（材料加工工程专业论文）细晶镁合金薄板超塑气胀成形有限元模拟与分析.pdf

哈尔滨理t 大学丁学硕 ：学位论文 细晶镁合金薄板超塑气胀成形有限元模拟与分析 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p l 收；广泛应用于航窄航天、汽车、通讯、和 电子工业。所以说研究镁合会的成形规律、成形模拟技术对于实现镁合金 加工的实用化和产业化具有重要的现实意义和经济价值。 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 用常规的塑件成形方法制造一些镁合会空心壳体零件是比较闲难的。因此， 研究其在一定条件下足否具有超塑性能，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。 本文利用有限元分析软件m a r c 模拟了镁合金半球件，方盒形件和阶梯 形件的超塑成形过程。优化了超翅成彤过程中镁合金半球件，方盒形件和阶 梯形件的成形工艺参数。分析了半球件，方盒形件和阶梯形件在超塑成形的 不同阶段小同区域的厚度分布和应变速率分布。确定了模具结构、摩擦系 数、应变速率敏感性指数、成形压力对镁合金方盒形件和阶梯形件的超塑成 形的影响规律，为镁合金板材超塑气胀成形实验研究奠定了基础。 通过数值模拟研究，确定了镁合金板材超颦成形时合理的j 艺参数范 围。并通过半球形件模拟和实验的对比验证了模拟的准确性，从而用模拟来 进一步指导实验。 关键词镁合金：气胀成形；数值模拟；成形压力；应变速率敏感性指数 哈尔滨理t 人学t 学硕 学位论文 s t u d yo nf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no f s u p e r p l a s t i cg a sb u l g i n gf o rf i n e - - g r a i n e d m a g n e s i u ma l l o y ss h e e t s ab 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 y r 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 s o ，s t u d yo nt h ef o r m i n go fm a g n e s i u m a l l o y s ，f o r m i n go fs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yh a v ei m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e a n de c o n o m i cv a l u eo nt h er e a l i z a t i o no fm a g n e s i u ma l l o yp r o c e s s i n ga n dt h e p r a c t i c a lu s eo fi n d u s t r i a l i z a t i o n 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 ye 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 f h 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 sd 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 l m 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 cf o r m i n g t h e r e f o r e ，t h e r ew i l lb e m 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 la p p l i c a t i o nt ot h ee x p a n s i o no ft h e s 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 ma l l o yp a r t s ，w h e t h e ro rn o ti th a s s 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 su 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 sp a p e r ，t h em a g n e s i u ma l l o yh e m i s p h e r ep i e c e s ，t h eb o x - s h a p e dp i e c e s a n dal a d d e r - s h a p e dp i e c e so fs u p e r p l a s t i cf o r mi n gp r o c e s sw a ss i m u l a t e db y u s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r em a r c o p t i m i z a t i o no ft h es u p e r p l a s t i c f o r m i n gp r o c e s so fm a g n e s i u ma l l o yh e m i s p h e r ep i e c e s ，t h eb o x - s h a p e dp i e c e s a n dt h el a d d e r - f o r m i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s a n a l y s i so ft h et h i c k n e s sd i s t r i b u t i o n a n ds t r a i nr a t ed i s t r i b u t i o no ft h eh e m i s p h e r e ，t h eb