的铸件成本基本相当。镁合会具有优良的导电性和导热性，同等 强度的镁合金制品每千克耗电为3 5 7 k w h ，铝合金制品每千克耗电则为4 1 ，1 k w h ； 镁合金易于机加工，其机加工能量仅为铝台会的7 0 。总体看，镁合金具有比铝 合金更大的经济性。 第1 章绪论 1 1 3 镁合金在现代汽车中的应用 1 1 3 1 汽车轻量化的发展趋势 目前能源和环保问题正越来越受到世界各国的重视，这为镁合金的进一步应 用提供了广阔的空间。美国和欧洲己经制定了严格的汽车排放和燃油节约标准， 而日本政府于1 9 9 8 年公布了家电回收法，规定自2 0 0 1 年4 月起所销售的家电 必须强制回收四。据研究，轿车每减少1 0 0 k g 的重量，油耗就降低5 ，而如果全 球每年生产的汽车每辆能使用7 0 蚝的镁，全球c 0 2 的年排放量就减少3 0 以上p 】， 符合环保要求。美国提出了“p n g v ”( 新一代交通工具) 的合作计划。其目标是生 产出消费者可承受的每百公里耗油3 公升的轿车，且整车至少8 0 以上的部件可 以回收。这些要求迫使汽车制造商采用更多高新技术，生产重量轻、耗油少、符 合环保要求的新一代汽车。 因此近年来世界各大主要汽车公司从争夺汽车市场的战略考虑，在注意外形 美观的同时，致力于提高汽车的经济性、降低燃油消耗的目标，这样可以缓和能 源需求的紧张状况，减轻环境污染，降低综合费用，这是现代世界汽车工业的发 展趋势聊。 在各种降低油耗的措施中，把减轻汽车的自重作为措旌之一。为了降低汽车 自重，一是在提高材料强度和可靠性的基础上，利用有限元分析法使汽车结构实 现最优化设计，使零部件合理化、薄壁化、中空化、小型化等：二是采用轻量化 材料。到目前为止，前项工作己大体完成，没有大的潜力可挖，因此，采用更多 的轻量化材料就成为全球汽车工业发展的趋势。 1 1 3 2 镁合金的应用 在各种轻合金材料中，镁材以其密度小、相对强度高等优点成为世界当前轿 车轻量化的首选材料，而且镁资源丰富又最易被回收利用，十分有利于环境保护， 镁合金可以使车辆减轻自重、提高车身刚度、增加行驶速度和运载量、改善使用 性能、提高效益。以镁代钢、以镁代铝是发展趋势，它将逐渐成为车辆的主导材 料。 特别是近几年来，随着镁价格的降低以及汽车行业在节能环保的要求下所提 出的汽车轻量化的趋势发展，全球以极大的热情开始关注镁合金的生产及产品的 3 沈阳理工大学硕士学位论文 开发。 到本世纪8 0 年代，德国大众汽车公司的甲壳虫牌汽车创下了镁合金用量的最 高记录，共生产了1 9 0 0 万辆。用镁合金共达3 8 万吨 ，1 。每车镁合金的总质量为 1 8 蚝左右。与原来使用的材料相比减了5 0 k ，这种减重对于保持后驱动车辆的 平衡十分重要。作为主要结构部件，镁合金的应用得到了广泛重视。近年来镁合 金特别在汽车行业上获得了大量应用，德国大众汽车公司预测到2 0 0 7 年镁合金在 汽车上的用量可达7 0 9 0k g t 6 1 ，采用镁合金比铝合金可减重2 0 2 5 ，汽车方面 的应用见表1 1 m l 。9 0 年代镁合金在汽车工业的应用大幅度增加，以每年约2 0 0 0 的速度递增t o 】，专家相信，由于节能和环保的压力，并随着相关技术问题的解决 从2 0 0 0 年到2 0 0 8 年，全球用于汽车的镁合金仍将以1 5 以上的速度强劲增长1 。 