（材料加工工程专业论文）镁合金板材性能及轧制过程的模拟研究.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 镁合金板材性能及轧制过程的模拟研究 摘要 镁合金作为新型轻合金材料越来越得到人们的关注，在航空航天，汽 车、电子等工业中应用也越来越广泛。目前以压铸技术为主导的生产方式还 不能满足镁合金电子产品轻薄短小的要求因为材料利用率低且在薄壁壳形 件生产中的工艺稳定性、产品性能方面也有很多不足，所以采用塑性成形方 法可以避免上述缺陷。研究变形镁合金板成形规律、镁合金板热成形工艺模 拟技术对于实现镁合金板加工的实用化和产业化具有重要的现实意义和经济 价值。 、 镁属于密排六方结构金属，塑性变形能力差，很难加工成板、带、棒、 型材，因而其应用受到很大限制。随着对镁及其合金的制各、加工技术及相 关基础问题和腐蚀问题的研究，上述问题可望得到很好的解决。这些技术的 研究为镁工业的进一步发展带来了希望，有望改变目前铸造镁产品一统天下 的局面，实现镁的更新换代，在国内则可以填补变形镁合金的空白。 本文通过在不同的温度和应变速率下，对镁合金轧制板进行单向拉伸实 验，绘出各温度下材料的流动曲线，以此分析了屈服强度和抗拉强度等表征 材料成形性能的变化规律。分别研究了温度和应变速率对变形性能的影响。 通过高斯消去法对不同温度下的变形性能参数进行拟合得到了以温度为自变 量的变形性能参数的连续性表达式。 阐述了板材轧制的基本概念，并对有限元数值模拟做了初步介绍和镁合 金轧制过程进行了数值模拟。通过对轧制过程中轧制力、等效应力和宽展的 变化，得出轧制过程中板材的头部和尾部、板的左右两侧是应力集中的地 方，同时这些地方的宽展量也比较大。这些都为改善和优化工艺提供了理论 基础。通过正交实验法得出了摩擦系数、温度和轧制速度对轧制性能的影响 程度。并在此基础上分析了随着轧制力和变形温度的变化，轧板性能参数的 变化趋势，从而为镁合金板料成形技术的发展和应用提供可靠的依据。 关键词镁合金板材；单向拉伸；轧制；数值模拟； 篁玺鎏垩三銮：三耋翟圭：竺鎏兰 s t u d yo nt h ep r o p e r t yo fm a g n e s i u m a l l o ys h e e ta n dt h es i m u l a t i o no f r o l lp r o c e s s a b s t r a c t n 坞m a g n e s i u ma l l o yw h i c hh a st h ea d v a n t a g eo fl i g h tg e tp e o p l e sm o i e a n dm o r ea t t e n t i o n ，i ti s w 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 c u r r e n t l y , t h ek e yw a yo fd i ec a s t i n g p r o d u c t i o ns t i l lc a nn o ts a t i s f yt h er e q u e s to fe l e c t r o n i cp r o d u c t i o na sl i g h ta n d s h o r t t h e r ei sm u c hd e f i c i e n c yi nt h i ns h e l ls h a p ea sp r o c e s s i n gs t a b i l i t ya n dt h e p r o p e r t i e so fp r o d u c t ，s ow ea d o p tp l a s t i c i t yf o r m i n gm e t h o dt ob ea b l et oa v o i d t h ed e f e c t s t u d yo nm a g n e s i u ma l l o yb o a r df o r m i n gl a wa n dh o tm a g n e s i u m a l l o yb o a r df o r m i n gs 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 e o n o m i c a lv a l u e t h em a g n e s i u ma l l o yh a st h ec l o s e - p a c k e dh e x a g o n a ls t r u c t u r e s oi ti sb a di n t h ep l a s t i cd e f o r m a t i o na n dv e r yd i f f i c u l tt op r o c e s st h es h e e t ，t h eb e l t ，t h eb a r s ， t h es e c t i o n a lb a r s ，t h u st h e r ei sm u c hl i m i ti ni t sa p p l i c a t i o n a l o n gw i t ht h e s t u d yo fm a g n e s i u ma n dt h ea l l o yp r e p a r a t i o n , p r o c e s st e c h n o l o g y ，t h ec o r r o s i o n q u e s t i o n ，w ec a ns o l v et h ea b o v ep r o b l e mp r o p e r l y t h e s et e c h n i c a lr e s e a r c h e s h a v eb r o u g h tt h ef u t u r ef o rt h em a g n e s i u mi n d u s t r yd e v e l o p m e n t , h o p e f u l l y c h a n g e st h ep r e s e n td o m a i ns i t u a t i o no fc a s t i n gm a g n e s i u m , w h i c hr e a l i z et h e m a g n e s i u mr e n e w a l ，m a yf i l lt h eb l a n k so fm a n yd e f o r m e dm a g n e s i u ma l l o yi n t h ec o u n t r ya n da b r o a d ， w ec a r r i e do u te x p e r i m e n tu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n ds t r a i n r a t e ， u n b i a x i a ls t r e t c he x p e r i m e n tt ot h em a g n e s i u ma l l o yr o l l i n gs h e e t d r e wt h e m a t e r i a lf l o w c h a r ta