o x s h a p e dp i e c e sa n dt h e l a d d e r - s h a p e dp i e c e si nt h es u p e r p l a s t i cf o r m i n gi nd i f f e r e n tr e g i o n sa td i f f e r e n t i i 哈尔滨理工人学t 学硕f ：学位论文 s t a g e sw e r ed o n e t h ei m p a c to ft h em o l ds t r u c t u r e ，c o e f f i c i e n to ff r i c t i o n ，s t r a i n r a t es e n s i t i v i t yi n d e x ，f o r m i n gp r e s s u r eo nm a g n e s i u ma l l o yo ft h eb o x - s h a p e d p i e c e sa n dt h el a d d e r s h a p e dp i e c e so fs u p e r p l a s t i cf o r m i n gw a si d e n t i f i e dw h i c h l a i das o l i df o u n d a t i o nf o rt h es t u d yo ft h em a g n e s i u ma l l o ys u p e r p l a s t i cb u l g i n g e x p e r i m e n t t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d i e sh e l pt od e t e r m i n et h em a g n e s i u ma l l o y s h e e t s u p e r p l a s t i cb u l g i n gf o r m i n gp r o c e s s a tr e a s o n a b l e p a r a m e t e r s a n d t h r o u g ht h ec o n t r a s tw i t hh e m i s p h e r i c a lp a r to ft h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t v a l i d a t et h ea c c u r a c yo ft h es i m u l a t i o n ，s ot h es i m u l a t i o nc a nb et h ef u r t h e r g u i d a n c et ot h ee x p e r i m e n t k e y w o r d sm a g n e s i u ma l l o y ，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 ls i m u l a t i o n ，f o r m i n gp r e s s u r e ，s t r a i nr a t es e n s i t i v i t yi n d e x i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑霞声明：此处所提交的硕士学位论文细晶镁合金薄板超颦气胀成形 有限尢模拟与分析，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕：f = 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伞由本人承担。 储躲脞触 li ，、m r 期- 溯够月言h 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 细品镁合会薄板超塑气胀成形有限元模拟与分析系本人在哈尔滨理工大 学攻读硕士学位期l i i j 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。 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名身蕉艇 导师签名： 日期溯年弓昭同 日期湖年3 矽日 哈尔滨理t 大学丁学硕i ：学位论文 1 1 镁合金发展概述 第l 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。 镁合金足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【l 】的优点。凶此，越来越多的镁合金产品已用 于汽车、通讯和航天工业中1 2 5 1 。但是，作为一种新兴材料，镁的现有使j j 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【酊的发展远不及铝合 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f 1 臻完善，应用范围迅速扩展，特别 是汽车及3 c 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，促使包括中困在内的世界各国相继设立相关研究课题，并投入 大景的人力物力。我国目前在镁工业方面拥有三项“世界冠军”，即储最、生 产、出口口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 得到心用1 1 0 l 。 1 2 金属镁及其合金的特性 金属镁及其合金足迄今在工程中应用的最轻的结构会属材料【1 1 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一， 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 。