表1 1 镁合金材料在汽车方面的应用 常用材 类别部件名称 料牌号 汽车 车轮轮毂，变速手柄、摇臂罩、空滤器壳、阀盖、节气连杆、手制动连杆、 a z 9 l 驱动a s 4 l 系统 储油槽、储油槽底版、吸气管，气缸盖、曲轴箱、油泵壳发动机缸盖、变 a e 4 2 速箱外壳、离合器外壳、离合器席恸器踏板支架、锁壳、凸轮轴盖 a z 8 1 汽车 座位框架、转向柱套管、发动机托架、座椅架、转向柱、后座、仪表盘、a m 5 0 内饰 件 内饰罩板、方向盘、分电气膜片箱、凉栅安装导轨、光盘机、录音机a m 6 0 汽车 车身 仪表盘十字梁、镁板件、镁挤压件，内门板、行李箱盖 a z 3 l 件 底盘发动机轴、发动机架、车轮、前后悬臂、底盘筐 a z 3 1 1 1 3 3 镁合金轮毂的特点 单纯的从生产成本比较，目前仍是钢制轮毂最便宜，但是从轻量化和整体美 观来考虑，镁合金轮毂的应用是必然趋势。就目前来说铝合金轮毂有一定的发展 潜力旧，但是镁合金轮毂和铝合金轮毂相比具有以下优点： ( 1 ) 质量轻 镁合金轮毂的成功使用，首先在于它同铝制轮毂相比质量轻，而且能满足其 苛刻的设计要求。镁的比重是铝的2 3 ，在同等条件下整个轮毂的质量能减少1 3 ， 这个结果给整车带来了很大的好处，其减重效果( 如表1 2 ) 所列。 4 第1 章绪论 表i 2 汽车镁合金轮毂与铝轮毂的减重效果 镁轮毂重 铝轮毂重减重效果 车种 车轮规格 一辆车减重效果( k g ) ( k g ) ( k g )( k g ) 轿车与小客车 5 1 2 j j 43 5 45 61 5 26 8 中型汽车 6 o g s x l 681 1 53 52 l 十轮大卡车 7 5 v 2 01 6 52 4 588 0 十轮客车 8 2 5 x 2 2 51 62 4 58 58 5 ( 2 ) 抗振性能好 镁合金具有较高的振动阻尼容量，比铝合金更能吸收外界振动带来的能量。 它的比弹性模量与高强度合金大致相同，能适应高低不平的路面，这是铝轮毂难 以相比的特点。 ( 3 ) 截面设计自由度大 镁合金截面刚度随其厚度的立方比而增加，即当截面厚度增加2 倍时，它的 刚度则可增大8 倍，这对调整和制定设计方案，带来了极大的方便。 ( 4 ) 受外力退让性好 在弹性范围内，当镁合金轮毂受到冲击时，所吸收的能量是铝合金轮毂的i 5 倍。因弹性形变模量是成反比的关系，从这点说，镁合金轮毂比铝合金轮毂更能 承受猛烈的冲击载荷。 ( 5 ) 切削性能好、易加工 由于镁的熔点低，易于再加工，使材料的再生利用率提高；事实上，镁合金 轮毂可在极高速度条件下进行切削，可以保证镁轮毂几何尺寸精度高，摆差小， 动平衡较好，从而可提高整车的平顺性和舒适性。采用适当的工艺制造镁轮毂， 强度可满足整车要求m j 。 ( 6 ) 效益好 一般而言，镁合金具有和铝合金相当的经济性。制造一个相同体积的车毅， 用单位体积价格来衡量，镁合金更为便宜。同时镁合金具有优良的导电性和导热 性，且易于机加工。因此，镁合金的经济性大于铝合金的经济性。 由此可见，镁合金轮毂具有更大的发展潜力。各大汽车公司加大了对镁合金 在汽车中的应用研究，每年需轿车轮毂大约4 0 0 0 万件，具有广泛的应用前景。 5 沈厝1 理工大学硕士学位论文 1 2 文献综述 1 2 1 镁合金的研究现状 在镁合金获德广泛应用的同时，对其性提出了更高的要求。国外已在变形 镁合金新合金、新工艺等方面开展了大量的研究工作，美国l g a i n e s 等人在1 9 9 6 年就变形镁合金在汽车上的应用向美国政府提交了专门报告，并在a r g o n n e 国家 实验室和v o l v o 公司f 1 4 l 开展了一系列研究，取得了一定成果，推动了北美地区变 形镁合金在汽车上的应用。