（材料加工工程专业论文）az31镁合金心形件超塑气胀成形数值模拟与实验研究.pdf

哈尔滨理t 大学- 丁学硕十学位论文 a z 3 1 镁合金心形件 超塑气胀成形数值模拟与实验研究 摘要 镁合金是常用金属材料中最轻的一种，它的密度小，只有铝合会的 2 3 ，钛合金的1 3 ；具有高的比强度、比刚度、尺寸稳定性，也具有良好的 电磁屏蔽性、导热性，且易于回收；广泛应用于航空航天、汽车、通讯、和 电子工业。由于镁合金的六方晶体结构( h c p ) ，导致镁合金成形能力较低， 室温下用常规的塑性成形方法制造一些镁合金空心壳体零件是比较困难的。 因此，研究其在一定条件下是否具有超塑性能，采用超塑气胀成形，对扩大 其实际应用范围，形成较复杂形状的镁合金零件，将有较大的实际意义。 本文用有限元分析软件m s c m a r c 对a z 3 1 镁合金心形件恒应变速率 超塑气胀成形过程进行了数值模拟。运用组织超塑性理论，借助于粘塑性 刚粘塑性有限元法，设计了2 0 组模拟实验，对a z 3 1 镁合金心形件恒应变 速率气胀成形过程、胀形件壁厚分布以及成形温度和应变速率对胀形件壁厚 分布的影响进行了研究，并找到二者的最优组合。 同时对a z 3 1 镁合会心形件超塑气胀成形模具进行了设计，结合数值模 拟得到的最优化的成形温度以及胀形加压规律，进行了a z 3 1 镁合金心形件 的超塑气胀成形实验。得到了胀形试样的壁厚分布规律并对其进行了分析， 然后与数值模拟结果进行了对比分析，将数值模拟建模、工艺参数处理和实 验条件对心形件超塑气胀成形模拟和实验间误差的影响进行了分析。从而为 指导超塑胀形实验及生产，预测成形缺陷提供了一条有效途径。 最后对所得胀形件沿对称截面和角部截面共1 6 个取样点进形了金相分 析，并用直线截距法计算出各点的晶粒尺寸。结果表明：所有取样点晶粒尺 寸均有不同程度的长大；晶粒长大的程度与取样点胀形高度、取样点所在曲 面曲率以及壁厚减薄量有关。 关键词镁合金；心形件；超塑胀形；数值模拟；实验研究 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a ls t u d y o ns u p e r p l a s t i ca i r - b u l g i n go fa z 31m a g n e s i u m a l l o yh e a r t s h a p e dp a r t a b s t r a c t m a g n e s i u ma l l o yi so n eo ft h el i g h t e s to ft h o s ea l l o y su s e da st h eb a s i so f c o n s t r u c t i o n a lm a t e r i a l s i t ss p e c i f i cw e i g h ti ss m a l l ，a n do n l yt w ot h i r d so ft h e a l u m i n u m a l l o y ，o n e t h i r d so ft h et i t a n i u m a l l o y i t i se x c e l l e n ti n s t r e n g t h d e n s i t yr a t i o ，r i g i d i t y d e n s i t yr a t i oa n dd i m e n s i o n a ls t a b i l i t y a n d m a g n e s i u ma l l o yi sc h a r a c t e r i z e db ye l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n g ，t r a n s c a l e n ta n d r e c y c l a b l e m a g n e s i u mi sw i d e l yu s e di nt h ef i e l d so fa e r o s p a c e ，a u t o m o t i v e c o m m u n i c a t i o na n de l e c t r o n i ci n d u s t r y h o w e v e r ，m a g n e s i u ma l l o y sg e n e r a l l y e x h i b i tp o o rw o r k a b i l i t yb e c a u s eo fh e x a g o n a lc l o s ep a c k e d ( h c p ) s t r u c t u r e i ti s d i f f i c u l tt of a b r i c a t eh o l l o ws h e l lm a g n e s i u ma l l o y sp a r t sb yc o n v e n t i o n a lp l a s t i c f o r m i n g t h e r e f o r e ，t h e r ew i l lb em o r ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo ni t sp r a c t i c a l a p p l i c a t i o nt ot h ee x p a n s i o no ft h es c o p eo fam o r ec o m p l e xs h a p eo fm a g n e s i u m a l l o yp a r t s ，w h e t h e ro rn o ti th a ss u p e r p l a s t i c i t ys t u d yu n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n s u s i n gs u p e r p l a s t i cb u l g i n gf o r m i n g i nt h i s p a p e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fc o n s t a n ts t r a i nr a t es u p e r p l a s t i c b u l g i n go fa z 3 1m a g n e s i u ma l l o yh e a r t s h a p e dp a r tw a sa n a l y z e dw i t ht h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r em s c m a r c w i t hs t r u c t u r a l s u p e r p l a s t i c i t yt h e o r y a n dv i s c o p l a s t i c i t y r i g i d - v i s c o p l a s t i c i t yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h ea i r b u l g i n g p r o c e s so fa z 3 1 m a g n e s i u ma l l o yh e a r t s h a p e dp a r t ，t h et h i c k n e s sd i s t r i b u t i o n s o ft h eb u l g i n gp a r t sa n dt h ei n f l u e n c e so ft e m p e r a t u r ea n ds t r a i nr a t eo nt h e b u l g i n g p r o c e s sw e r es t u d i e da n dt h eo p t i m a lm o d e lw a so b t a i n e dw i t h i n2 0 g r o u p so fs i m u l a t i o np a r a m e t e r sd e s i g n e d t h e a i r b u l g i n g d i ew a s d e s i g n e d f o r e x p e r i m e n t a ls t u d yo fa z 31 m a g n e s i u ma l l o yh e a r t - s h a p e dp a r t ，a n dt h es u p e r p l a s t i ca i r - b u l g i n ge x p e r i m e n t i i 哈尔滨理t 大学下学硕i j 学位论文 w a sc a r r i e do u ts u c c e s s f u l l yw i t ht h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r i n gc u r v eo b t a i n e d f r o mt h e o p t i m a l m o d e li nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e nt h et h i c k n e s s d i s t r i b u t i o n so ft h eb u l g i n gs p e c i m e nw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t ht h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n do b t a i n e dt h ei n f l u e n c et e n d e n c yo fn u m e r i c a lm o d e l a c c u r a c y 、p r o c e s sp a r a m e t e r sa n de x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n