c ( 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，镁合金产品的优点大概体现在以下的几个方 面【1 2 1 8 1 = 哈尔滨理t 人学工学硕 ：学位论文 1 莺毓轻：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 的纤维增强颦料；其比刚度j 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最的能力，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t 。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，在其表面产牛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 定性足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i i j j 短：易进行切削加：【 而且加工成本低，加：【能量仅为铝合舍的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【1 9 2 0 1 。 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会的磁屏蔽性能、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：镁合会的热容量比锚合金小，因此不容易粘烧在模具上，延 长模具寿命。 l o 再牛性：在环保意识高涨的大环境下，比起无法【f l 】收的填加碳纤维( 或 金属粉未) 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町持续发展的特 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 - 2 - 哈尔滨理丁人学丁学硕f ：学位论文 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，超颦性( 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 1 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火的奇异现象，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 。也末出现裂纹。1 9 3 4 年，英闲c e p e a r s o n i 2 2 1 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 年美困人e e u n d e r w o o d t 2 3 1 发表了一篇评论性文章，全面介绍了各困 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甥 性愈来愈多的重视。 1 9 6 4 年美困麻省理工学院w a b a c k o f e n 等人【2 4 i 对超塑性力学特性进行了 分析研究，做出了很大的贡献，他引入了与心变应力有关的心变速牢敏感性指 数m 值，提出了应力仃与应变速率盔的火系式。他把m 值与超嗵性对应起来， 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 l 使用外经为2 0 3 m m ，壁厚为1 0 2 m m 的 z n 2 2 a l 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，说明超蠼性和仪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颦性文献达5 0 0 余篇，标志着超塑性领域已经成为围际 性的研究课题【2 6 i 。 八十年代中期，由于陶瓷材料超颦性的发现，超蠼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 及超埋成形技术得到了各困学者的协同研究和歼发，各种新型材料( 如会属问 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，这一点从历次围际超 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，无论从历届闺际超颦 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， 哈尔滨理t 人学t 学硕f ：学位论文 已在航宁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窄航天和民用工业的研究、试制、装机使用，发展 到批生产阶段，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，高戊变速率超颦性研究，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心变速率很低【2 7 1 ，与其他制造j ：艺相比，超颦成形的速 率缓慢，耗费时i i j 长，研究和开发高心变速率条件下具有超塑性的材料及超颦 成形工艺对工业应用来说足非常自意义的。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品粒尺寸，可以获得高心变速 率条件下的超塑性，这方面同本的研究水平处于领先地位。高心变速率超塑性 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足，“度方向都在进一步发展之中。 1 3 2 镁合金超塑性的发展 一般来说镁合金都要进行品粒细化处理才具有超颦性。经过细化处理的镁 合金显微组织由于基体内弥散分布人量第二相粒子，在超颦变形时能够获得稳 定、等轴的细晶结构，因而超翅效应十分显著。经研究表明，即经验镁合金晶 粒细化过程町分为 2 s - 3 0 j ： ( 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【司粉末； ( 4 ) 挤压： ( 5 ) 大翅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 e h i 等人应用等通道角式挤压( e c a e ) 带i 成a z 9 1 ，可得到 0 5 a n 的细晶粒，在4 2 3 k 的低温f ，获得超翅性行为。