日本的r m a t s u m o t o 和k o s a k a d a 等人在镁合金温锻 方面开展了相应的研究，并对镁合金温锻过程中的摩擦和润滑作了深入的研究。 2 0 0 3 年在德国柏林召开的第六届镁合金及其应用国际会议上，发表了多项关于变 形镁合金成形强化的研究成果，德国汉诺威大学的f w b a c h 等人研究了变形镁 合金的轧制工艺，大幅提高了其成形性能1 6 】；新加坡国立大学的j c f c h a n 等人 研究了应交强化及工艺参数对交形镁合金锻造性能的影响；澳大利亚m r b a m e r 等人研究了铝含量对镁合金挤压成形极限的影响。大大加快了变形镁合金 的应用，拓宽了镁舍金的应用范围。美雹加州理工学院d u w e z 教授及其同事于 1 9 6 0 年首次采用溅射法获得快速凝固组织，开始了快速凝固研究的历史。湖南大 学开展了a z 3 i 的快速凝固试验研究，】。 小坂田等对镁合金z k 6 0 ( m b l 5 ) 的锻造及挤压工艺进行了试验研究【8 l 。得出的 主要结论有：( 1 ) 2 0 0 c 以下发生剪切断裂；( 2 ) 2 0 0 3 0 0 c 有显著的加工软化现象， 变形不稳定，试件呈蘑菇状，交叉部位晶粒细化；( 3 ) 最佳锻造温度为：3 0 0 - - 4 0 0 c ， 镦粗压下量可达7 0 ，试件呈桶状。晶粒变化不大：( 4 ) 4 0 0 以上坯料发生严重 氧化；( 5 ) 2 0 0 4 0 0 温度下流动应力均出现加工软化。他们还进行了反挤压实验， 最后得出镁合金的适合挤压温度为2 0 0 2 5 0 ，在该温度下试件无破裂，底厚可 达l m m 。 西安理工大学的翟秋亚i ，q 等采用5 0 0 t 挤压机试验研究了挤压变形对a z 3 1 镁 合金组织和性能的影响。挤压变形可显著地细化镁合金晶粒并提高镁合金的力学 性能。变形后合金的抗拉强度矾达2 7 5 2 8 5 m p a ，显著的提高a z 3 1 的强度。 洛阳工学院的陈拂晓i t l 等对交形镁合金m b 2 6 迸行了超塑性实验研究。研究 6 第1 章绪论 结果发现，m b 2 6 在2 5 0 - - 4 8 0 c 的范围内，应变率为1 67 x 1 0 3 - 4 1 1 0 弓s 。时具 有超塑性。在3 5 0 - - 4 5 0 c 温度范围内有良好的超塑性，延伸率高于5 2 0 ，在4 0 0 c 应变速率为1 1 7 1 0 3sd 时延伸率达到1 4 5 0 。流动应力仅为8 7 m p a ，应变速 率的敏感性为m = 0 6 ，温度对超塑性的影响大于应变速率，m b 2 6 的超塑温度比 m b l 5 高1 0 0 ，应变率高1 0 倍。 上海交通大学的刘满平等研究了工业态a z 3 l 镁合金在温度6 2 3 7 2 3k 和 应变速率l 1 0 巧s l 1 0 。s 。范围内的超塑性变形行为。结果表明，工业态a z 3 1 镁合金表现出良好的超塑性，其最高断裂延伸率达到3 1 4 。 哈尔滨工业大学的丁水等对轧制态m b l 5 镁合金进行了超塑性能研究，得 出在最佳变形温度二4 0 ，应变速率占= 5 5 6 x1 0 4s 4 时，获得应变速率敏感指数m 值为0 5 1 1 ，延伸率艿为4 1 5 ，此时流动应力仃仅为l l m p a 。并分析了在最佳变 形温度下应变速率对材料超塑性能及晶粒尺寸的影响。 上海交通大学的尉胤红例等研究了轧制态a z 9 1 镁合金在实验温度为 3 5 0 - - 4 2 5 。c ( o 6 7t m - 0 7 6t 。) 