so nt h ea i r - b u l g i n g p r o c e s so fa z 3 1m a g n e s i u ma l l o yh e a r t s h a p e dp a r t s ot h er e s u l tc a nu s e df o r p r e d i c t i n gf o r m i n gd e f e c ta n dg u i d i n gb u l g i n ge x p e r i m e n t s m e a n w h i l e ，16s a m p l e sw e r em a d ea l o n gt h eb u l g i n gs p e c i m e n s s y m m e t r i c a l s e c t i o na n di t s u p c o m e r s e c t i o nt o i n v e s t i g a t e h o wt h e m i c r o s t r u c t u r eo fa z 31 m a g n e s i u ma l l o yh e a r t s h a p e dp a r tc h a n g e dd u r i n gt h e a i r - b u l g i n gp r o c e s s t h ea v e r a g eg r a i ns i z e so ft h es a m p l e sw e r em e a s u r e dw i t h l i n e a ri n t e r c e p tm e t h o d ，a n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a tg r a i ns i z ew a si n c r e a s e di n e a c hs a m p l ep o i n t a f t e rf u r t h e ra n a l y z i n g ，t h eg r o w t h so fg r a i n sw e r er e l a t e dt o b u l g i n gh e i g h t ，t h i c k n e s sr e d u c t i o na n ds u r f a c ec u r v a t u r eo f t h es a m p l i n gp o i n t s k e y w o r d sm a g n e s i u ma l l o y ，h e a r t s h a p e dp a r t ，s u p e r p l a s t i cb u l g i n g ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n t a ls t u d y i i i 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 l 镁合金心形件超塑气 胀成形数值模拟与实验研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期间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： f ) 5 、吩 f 日期：圳年弓月佣 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 a z 3 1 镁合金心形件超塑气胀成形数值模拟与实验研究系本人在哈尔 滨理工大学攻读硕士学位期间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。 不保密囹 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： i ，置髟争 导师签名：寸秀焉， 日期：唧年弓月，r 同 日期。叫年弓月d 同 哈尔滨理t 大学t 学硕l ：学位论文 1 1 镁合金发展概述 第1 章绪论 随着航空航天、交通运输、信息产业的发展，新型轻合金材料的研发逐渐受 到各国的高度重视。在许多领域，传统钢铁材料已逐渐被各种综合性能更为优良 的新型材料所替代。 镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料，具有密度小、强度高、阻尼 性、切削加工性和铸造性能好【i i 的优点。因此，越来越多的镁合金产品已用于汽 车、通讯和航天工业中【2 巧j 。但是，作为一种新兴材料，镁的现有使用状况远没有 充分发挥它的潜在优势，镁合金在实际工业应用方面的发展远不及铝合金和钢铁 工业，其规模只有铝业的1 5 0 ，钢铁工业的1 1 6 0 6 1 。现代科技和相关产业技术的 发展，使镁合金各项独特优点同臻完善，应用范围迅速扩展，特别是汽车及 3 c ( c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n 。c o n s u m e re l e c t r o n i c sp r o d u c t s ) 用镁合金零部件的大 量应用【7 1 。