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0 6 5 a n 的细晶粒，在 4 7 3 k 的低温和高应变速率( 1 0 之) 下，获得超埂性行为。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。另外一些国外镁合金超翅性性能参数如 表1 1 所示1 3 1 u 1 卜1 2 。 陈拂晓【3 2 】研究了m b 2 6 镁合会超颦性拉伸时，在4 0 0 。c ，萨1 1 7 x 1 0 。2 s d 的变形条件下万= 1 4 5 0 ，o r = 8 7 m p a ，m 值为0 6 ，超塑性压缩时，在 4 0 0 、肛8 3 x 1 0 。3 s ，变形条件下压缩真应变s 高达2 1 8 以上，o r = 1 8 m p a ， 表1 1 一些镁合金超塑性性能参数 t a b l el ls 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 m 值在0 4 以上。对于m b 8 镁合会板材【3 3 1 ，当品粒度为6 8 a n ，初始应变速 率为0 2 2 x 1 0 。3 s 以时，在3 5 0 - 4 0 0 变形温度下，具有良好的超蠼性，最大延伸 率为3 1 2 。刘满江1 3 4 j 等人对镁合金a z 3 l 在6 2 3 k - 7 2 3 k 和l 1 0 一l 1 0 4 s “的 实验条件下均硅示出良好的超翅性。当温度为6 7 3 k 和应变速率为3 1 0 4 s d 时 最大延伸率町达3 1 4 ，m 值为o 4 。a z 3 1 镁合金在超龌性变形过程中存在动 态再结晶。陈培乍1 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 _ 时，m b 2 1 0 s i c 最大延伸率1 1 j 达2 2 8 ，m 值为0 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 性成型技术的发展足很合乎需要的。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，较高的应变速率超翅性( h s r s ) 在镁合金和镁基材料中己经 被广泛的研究【3 6 1 。在一系列用粉末冶金【3 7 1 和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( 娩l x l o 屯s 1 ) ，这类合金的组织特点是 更易得到更小的晶粒尺寸。 哈尔滨理t 人学下学硕i ：学位论文 目前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 变速率超颦性( h s r s ) 存在【3 引。另一方面合金中研究低温超颦性( l t s p ) 很少1 3 9 1 。 一个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足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 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。 虽然镁合金具自优良的性能，但是镁合金的价格和镁合金产品的成本还较 高，大规模的应用还有一定的困难。随着镁合金加工技术( 包括爪铸技术、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 得人们町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，所以叮以预测，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，可以旱现异常高的 塑性，延伸率可达百分之几百，甚虿百分之一千，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 ) 多数迥性材料都是细晶组织。晶粒尺寸在超颦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( t 0 5 乙，乙为材料熔点) 和特定的应变速率范围 ( 通常1 0 1 0 4 s 。) 的条件下材料才呈现超颦性。 ( 3 ) 超塑性变形的j 照力和应变速率的双对数关系曲线呈s 形( 图1 1 a ) 。把 曲线分为三个区域，即图中的i 区、i i 区和i i i 区。超颦性发生在i i 区。获得最 大的超颦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= 尼醒式中 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 c r l g 盔， 就是曲线的斜率。它是表征材料超塑性能力的重要指标。m 值在i i 区有最大值 ( 图1 1 b ) 。超塑材料的m 值处于0 3 0 9 之间。一般约为0 5 。 哈尔滨理t 人学t 学硕 ：学位论文 i g o r i i州i u l g 盔 a )b ) 幻超崾状态材料的应力与应变速率关系的示意图 b ) 应变速牢敏感性指数与虑变速率关系图 图! - i 应力和虑变速率敏感性指数j 应变速率关系示意图 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 ( 5 ) 在超担拉伸过程中，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剩2 7 1 3 2 。3 ，且超颦拉伸的断裂伴随人量 的窄洞。 1 3 4 镁合金超塑成形工艺 由于镁合金的六方晶体结构，导致镁合合成形能力较低，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，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，没有明硅颈缩而伸长率达到百分之百以上的颦性变形现象。它发生在 绝对温度为合金熔点的一半以上。