以及应变速率为1 0 - 3s l1 0 0 s 4 下的超塑性变形能 力及其特征。 1 2 2 镁合金的等温锻造技术 在常规锻造中，模具温度大大低于毛坯温度，导致不均匀的冷却，使锻件变 形不均匀，变形抗力增大，金属流动困难，锻件余量大。 等温锻造技术构想始于2 0 世纪4 0 年代末，而后在7 0 年代快速发展起来的一 种锻造新技术【2 l l 。等温锻造有如下特征： ( 1 ) 在整个锻造过程中，锻模和毛坯处于同一温度； ( 2 ) 锻造速度很慢，应变速率很小； ( 3 ) 为防止氧化，锻模和锻材可置于真空或惰性气体环境里。 等温锻造与常规锻造的区别在于它消除了毛坯与模具之间温度差的影响，使 热毛坯在被加热到锻造温度的恒温模具中以较低的温度速率变形，从而减小了在 常规锻造时由于变形金属表面激冷而造成的金属流动阻力和变形抗力的增加，以 及变形金属内部由于变形不均匀而引起的组织性能的差异，有效降低了模锻时的 变形抗力，可以在现有小设备上实现较大锻件的成形，也使复杂程度较高的锻件 7 沈阳理工大学硕士学位论文 精锻成形成为可能。 等温锻造的优点是：没有模具激冷、表面氧化，且局部过热小，材料具有更 合理的微观组织与机械性能。锻造载荷较小，设备吨位大大减小。常规锻造有困 难或难变形材科的锻造，等温锻造都可胜任。等温锻造可精确控制锻件尺寸，锻 件的形状比常规锻造更符合零件形状。这样不仅节省了原材料，而且大大减小了 机械加工量，降低了成本。等温锻造可精确控制加工参数，这是常规锻造不可能 达到的。 等温锻造是镁合金的重要船工方法之一。这是因为镁合金导热系数很大( 钛、 铁、镁、铝分别为1 6 7 6 ，8 3 4 ，1 6 7 2 5 ，2 0 9 5 w m ) ，为钢的两倍，锻造温 度范围窄( 1 5 0 k ) ，接触模具后降温很快，从而导致镁和合金塑性降低，变形抗 力增大，填充性能下降。因此适合于等温锻造成形。 从上世纪末开始，国内己有人在探索。1 9 9 8 年哈尔滨大学的薛克敏等人采 用等温锻造工艺、成形了直升机机匣m b l 5 镁合金零件。此后五、六年间，再无人 问津镁合金的塑性精密加工成形工艺。而在这一段时间，世界上也只有日本在这 方面做了一些工作。吕炎教授叫等采用等温锻造工艺成功的成形了复杂的镁合金 飞机上机匣，是目前我国最大镁合金模锻件，投影面积达o 4 m 2 。中国兵器工业 第5 9 研究所在3 1 5 0 k n 油压杌上迸行了镁合金枪械零件的等温成形，试验结果表 明：镁合金等温成形零件充型饱满，表面质量好，晶粒度尺寸细小均匀，流线分布 合理，无紊乱流线、涡流和穿漉现象。我国镁合金塑性加工成形技术研究起步不 晚，通过进一步研究，确定合适的工艺流程和成形参数，就可以锻造成形较为复 杂的镁合金锻件，提高镁合金锻件的综合性能。 等温锻造具有上述的优越性，它的出现使镁合金的锻造加工进入了新时代， 使镁合金锻件具有更广阔的应用前景。 1 2 3 有限元数值模拟技术在塑性加工中的应用 随着计算机软、硬件技术的迅速发展及金属塑性流动理论的日趋成熟。利用 计算机模拟金属塑性成形过程得以实现m2 5 1 ，利用数值模拟方法。可以方便地确定 塑性成形过程各个阶段所需的变形力、工件内部应力应变分布和金属的流动情况。 获得模具的应力、应变分布和合理形状，预测工件的成形状况，为了解金属成形 s 第1 章绪论 和工艺设计提供了强有力的工具。 模拟是从坯料开始，模拟工件在模具作用下成形的整个过程，以获得工件的 变形情况和各种场量分布，并以此确定合理的工艺参数和设计相应的模具，通过 预测工艺极限和防止流动引起的缺陷来提高产品的质量。