镁合金凭借其优异的性能以及低迷的原镁价格，促使包括中国在内的 世界各国相继设立相关研究课题，并投入大量的人力物力。我国目前在镁工业方 面拥有三项“世界冠军 ，即储量、生产、出口 s l ，因此利用资源优势开展镁合 金的研究显示出其诱人的前景【9 i 。镁合金的研究开发与应用已成为材料研究的一 大热门，其研究成果也在各个领域得到应用【l 0 1 。 1 2 金属镁及其合金的特性 金属镁及其合金是迄今在工程中应用的最轻的结构金属材料1 。镁的密度为 1 7 4 9 c m 3 ，是铁的1 4 ，铝的2 3 。它也是地壳中含量最丰富的元素之，约占地 壳组成的2 5 ，主要以白云石( 碳酸镁钙) 、菱镁矿存在。镁的熔点是6 5 0 ( 1 2 0 2 0 f ) ，与铝的熔点大致相等。熔化的镁应注意不能与空气接触，以免与其中 的氧和氮发生化学反应。镁大多以铸件或锭料的固体形式存在，很少引起火灾。 镁合金是一种能够满足各个领域的需求、发展前景极为可观的轻质合金材 料。若与目前的主流材料相比较，镁合金产品的主要优点大概体现在以下的几个 方面1 1 2 - 1 8 】： 1 重量轻：镁合金的比强度要高于铝合金、钢和铁，但略低于比强度最高 哈尔滨理t 大学r t 学硕j ：学位论文 的纤维增强塑料；其比刚度与铝合金、钢和铁相当，但却远远高于纤维增强塑 料。在实用金属结构材料中其比重最小。 2 高的阻尼和吸震、减震性能：镁合金具有极好的吸收能量的能力，可吸 收震动和噪音，保证设备能安静工作，这个特性对于用作设备机壳以减少噪音传 递、提高防冲击、预防凹陷性的损坏十分有利。 3 良好的抗冲击和抗压缩能力：其抗冲击能力是塑料的2 0 倍；当镁合金工 件受到冲击时，在其表面产生的疤痕比铁和铝都要小的多。镁合金具有吸收弹性 能的特性，能产生良好的冲击强度与压缩强度的组合。 4 尺寸稳定性：在1 0 0 以下，镁合金可以长时间保持其尺寸的稳定性( 事 实上几乎观察不到工件尺寸的变化) ；不需要退火和消除应力就具有尺寸稳定性 是镁合金的一个很突出的特性。 5 良好的机械加工性能：镁合金的切削阻力小，约为钢铁的1 1 0 ，铝合金 的1 3 ，其切削速度大大高于其他金属，切削加工时间短；易进行切削加工而且 加工成本低，加工能量仅为铝合金的7 0 。 6 良好的耐蚀性：在大气中，镁具有很好的耐蚀性，比铁的耐蚀性好。另 外，镁合金中的铍和钙可提高其耐蚀性b 9 , 2 0 。 7 高散热性：镁合金具有高的散热性，很适合现今利用其设计制作元件密 集的电子产品。 8 良好的电磁干扰屏障：镁合金具有优于铝合金的磁屏蔽性能、更良好的 阻隔电磁波功能，更适合于制作发出电磁干扰的电子产品。 9 低热容量：镁合金的热容量比铝合金小，因此不容易粘烧在模具上，延 长模具寿命。 1 0 再生性：在环保意识高涨的大环境下，比起无法回收的填加碳纤维( 或 金属粉末) 塑料，或者含有毒抗燃剂的抗燃塑料来，镁合金显然占了极大的优 势，称得上是对环境相当友善的材料，兼顾了环境协调性和可持续发展的特点。 1 3 超塑性研究概述 1 3 1 超塑性历史及发展现状 金属超塑性是当今世界材料学五大前沿研究课题之一，发展速度较快，成就 大，从偶然发现的金属材料延伸率超常现象开始，进而研究其力学性能、变形机 理直至应用研究，超塑。i 生( s u p e r p l a s t i c ) 研究发展经历了漫长的历程。早在1 9 2 0 年 哈尔滨理下人学t 学硕i ? 学位论文 德国的w r o s e n h a i n 等人【2 1 1 在研究z n - 4 c u - 7 a l 三元共析合金板材时，发现快 速弯曲冷轧板才会很快折断，而在慢速弯曲时，即使弯曲试验时发现了与加载速 度密切相关的奇异现象，这种在快速弯曲时会很快折断的材料，在慢速弯曲时， 即使弯成1 8 0 。也未出现裂纹。1 9 3 4 年，英国c e p e a r s o n t 2 2 i 就对s n 3 7 p b 和 b i 4 4 s n 共晶合金进行缓慢拉伸时，得到了延伸率为1 9 5 0 的试样，而这种材 料在落地实验中呈脆性断裂，这在当时凭常识无法解释的现象引起了人们的注 意。 1 9 6 2 年美国人e e u n d e r w o o d f 2 3 i 发表了一篇评论性文章，全面介绍了各国超 塑性的研究成果，并从冶金学的角度分析了实现超塑性的可能性，产生条件及基 本原理。人们评价这篇文章是超塑性研究的总结。从而引起了人们对超塑性愈来 愈多的重视。 1 9 6 4 年美国麻省理工学院w a b a c k o f e n 等人1 2 4 对超塑性力学特性进行了分 析研究，做出了很大的贡献，他引入了与应变应力有关的应变速率敏感性指数m 值，提出了应力仃与应变速率舌的关系式。他把m 值与超塑性对应起来，并提出 了测定m 值的方法。 1 9 7 0 年美国t h t h o m s e n 等【2 5 1 使用外经为2 0 3 m m ，壁厚为1 0 2 m m 的z n 2 2 a 1 共析合金管在2 6 5 及2 m p a 的气压下，吹制成具有凸杜及精细花纹的花 瓶，说明超塑性和仅适用于制度作形状复杂的精密零件。