超蝮性成形可实现低颦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 胛以下，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【4 l 4 2 1 、等通道角挤( e q u a lc h a n n e l a n g u l a re x t r u s i o n ，e c a e ) 、快速凝固、粉末冶金等。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会组织， 等通道角挤( e c a e ) 能够产生强烈的塑性变形，获得l a n 以下的超细晶粒。 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 利用细晶镁合金的超幔成形( s u p e r p l a s t i c i t yf o r m i n g ，s p f ) 工艺可以成形形 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，在航窄航天、汽车等行业将得到应用。 相对于镁合会材料塑性加t 成形的各向异性l 钉1 ，镁合金材料的超迥性特性 则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 常都能超过定义超颦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i 叮以更容易填允模穴，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，制造出复杂形状的卜件。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心力( f l o ws t r e s s ) ，凶此，超翅性成形可 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 板材超鳆成形的数值模拟是国际上研究的 要i u j 题之一，然而多数的研究 还集中在汽车、航空航大等制造业之中。在其初始阶段，数值模拟被看作足一 种帮助理解金属行为的工具，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，成形件的质最安全依靠经验积累，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、应变分布，预报成形过程中可能出现的缺陷，从而不断修j f 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自限元法1 4 4 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龌性有限元法、刚颦性有限元法、粘塑性有限元法等等。 根据计算平衡方程式中足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义区分为隐式和媪式解法。在板材 成形过程模拟自限元方法上，动态显式解法及静态隐式解法应用较多。 与通常的板料弹颦性有限元模拟不同，超塑性板材数值模拟采用刚粘翅性 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 哈尔滨理丁大学t 学硕l ：学位论文 性、几何非线性、边界非线性u j 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 l 4 5 i 等人和美国的n c h a n d r a t 4 6 1 等人进行了早期的这方面研究肇本 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牢取得最佳 值。西班牙的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 合会帽形件和 t i 6 a 1 4 v 的双层板的s p f d b 过程【4 7 i 。我困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 法对超迥 性板材胀形及超塑成形扩散连接过程进行了模拟【耜i 。邢会林1 4 9 】采用i 角形膜元 对三维超塑性板材成彤过程进行模拟。总的看来，在超塑性板材成形过程的数 值模拟方面，我【词和国外水平相筹并不大。 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1 5 们，室温塑性低，塑性 成形能力差，用常规的颦性成形方法制造一些镁合金空心壳体零件是比较闲难 的。镁合金在压铸成形领域优先得到了重视和发展。f h 变形镁合金孑铸造镁合 金相比，前者町使镁合会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 ( 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 r e l e c t r o n i c sp r o d u c t s ) 产品中大量应用，研究其在一定条件f 是否具有超塑性 能，采用超埋气胀成形，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，本课题旨在前人研究基础上利用计算机进行镁合金薄板件 的有限元数值模拟，分析镁合金板材的成形性，找出最适宜成形的各个工艺参 数，在模拟的基础上寻求模具的优化设计，利用镁合金自身的特点获得高性能 镁合金，解决变形镁合金发展的瓶颈问题。题目完成后，其成果町以推广应用 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t 要足在m a r c 软件基础上：进行超塑成形过程的计算机模拟，主要 是研究半球形件，方盒形件和阶梯形件的成形性能，找出薄板镁合金件的最佳 成形工艺参数。 主要研究内容为： 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 1 分析镁合会方盒形件和阶梯形件超颦气胀成形过程中厚度分布、应变速 率分布规律，预测 件的成形缺陷，如缩颁、破裂。 2 研究心变速率敏感件指数、气体压力、模具形状等成形工艺参数对镁合 金方盒形件和阶梯形件超崾气胀成形的影响规律。 3 将镁合会板材半球形件的超耀气胀成形过程的数值模拟与实验研究进行 比较，进一步验i f 模拟的可信性和可行性。 