除此之外，数值模拟也 能减少工艺和模具的试验次数缩短产品开发周期降低生产成本。成形工艺的设计 一般要经历“设计试验再设计”的反复过程，随着计算机技术的发展，将模拟技 术应用于工艺设计不仅可大大减少模具设计和开发的成本，而且可增强对成形缺 陷形成现象给出更加合理的解释。 利用有限元数值模拟结果优化工艺和控制产品质量是塑性加工领域的前沿研 究方向，尤其是对于熟塑性成形的研究，己经不局限于金属的塑性流动行为或局 部热力参数分析，而着重于内部微观组织的变化过程和力学性能的预测与控制。 目前，国内外相关的研究工作尚处于起步和探索阶段。1 9 6 7 年，p r i g o g i n e 提出了耗 散结构理论 z r l 。之后，g e g e l 提出了材料动态模型法( d y n a m i cm a t e r i a lm o d e l i n g , 5 简称d m m 方法) 嗍，通过该方法确定了保证锻件组织性能稳定一致的锻造热力参数 范围。8 0 年代，y a d a 等人建立了碳锰低碳钢环轧过程中的晶粒尺寸与分布的数学，：t 模型t ”- j o l 。1 9 9 1 年，k o p p 首先将显微组织演化模型引入到非稳态锻造过程中，建 立了低碳钢二维镦粗过程中晶粒尺寸和再结晶体积百分比的经验公式【3 l ，。1 9 9 5 年，、 s h i v p l | r i 等人对高温合金w b p a l o y 的二维镦粗过程进行了数值模拟，并预测了锻后 饼环中的晶粒尺寸和再结晶体积百分比1 3 2 1 。这些工作都极大地加深了人们对材料变 形过程物理实质的认识，对正确理解锻造工艺及其与锻件内部质量间的关系具有 指导意义。目前常用有限元法数值模拟的商用软件有d e f o r m 、d y n a f o r m 、 m s c m a r c 、m s c s u p e r f o r m 等。 1 2 4 汽车轮毂发展现状 1 9 2 3 年，赛车开始使用砂模铸造的铝合金轮毂，第二次世界大战后，铝轮毂 用于普通汽车。1 9 5 8 年，有了整体铸造的铝轮毂，以后不久又有了锻造铝轮毂， 1 9 7 9 年美国把铝带成形轮毂作为标准轮毂。1 9 9 0 年，阿卢马克斯工程金属工艺公 司( a e m p ) 与索帕里奥( s u p 酣o r ) x i 业公司台资在阿肯萨斯州菲耶特维尔市建设 的全球第一个半固态模锻( s s f ) 铝合金轮毂厂投产，使铝合金轮毂生产又进入了一 9 沈阳理工大学硕士学位论文 个新阶段。1 9 8 1 年，美国凯泽铝及化学公司用挤压方法首次生产铝合金轿车整体 轮毂，其自径为4 5 7 2 毫米，用于装备8 0 年代中期前轮驱动的小型轿车【j 3 】。 作为汽车保安件的铸造镁合金车轮，己成为汽车制造业的全球化课题。福特 ( f o r d ) 汽车公司1 9 9 8 年元月推出的轻质概念车p 2 0 0 0 采用了3 1 k g 的压铸镁合金 车轮，比钢板冲压车轮轻5 k g ：日本轻金属株式会社用充氧压铸法成批生产了 a m 6 0 镁合金汽车轮毂和摩托车轮毂，与铝轮毂相比，重量减少了1 5 ；意大利 的菲皿特( f i a t ) 和美国的道屋( d o w ) 公司合作，选用a m 6 0 a 合金生产出了压铸镁 合金车轮，可满足使用要求；美国通用汽车公司研制的a m 6 0 b 镁合金压铸车轮， 在轮胎被扎穿后仍能以不高于4 8 k m h 的速度行驶，汽车不受损害。 