到1 9 7 5 年短短几年的 时间内发表的超塑性文献达5 0 0 余篇，标志着超塑性领域已经成为国际性的研究 课题1 2 6 i 。 八十年代中期，由于陶瓷材料超塑性的发现，超塑性研究取得了突破性进 展，超塑性研究范围由金属材料扩展到了非金属材料范畴。此后，材料超塑性及 超塑成形技术得到了各国学者的协同研究和开发，各种新型材料( 如金属间化合 物、金属基复合材料、陶瓷及其复合材料等) 超塑性以及高应变速率超塑性相继 发现金属超塑性概念逐步发展成为广义的材料超塑性。 目前，超塑性研究已成为世界性热门研究课题之一，这一点从历次国际超塑 性学术会议的文献和笔者收录的有关资料也可以清楚地看出。总的说来，金属及 其合金的超塑性研究一直是超塑性研究领域的主角，无论从历届国际超塑性学术 会议发表论文总数还是实际应用情况来看都是如此。金属材料超塑性研究对象包 括钛合金、铝合金、铁合金、铜合金、镍基合金以及黑色金属等，其中以铝合 金、钛合金、铜合金的研究和应用的最多，其成形技术也比较成熟，已在航空航 天和兵器制造业得到广泛应用。从近年来国外的发展趋势来看，金属材料超塑成 形技术已从航空航天和民用工业的研究、试制、装机使用，发展到批生产阶段， 哈尔滨理下大学工学硕十学位论文 特别是在民用工业发展很快，己经发展应用于车辆、船舶、仪表、医疗器械、电 器、家具等多种行业。 此外，高应变速率超塑性研究，也是超塑性研究的热点之一。由于大多数材 料发生超塑性变形的应变速率很低【2 7 1 ，与其他制造工艺相比，超塑成形的速率缓 慢，耗费时间长，研究和开发高应变速率条件下具有超塑性的材料及超塑成形工 艺对工业应用来说是非常有意义的。国外的研究己证明：通过机械合金化、非结 晶粉末固化和物理雾化沉淀等方法减小晶粒尺寸，可以获得高应变速率条件下的 超塑性，这方面日本的研究水平处于领先地位。高应变速率超塑性的获得为材料 超塑性研究展现了更为广阔的应用前景。 总之，超塑性研究无论从深度还是广度方向都在进一步发展之中。 1 3 2 镁合金超塑性的发展 一般来说镁合会都要进行晶粒细化处理才具有超塑性。经过细化处理的镁合 金显微组织由于基体内弥散分布大量第二相粒子，在超塑变形时能够获得稳定、 等轴的细晶结构，因而超塑效应十分显著。经研究表明，即经验镁合金晶粒细化 过程可分为 2 & 3 0 】： 1 冷( 热) 轧和静态或动态再结晶结合； 2 机械冶金方法； 3 快速凝固粉末； 4 挤压； 5 大塑性变形如等通道角式挤压( e c a e ) 或扭转应力变形等。 1 9 9 9 年m m a b u c h i 等人应用等通道角式挤压( e c a e ) 制成a z 9 1 ，可得到 0 5 a n 的细晶粒，在4 2 3 k 的低温下，获得超塑性行为。2 0 0 1 年w a t a n a b e 等人 应用粉末冶金加工的m g z n z r 合金( z k 6 1 ) ，可得到o 6 5 a m 的细晶粒，在4 7 3 k 的低温和高应变速率( 1 0 也) 下，获得超塑性行为。表明低温高应变速率镁合金的超 塑性取决于晶粒尺寸的影响。另外一些国内外镁合金超塑性性能参数如表1 1 所 示【3 。 陈拂晓【3 2 】研究了m b 2 6 镁合金超塑性拉伸时，在4 0 0 ，毒= 1 1 7 x 1 0 也s 1 的 变形条件下万= 1 4 5 0 ，盯= 8 7 m p a ，m 值为0 6 ，超塑性压缩时，在4 0 0 、 营= 8 3 x 1 0 弓s 一，变形条件下压缩真应变s 高达2 1 8 以上，仃= 1 8 m p a ，m 值在o 4 以上。对于m b 8 镁合金板材1 3 引，当晶粒度为6 8 a n ，初始应变速率为0 2 2 x 1 0 。 卜s1 时，在3 5 0 - 4 0 0 变形温度下，具有良好的超塑性，最大延伸率为3 1 2 。 表1 1 一些镁合金超塑性性能参数 t a b l el - 1s u p e r p l a s t i cp r o p e r t i e sp a r a m e t e ro fs o m em a g n e s i u ma l l o y s 刘满江【3 4 】等人对镁合金a z 3 1 在6 2 3 k 7 2 3 k 和l 1 0 巧1 1 0 4 s 。1 的实验条件下均 显示出良好的超塑性。当温度为6 7 3 k 和应变速率为3 1 0 。5 s d 时最大延伸率可达 3 1 4 ，m 值为0 4 。a z 3 1 镁合金在超塑性变形过程中存在动态再结晶。陈培生 3 5 1 等人用搅拌法制备了以m b 2 为基、以s i c 颗粒微增强体的镁基复合材料，在 温度为5 2 5 、应变速率为2 0 8 x 1 0 以s 一时，m b 2 1 0 s i c 最大延伸率可达 2 2 8 ，m 值为o 3 9 。 为了提高镁合金的结构应用，诸如轧制、挤压、锻造和压力成形一类的塑性 成型技术的发展是很合乎需要的。可是，镁合金由于是密排六方结构，使其表现 出难成形性。所以通过超塑性成形技术的发展，来提高镁合金的成形性是很重要 的。近年来，较高的应变速率超塑性( h s r s ) 在镁合金和镁基材料中己经被广泛的 研究f 3 6 1 。