哈尔滨理t 大学t 学硕f ：学位论文 第2 章超塑成形有限元数值模拟基础理论 2 1 引言 由于超塑成形是一个大位移、大变形的粘塑性材料非线性问题，因此用解 析方法对一般不规则形状的零件的超龌成形过程进行分析是难以办到的，而有 限元方法是日前用于分析薄板超龌成形的最有效的方法。有限元法是从应用计 算机进行结构力学的矩阵法计算发展而来的，这种离敞化的数值计算方法最早 可追溯到本世纪四十年代数学家c o u r a n d 5 1 i 等的研究，从数学角度来看，有限元 法足求解微分方程的一种数值方法，其基本思想是：在整个求解域内要解某一 微分方程很闲难( 即求出原函数) 时，先用适当的单元将求解区域离散化，在单 元内假定一个满足微分方程的简单函数作为解，求出各单元各点的解，然后再 考虑各单元之间的相吒影响，求出整个区域内的场量。自从1 9 6 0 年c l o u g h 首次 提出有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 概念以来，各国学者进行了深入而广泛的 研究，使得有限元法的理论不断完善和发展。作为一种通用算法，有限元法现 己成为解决许多j i ：程和科学问题的卓有成效的数值计算方法。有限元法在金属 成形领域的应用始于本世纪七十年代初，特别是l e e 和k o b a y a s h i 提出刚塑性有 限元法以后，有限元法在金属成形领域的应用发展很快，成为精度最高、功能 最强、应用范围最广的数值模拟方法。 2 2 本构方程 本构方程是描述变形体应力、应变以及应变速率关系的物理方程，研究超 塑性状态f 材料变形的力学本构关系是超颦性研究的核心内容之一。早在1 9 6 4 年，b a e k o f e n l 2 7 i 5 4 。5 5 等人就指出超颦性材料属于应变速率敏感性材料，并引入 应变速率敏感性指数所值，结合超塑性合金z n 2 2 a 1 的研究，提出了描述超 塑性变形规律的经验方程： 盯= 七霹 ( 2 - 1 ) 式中：k 为材料参数。b a c k o f e n 方程反映了超塑性变形对应变速率的敏感的主 要特征。进一步的研究表明，超塑性变形过程存在着程度不同的应变硬化效 应，且变形应力对温度和应变速率敏感，而且在大变形区域易得到稳定的变形 哈尔滨理t 大学丁学硕l 学位论文 状态，这种稳定状态的变形行为与高温蠕变的稳定阶段的变形行为非常相似， 因此借助金属高温蠕变关系式描述超塑性变形本构关系： 盯= 七椤s ”e x p ( q r t )( 2 2 ) 式中：以为应变硬化指数；q 为激活能；尺为气体常数；r 为变形温度；m 为 应变速率敏感件指数。 我国吉林工业大学的宋玉泉【2 7 j 1 8 0 。教授也提出了描述超塑性流变的动态方 程： o - = 七程占”t 7 ( 2 3 ) 式中：f 为时间；f 为软化松弛系数。他认为，要获得大的超颦变形，不但要 有大的m 值、刀值和f 值，同时要求硬化和软化有较好的匹配，在变形过程 中，m 值主要起抑制缩颈的作用，刀值丰要起稳定变形的作用，f 值主要起转 移缩颈的作用。 h a m i l t o n 等【5 2 1 人在考虑晶粒长大因素的笨础上提出了如下本构方程： k lp - o r o ) ”e x p ( - q c e r ) 卟p 吒l n ( d q + b t ) + 1 2 盔l t ，【 g j + k 2 c r e x p ( - q , r t ) ( 2 - 4 ) k t 式中：吼为门槛应力；q c 、q ，分别为超塑性变形和扩散蠕变的激活能； k l ，k 2 ，p ，g ，a ，b 为材料常数； g 为剪切模最；尺为气体常数；k 为b o l t z m a n n 常数；m 为应变速率敏感性指数：”为应力指数：d o 为初始晶粒尺寸；t 为时 间；丁为温度。 上述方程大多足在单向拉伸试验研究的肇础上提 n 的，而实际工程问题应 力状态复杂，根据超塑拉伸、压缩、扭转以及小变形卜的拉扭复合试验结果证 明，式( 2 4 ) 不仪对单向拉伸有效，而且将应力、应变速率分别q 成等效j 衄力、 等效应变速率形式，也适用于一般应力状态，因此，可用下式表示一般应力状 态f 超翅性变形应力心变关系： 万= 彪努 ( 2 5 ) 根据结构超翅性材料的等轴细品组织特点，建立超翅性变形的三维本构关 系时可作如下假设： ( 1 ) 材料各向同性； ( 2 ) 体积不可压缩： ( 3 ) 应变速率张量与偏应力张量成j f 比： 哈尔滨理下人学t 学硕l ：学位论文 ( 4 ) 应变速率与附加的静水压力无关。 根据上述假设，方程( 2 5 ) n j 写成： 仃= 鲁k 亭缈一略 ( 2 6 ) j 式中：盯。为偏应力张量；略为应变速率张量。式( 2 - 6 ) 是目前应用最广的超迥 性本构方程。 2 3 刚塑性刚粘塑陛有限元法基本力学方程 超颦性变形属于非线性大变形i 、u j 题，材料对应变速率特别敏感，而且成形 弹复最极小，凶此，超帮成形常采用刚塑性侗0 粘塑性模型来计算方盒形零件和 阶梯形零件的成形。 刚颦性n 粘塑性有限元法一般是从刚塑性刚粘颦惟材料的变分原理或上 限定理出发，按有限元模式把能耗率泛函表示为节点速度的非线性函数，利用 数学上的最优化理论获得满足极值条件的最优解，即总能耗率取最小值的动可 容速度场，进一步利用塑性力学的基本方程求出变形速度场、应力场、应变场 以及其他变形参数。与弹塑性弹粘塑性方法相比，这类有限元法在求解过程 没有应力的累积误差，也不存在单元的逐步屈服问题，因而具有计算工作量 小、精度高的优点，是求解超塑成形等大变形问题进而实现数值模拟的一种有 效方法。 金属塑性变形过程复杂，在对成形过程进行有限元数值模拟时必须做出必 要的假设和近似，以便于简化数学处理过程，提高计算效率。采用刚塑性刚 粘塑性有限元法分析大变形问题时，通常对材料的变形特点和物理性能作如f 假设： ( 1 ) 材料弹性变形可忽略不计； ( 2 ) 材料体积小可压缩，变形过程体积不变： ( 3 ) 材料均质且各向h 性； ( 4 ) 不计体积力和惯性力； ( 5 ) 材料变形流动符合l e v y m i s e s 屈服条件。 所以可近似认刀= 0 ，则流动状态方程为： 仃= 舳露 式中：k 为与材料有关的常数；m 为应变速率敏感性指数。 单向拉伸实验得到。 ( 2 7 ) 本构方程中系数由 哈尔滨理t 火学下学硕f - v - 位论文 刚粘塑性材料发生塑性变形时，必须满足以