为了减轻轿车轮毂重量，德国、日本、美国等汽车生产大国，对现有的铝合 金铸造轮毂进行改造，采用变形铝合金以铸造为原材料，通过锻造来成形该零件， 其目标是在2 0 0 5 年将现有的轿车轮毂由8 k g 减少到6 k g 。如果采用镁合金重量 可减少到5 k g 。对于开发研究镁合金轮毂等温锻成形技术，以提高镁合金性能和 降低成本的研究尚未见报道。 1 3 课题的目的、意义及内容 1 3 1 课题的研究目的和意义 镁是结构材料中最轻的金属，它的比强度、比刚度高，耐冲击和减震性能好， 还具有优良的切削加工性能和铸造性能，因此镁合金在航空工业、汽车工业和电 子通讯工业中正在得到广泛的应用。目前镁合金产品主要以铸造为主，虽然现在 的压铸成形技术相对比较成熟，但由于铸造本身对环境的污染及铸件产品性能的 可靠性、成品率、对设备的要求等的限制，更重要的是，铸造成型的镁合金产品 的强度较低，塑性成形产品比铸造成型产品有着更多的优点：比如强度高，可以 制成尺寸精确、表面质量更好的产品，因此对镁合金产品的塑性成形的研究工作 势在必行。日本、台湾和新加坡都己经在塑性成形技术开发和产业化方面取得了 一定的进展1 7 4 。国际镁协指出，虽然目前铸造镁合金占主要地位，但经过挤压、 锻造、轧制等塑性加工的镁合金产品具有更好的强度，更好的延展性和更多样化 的力学性能。 第1 章绪论 而在塑性变形镁合金中，镁铝锌系合金是发展最早、应用最多的一簇镁合 金。它的主要特点是强度高，能够进行热处理强化，并有良好的铸造性能。a z 8 0 这类变形镁合金可以制成板材、带材、型材、棒材、管材、锻件和模锻件，主要 用于承受中等载荷的零件和结构，板材还可以用作飞机及导弹的蒙皮、壁板及内 部构件。但是，镁铝锌系合金耐蚀性较差，屈服强度及耐热性不够高等问题成 了限制这类合金发展的瓶颈。要改善成品的各项性能关键是改善加工工艺从而提 高组织性能。但由于关于镁合金的工艺研究较少所以要进行大量的工艺探索才能 得到恰当的工艺参数。因此，建立相应的数学模型和进行计算机模拟，对变形过 程进行预测可大大降低研制周期和研制成本。 现在，我们的任务就是在其固有的优点之上，找到改善其存在问题的办法， 因此，本课题以镁铝锌系合金中的a z 8 0 镁合金为研究对象通过对热压缩试验得 出的大量试验数据的分析研究得出了变形工艺参数与变形行为的数学关系以及组 织和性能的变化规律，在计算机技术和有限元技术的基础上结合轮毂的塑性成形 特点，对a z 8 0 镁合金轮毅锻造过程进行数值模拟研究。通过研究可以实现成形 过程仿真预测，帮助工程技术人员了解a z 8 0 镁合金的塑性变形规律，认识镁合 金轮毂锻造成形特点，为实现工业化生产确定工艺提供有利的技术支持。 1 3 2 课题研究的主要内容 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 分析热力学参数( 变形温度、应变速率、变形程度) 对a z 8 0 镁合金高温 变形力学行为的影响，建立a z 8 0 镁合金的热加工图。 ( 2 ) 依据实验研究结果，建立a z 8 0 镁合金高温塑性变形时的流动应力模型。 ( 3 ) 通过不同变形温度、速率下的镁合金a z 8 0 金相组织观察，研究镁合金a z 8 0 的组织变化及动态再结晶 ( 4 ) 采用有限元法数值模拟技术，对a z 8 0 镁合金轮毂的锻造过程进行二维数 值模拟。研究其成形过程的特点以及变形工艺参数( 变形温度、摩擦、上模速度、 圆角半径) 对变形过程中应力和应变的影响。 