在一系列用粉末冶金【3 7 埽口机械合金方法制成的镁合金和镁基复合材料 中，获得了高应变速率超塑性( 舌l x l 0 。2 s q ) ，这类合金的组织特点是更易得到更 小的晶粒尺寸。 目f j 已经发现所研究的镁合金和镁基复合材料在6 2 3 k 高温下显示高的应变 速率超塑性( h s r s ) 存在【3 8 l 。另一方面合金中研究低温超塑性( l t s p ) 很少i 3 9 1 。一个 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 相对较低的形成温度能够减小能量的损耗，减小氧化表面并且能够阻止合金添加 物选择性的减少。另一个集中在低温的原因是为了探究超塑性低温极限。到目前 为止已经报道过的镁合金中的l t s p 主要变形机理与在高温下的是一样的。 日本的h i r o y u k iw a t a n a b e 4 0 1 研究的在镁基复合材料平均晶粒尺寸为1 7 k a n ， 超塑温度大约在绝对熔点的一半时，显示出高于3 0 0 的断裂延伸率。表明了在 较高应变速率或者在低温下表现出超塑性取决于晶粒尺寸的影响。 虽然镁合会具有优良的性能，但是镁合金的价格和镁合会产品的成本还较 高，大规模的应用还有一定的困难。随着镁合金加工技术( 包括压铸技术、快速 凝固技术、半固态挤压技术和镁基复合材料，精密板材成形等) 的发展，使得人 们可以得到高质量的镁合金产品，镁合金的应用仍将具有巨大的潜力。众所周 知，由于压铸镁合金的强度和塑性低于变形镁合金，所以可以预测，镁合金板材 的成形技术在材料加工领域具有重要研究潜力和重大经济意义。 1 3 3 超塑性变形的特点 金属和合金在特定的组织结构和变形温度速度条件下，可以呈现异常高的塑 性，延伸率可达百分之几百，甚至百分之一千，变形抗力小，这种现象叫做超塑 性。与普通塑性变形相比，超塑性变形有以下几个方面的特点： 1 多数塑性材料都是细晶组织。晶粒尺寸在超塑变形过程中比较稳定且基 本保持等轴性。 2 只有在较高的温度( 丁o 5 乙，l 为材料熔点) 和特定的应变速率范围( 通 常10 之 - 1 0 4 s 。1 ) 的条件下材料才呈现超塑性。 3 超塑性变形的应力和应变速率的双对数关系曲线呈s 形( 图1 - 1a ) ) 。把曲 线分为三个区域，即图中的i 区、i i 区和i i i 区。超塑性发生在i i 区。获得最大的 超塑延伸率的应变速率范围通常与这一曲线斜率最大的范围对应。 4 图1 1 曲线用b a c k o f e n 提出的超塑性流动方程来描述：仃= 胎卅式中k 为材料系数，m 为流动应力的应变速率敏感性指数，定义为m = l g o - l g 叠，就是 曲线的斜率。它是表征材料超塑性能力的重要指标。所值在i i 区有最大值( 图1 1b ) ) 。超塑材料的m 值处于0 3 - 0 9 之间。一般约为0 5 。 5 在超塑拉伸过程中，颈缩的发展不明显或扩展很缓慢，一般认为这是由 于高的应变速率敏感性所致。 6 通常在i i 区有大量的晶界滑动现象1 2 7 1 3 2 羽，且超塑拉伸的断裂伴随大量的 空洞。 哈尔滨理t 大学丁学硕l ：学位论文 i g o r a ) i ii b ) l g g 幻应力与应变速率关系的示意图 b ) 应变速率敏感性指数与应变速率关系图 图1 1 应力和应变速率敏感性指数与虑变速率关系示意图 f i g 1 - 1r e l a t i o n s h i po fs t r e s sa n ds t r a i nr a t es e n s i t i v i t yi n d e xw i t hs t r a i nr a t e 1 3 4 镁合金超塑成形工艺 由于镁合会的六方晶体结构，导致镁合金成形能力较低，用常规的塑性成形 方法制造一些镁合金空心壳体零件是比较困难的。因此，研究其在定条件下是 否具有超塑性能，采用超塑气胀成形，对扩大其实际应用范围，将有较大的经济 意义。 超塑性一般指多晶体材料在拉伸变形过程中，变形应力对应变速率有显著相 关性，没有明显颈缩而伸长率达到百分之百以上的塑性变形现象。它发生在绝对 温度为合金熔点的一半以上。超塑性成形可实现低塑性材料或复杂形状零件的有 效成形，因而利用镁合金的超塑性发挥镁合金的加工及应用潜力的研究很有意 义。金属的超塑性一般分为结构超塑性和相变超塑性。 一般来讲，合金要获得超塑性其晶粒要求在1 0 a n 以下，目前应用于镁合金 晶粒细化的处理工艺主要有挤压和轧制1 4 l 4 2 1 、等通道角挤( e q u a lc h a n n e la n g u l a r e x t r u s i o n ，e c a e ) 、快速凝固、粉术冶金等。其中，挤压和轧制是比较成熟的工 艺，通过挤压或反复轧制处理，可以获得晶粒细小的镁合金组织，等通道角挤 ( e c a e ) 能够产生强烈的塑性变形，获得1 , u r n 以下的超细晶粒。 利用细晶镁合金的超塑成形( s u p e r p l a s t i c i t yf o r m i n g ，s p f ) i 艺可以成形形状 复杂的结构件，应用于镁合金的压力加工、等温锻造、超塑性气胀成形、扩散连 接等技术中，在航空航天、汽车等行业将得到应用。 