沈阳理工大学硕士学位论文 第2 章实验材料及实验方法 为探索等温锻造条件下热力参数对组织演化及性能的影响，为a z 8 0 镁合金轮 毂的实际生产提供科学的理论依据和可行的热处理规范，本研究采用热模拟实验 对a z 8 0 镁合金的形变行为进行了研究，并进行金相观察，研究变形工艺参数对微 观组织的影响，为建立反映高温变形和微观组织演化共同作用的材料流变应力模 型奠定基础。 2 1 实验材料及实验设备 实验材料为a z 8 0 镁合金( 对应国内标准m b 7 ) ，由营口某有色金属加工厂生 产的直径为4 2 i g n 的棒材，其主要的化学成分见表2 1 所示，余量为m g 。 表2 1f i z 8 0 镁合金的化学成分 a 1z nm n m g 7 8 9 2 0 ，2 0 80 1 5 o 5 余量 试验中所用到的试验设备主要有g l e e b l e 1 5 0 0 d 热模拟试验机、光学z e i s s 金 相显微镜。 2 2 实验方案 2 2 1 试样准备 进行热模拟压缩试验时，在压缩过程中为防止压缩时试 件失稳，试样殷选取高径比小于1 5 ，此时其对实际单向抗 压强度的影响最小。因此，选择试样的原始高度h 为1 2 r a m ， 直径d 为8t o n i ，试样形状和尺寸如图2 1 所示。 图2 1 试样示意图 第2 章实验材料及实验方法 2 2 2 热变形压缩试验方案 为了确定a z s 0 镁合金的应力应变关系，选择的实验规范如下： ( 1 ) 变形温度( ) ：由于磊= o 3 棚5 珞，为了观察再结晶组织，变形温度从 2 0 0 开始至4 5 0 ，即：2 0 0 、2 5 0 、3 0 0 、3 5 0 、3 7 0 、3 9 0 、4 1 0 、4 3 0 、4 5 0 ； ( 2 ) 应变速率( s 1 ) ：0 0 0 5 、o 0 1 、o 1 、1 、l o ； ( 3 ) 变形程度：6 0 ； ( 4 ) 加热速度：5 s ( 5 ) 保温时间：3 分钟； ( 6 ) 冷却方式：压缩变形后直接水冷； ( 7 ) 实验设备：采用o l e e b l e 1 5 0 0 d 热力学模 拟试验机，对于不同的温度和变形速率下镁合金 变形性能进行研究。该机为计算机控制的电液伺旦 服闭环系统，主要由主机、液压源、电控柜、计 算机系统、真空系统以及急冷系统等部分组成。 根据该设备的功能，可以将其分为三个系统：计 图2 2 压缩实验示意图 算机控制系统、热制系统以及力学控制系统。用计算机可实现两个闭环控制，其 中，热控制系统采用电阻法加热试样，即用低频电流通过试样将其加热，整个加 热区温度均匀，径向温度梯度很小。力学控制系统可对载荷、位移、应力及应变 等进行实时检测。试样的实际温度由夹在试样表面的热电偶测量，并反馈回加热 控制系统。压缩实验示意图如图2 2 所示。 2 3 数学模型的建立及微观组织的观察 运用回归分析建立熟加工图和流变应力模型。将压缩变形后的圆柱试样沿压 缩轴从中间纵向剖开，观察剖面上的组织变化。用苦昧酸硝酸酒精溶液作为侵蚀 剂，以显示晶界。用光学z e i s s 金相显微镜观察组织。 9 沈阳理工大学硕十学位论文 2 4 锻造轮毂的有限元模拟 使用有限元模拟软件m a r c s u p e r f o r m 对a z 8 0 镁合金轮毂锻造过程进行模拟， 分析其应力、应变、温度和变形速率的变化。并与试验结果作对比，验证模拟方 法的准确性和可行性。 4 第3 章a z 8 0 镁合金高温变形时的流动应力模型 第3 章a z 8 0 镁合金高温变形时的流动应力模型 为了预测金属成形的过程，必须首先确定材料在热加工变形条件下的热力参 数之