相对于镁合金材料塑性加工成形的各向异性1 4 扪，镁合金材料的超塑性特性则 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 是以各向同性状态表现，而且在材料破裂前，可以达到非常高的延伸率，通常都 能超过定义超塑性材料的最低延伸率3 0 0 以上。在此延伸率下，镁合金材料将 可以更容易填充模穴，而更可能以近净形( n e a rn e ts h a p e ) 的方式完成加上，制造 出复杂形状的上件。镁合金材料的超塑性流动特性，不仅包含了非常大的延伸 率，而且具有非常低的流动应力( f l o ws t r e s s ) ，因此，超塑性成形可以使用气压 为介质来进行。因此，对于镁合金材料在超塑性成形领域的研究开发，也是促进 镁合金材料应用的重要途径之一。 1 4 有限元模拟在超塑性方面的研究进展 板材超塑成形的数值模拟是国际上研究的主要问题之一，然而多数的研究还 集中在汽车、航空航天等制造业之中。在其初始阶段，数值模拟被看作是一种帮 助理解会属行为的工具，而从更高的认识水平上讲，数值模拟被看作是影响经济 效益的强大工具。以前，成形件的质量安全依靠经验积累，从而使质量控制难以 保证，并且一个新产品的发过程也较长。自从有限元方法应用于模拟板材成形之 后，使传统的工业制造方法得到很大的提高。通过众多学者的完善，板材数值模 拟现在已经能够预测零件的成形过程，估计成形过程中变形和应力、应变分靠， 预报成形过程中可能出现的缺陷，从而不断修正最初的设计，尽量完善成形所必 需的模具结构，并且优化加载过程。 板材成形数值模拟的核心是有限元法1 ，按照本构方程和有限元列式的求解 算法的不同，有限元方法具有不同的分类。按照本构关系的不同，材料非线性有 限元法可分为弹塑性有限元法、刚塑性有限元法、粘塑性有限元法等等。根据计 算平衡方程式中是否考虑惯性力的作用，又将有限元方法分为动态解法和静态解 法。而根据非线性方程的解法不同又区分为隐式和显式解法。在板材成形过程模 拟有限元方法上，动态显式解法及静态隐式解法应用较多。 与通常的板料弹塑性有限元模拟不同，超塑性板材数值模拟采用刚粘塑性有 限元法。它所解决的问题主要是预测制件成形过程及最终的壁厚分布，提供优化 的加载曲线，对实际的工艺过程提供最佳的工艺参数等。 超塑性板材成形数值模拟同非超塑性板材一样，也是一个高度材料非线性、 几何非线性、边界非线性问题。超塑性板材与非超塑性板材模拟不同点是，在模 拟过程中应采用特有的加载算法，控制超塑成形在最佳条件下进行。英国 r d w o o d t 4 5 j 等人和美国的n c h a n d r a 4 6 1 等人进行了早期的这方面研究基本是由一 维加载问题扩展到三维情况，保证成形过程中等效应变速率取得最佳值。西班牙 哈尔滨理t 大学t 学硕i j 学位论文 的o b a l d o 和j d i a z 用a b a q u s 软件模拟了a 1 l i 合金帽形件和t i 6 a 1 4 v 的 双层板的s p f d b 过程1 4 7 i 。我国的哈尔滨工业大学的张凯锋、陈科斌、吴为采用 四节点壳元和三角形膜元，用罚函数法和l a g r a n g e 法对超塑性板材胀形及超塑 成形扩散连接过程进行了模拟【4 8 i 。邢会林f 4 9 1 采用三角形膜元对三维超塑性板材成 形过程进行模拟。总的看来，在超塑性板材成形过程的数值模拟方面，我国和国 外水平相差并不大。 1 5 课题研究的目的、意义及主要研究内容 由于镁晶体为密排六方结构，基体的独立滑移系少【5 0 1 ，室温塑性低，塑性成 形能力差，用常规的塑性成形方法制造一些镁合金空心壳体零件是比较困难的。 镁合金在压铸成形领域优先得到了重视和发展。但变形镁合金与铸造镁合金相 比，前者可使镁合金材料获得更高的强度，更好的延展性及更多样化的力学性 能，可以满足不同场合结构件的使用要求。因此，为了推动镁合金在航空、航 天、汽车、摩托车以及3 c 产品中大量应用，研究其在一定条件下是否具有超塑 性能，采用超塑气胀成形，对扩大其实际应用范围，发展中国的镁工业，将有较 大的经济意义。 基于以上分析，本文旨在前人研究基础上，利用计算机对所给a z 3 1 镁合金 心形件的胀形过程进行有限元数值模拟，对镁合金心形件在不同成形温度和应变 速率下的胀形规律进行了分析，在设计的多组模型中找出胀形质量最好的零件模 型，接着对镁合会心形件胀形模具进行了设计，并用模拟得到的工艺参数来指导 a z 3 1 镁合金心形件的胀形实验，然后对胀形试样进行了分析，并与数值模拟得 到的结果进行了对比，对心形件实际胀形对过程中可能出现的问题以及心形件自 身形状对胀形过程的影响进行了初步探讨。 课题完成后，其成果可以推广应用到汽车、摩托车等交通工具上，笔记本电 脑外壳、手机外壳、摄像机、数码相机、电视、投影仪、音响等电子和通讯器材 上。可以起到节省能源、保护环境等作用，经济效益和社会效益巨大。 该课题是在m a r c 软件基础上进行a z 31 镁合金心形件超塑气胀成形过程的 计算机模拟，对成形温度和应变速率对恒应变速率胀形试件质量的影响进行了分 析，并找出二者的优化组合，然后指导心形件的超塑胀形实验，从而达到指导生 产，预测缺陷的目的。 本文主要研究内容有： 1 分析a z 3 1 镁合金心形件恒应变速率超塑气胀成形过程，预测工件的成形 哈尔滨理t 人学t 学硕 ：学位论文 缺陷，如缩颈、破裂。 2 研究应变速率和成形温度对a z 3 1 4 二, 形件胀形质量的影响规律。 3 按照安全、经济、简单和易用原则，设计a z 3 1 镁合金心形件恒应变速 率超塑气胀成形模具。 4 对模拟得到的工艺参数进行处理，然后指导并进行a z 3 1 镁合金心形件 超塑胀形实验，并将模拟和实验结果进行对比，分析产生误差的原因。 5 对胀形试件进行金相分析，探讨试样在胀形过程中的晶粒长大以及成形 机理。 哈尔滨理t 大学工学碗十学位论立 第2 章a z 3 1 镁合金轧制板及其超塑性参数的测定 2 1a z 3 1 镁合金轧制板的制备 2 1 1a z 3 1 原始板材 a z 3 1 镁合盒成分见表2 - 1 。 表2 - 1a z 3 l 变形镁合金的化学成分( 卅) t a b l e2 - it h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n s o f w r o u g h t m a 目e s i u ma l l o y ( w t ) a l z nm n c a s ic u m g 25 3506 l4 02 - 10 o0 40 10 0 1 余耸 微观组织1 如图2 - 1 ，其晶粒尺寸为平均尺寸为2 0 岬，且大小不均，需要细 化晶粒提高塑性性能。 图2 一l 变形镁台金板材金相图 f i g2 - 1m e t a l l o g r a p ho f w r o u g h tm a g n e s i u ma l l o ys h e e t 2 1 2a z 3 1 轧制板材 本文所用的a z 3 1 板材，是由中6 0 m m 的a z 3 1 镁台会挤压棒材经过1 0 0 0 k n 超 塑成形压力机热压成厚度为1 5 m m 的板坯，再经过轧制工艺，而获得的l m m 厚的 薄板。如图2 - 2 所示。 哈尔滨理t 大学t 学硕。 ：学位论文 斗虱一拶崩 a )b )c ) a ) 棒材b ) 坯料e ) 薄板 图2 - 2 镁合金板材加上流程示意图 f i g 2 - 2f l o ws c h e m a t i cp l a no fm a g n e s i u m s h e e tp r o c e s s 粗轧：在保证了预热温度的情况下开始粗轧。使用石蜡作为润滑剂，咬入时 降低轧辊速度，稳定后升高轧辊速度。粗轧共分两道次，压下量较大，第一道次 压下率为1 6 7 ，第二道次为1 2 1 。为了减少热轧时的温降，轧辊速度较高。 加热：在轧完前两道次后，需将板料和轧辊重新加热至3 2 0 ，再进行后两 个道次的轧制，以防止粗轧期间的热量散失使镁合金的塑性下降，造成轧裂。 中轧：中轧时板料越薄，温度下降的越快，板料的塑性越差，容许的压下量 也随之降低，降为7 5 。平均轧制压力也随之升高。中轧温度很重要，轧辊温 度过低会降低合金的轧制性能和表面质量，温度过高则难以保证板平直度。在中 轧过程中，随着温度的散失，轧辊平均温度维持在2 0 0 - 、- 2 5 0 c ，这很适合a z 3 1 镁合金板的轧制。 精轧：精轧尺寸决定了板的最后尺寸，因此非常重要，在这一道次，由于板 料已经很薄，因此压下量降为4 2 。精轧时的温度为热轧终了温度，它对所轧 制板的组织和性能影响很大。终轧温度过高容易发生聚集再结晶，产生粗大晶 粒。温度过低会引起金属的硬化和轧制能量消耗增大。中轧进行一道次后直接进 行精轧，板坯的温度逐渐降低，轧件可以得到与冷轧制品相似的温度。 热处理：板在轧制到规定尺寸以后要进行退火热处理。这可以消除偏析、降 低镁合金板的硬度、消除加工硬化，细化晶粒，减少内应力。本实验采用箱式电 阻空气循环加热炉将板加热n 2 5 0 ，保温1 小时。然后缓慢冷却至室温对其退 火。 对镁合金的热轧制可以细化晶粒，均匀材质，会很高程度地提高镁合金板的 塑性性能，由于本文要用此薄板做超塑气胀成形实验，因此必须对薄板进行热轧 处理以达到晶粒尺寸要求。具体过程及参数见图2 3 。 哈尔滨理t 大学t 学硕i j 学位论文 按照每道次减薄率3 - 5 冷辊轧制 道次间极材加热至3 5 0 左右，保温2 0 m i n 图2 - 3a z 31 镁合金板材轧制工艺流程 f i g 2 - 3s h e e tr o l l e dp r o c e s sf l o wo f a z 3 1m a g n e s i u ma l l o y 1 3 哈尔滨理工人学t 学坝h 学位论文 2 1 3a z 3 1 轧制板的组织和性能 a z 3 1 变形镁合金原始板的金相组织表明：镁合会晶粒平均尺寸为2 0 p n 且 大小不均，还存在微小的缩孔和夹杂物。轧制后所得的厚度为l m m 的镁合会板 的金相组织如图2 - 4 所示。 图2 _ 4 轧制后的镁台金板金相幽 f i g2 4m e t a l l o g r a p ho f w r o u g h t m a g n e s i u ma l l o ys h e e to f r o l l e d