td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s ，t oa n a l y z et h ec h a n g i n gr u l e sa s y i e l ds t r e n g t ha n dt e n s i l es t r e n g t h g a u s s i a ne l i m i n a t i o nw a s c a r r i e do ni no r d e r t of i td i f f e r e n tt e m p e r a t u r ed i s t o r t i o np e r f o r m a n c ep a r a m e t e rt oo b t a i nt h e ：坠堡堡矍三銮：三兰翌圭兰竺兰三 c o n t i n u o u se x p r e s s i o n w h i c ht a k et h et e m p e r a t u r ea st h ei n d e p e n d e n tv a r i a b l e d i s t o r t i o np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s t h eb a s i cc o n c e p to fs h e e tr o l l i n ga n df i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n w e r ei n t r o d u c e d t h e nr o l l i n gp r o c e s so fm a g n e s i u ma l l o yw a ss i m u l a t e d t h e r o l lf o r c e ，e q u i v a l e n ts t r e s sa n ds p r e a dw e r ea l t e r e dt of i n dm a x i m u ms t r e s sw a s l o c a t e da tt h ee d g e so ft h es h e e t a n dt h es p r e a do ft h e s ea r e a sw e r el a r g e rt o o a l lo fa b o v ec a n p r o v i d et h e o r yb a s i sf o ri m p r o v e m e n ta n do p t i m i z a t i o nf o rt h e p r o c e s s o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g nw a su s e d t of i n dt h ee f f e c t so f c o e f f i c i e n to ff r i c t i o n t e m p e r a t u r ea n dr o l l i n gv e l o c i t yo nr o l l i n gp r o p e r t y w i n l t h ev a r i e t yo fr o l l i n gs t r e s sa n dd e f o r m i n gt e m p e r a t u r e ，t h ev a r i e t yt r e n do f r o l l i n gp r o p e r t y w a s a n a l y z e d ，w h i c hp r o v i d e ar e l i a b l e p r o o ff o r t h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o nf o rs h e e tf o r m i n gt e c h n o l o g yo fm a g n e s i u ma l l o y k e y w o r d sm a g n e s i u ma l l o ys h e e t ；t m i a x i a lt e n s i l e ；r o l l ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 。 i l l 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镁合金板材性能及轧制过程 的模拟研究，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。 作者豁i a 碉 蹶_ 7 年 月，f 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 镁合金板材性能及轧制过程的模拟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 n 瑚 导师签名产声f ， - i i 计 日期：1 年 月，厶 日期2 矿7 年；局罗 呛尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 镁合金的发展现状 第1 章绪论 镁合金是一种能够满足各种行业需求、发展前景极为可观的轻质合金材 料。镁合金的密度为1 8 9 ，c 一，是目前最轻的金属结构材料，其比强度高于铝 合金和钢；其比刚度与铝合金和钢相当；其耐腐蚀性比低碳钢好得多；其减振 性、磁屏蔽性远优于铝合金【1 1 。镁合金与铁的亲和力小，固溶铁的能力低，因 而不容易粘连模具表面，其所用模具寿命比铝合金高2 刁倍【2 l 。 此外，与其它金属结构材料相比，镁及镁合金具有易切削加工、易回收等 一系列优点，在汽车、电子、电器，交通、航天、航空和国防军事工业领域具 有极其重要的应用价值和广阔的应用前景，是继钢铁和铝合金之后发展起来的 第三类金属结构材料，并被称之为2 l 世纪的绿色工程材料随着很多金属矿 产资源的日益枯竭，镁及其合金资源丰富而日益受到重视，特别是结构轻量化 技术及环保问题的需求更加刺激了镁工业的发展。目前镁及镁合金材料的研究 已成为世界性的热点 3 1 。 随着能源的紧缺及环境污染的日益突出，各行业尤其是汽车工业对低捧 放、高效率、轻量化的要求提高，高性能轻质材料的开发和应用越来越引起汽 车制造业的关注h 卅：同时镁也是制造计算机硬件与电子设备的良好材料卜州； 相机、手机、摄像机等家电产品也有相当的比例使用镁合金外壳，其市场前景 十分广阔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，因此利用资源优势开展镁 合金的研究显示出诱人的前景。 1 2 镁合金板材的加工 根据加工方式的不同，镁合金材料主要分为铸造镁合金与变形镁合金两大 类1 1 2 1 。前者主要通过铸造获得镁合金产品。传统的铸造工艺比较成熟，近年 来，铸造领域中一些新的生产工艺和技术，如压力铸造( d i ec a s t i n g ) 技术，半 固态成型( s e m i s o l i df o r m i n g ) 技术以及1 1 l i x o m o l d i n 9 1 m 专利技术1 m 扪，都被用来 喻尔滨理工大学工学硕士学位论文 开发新型镁合会材料，并取得了很大的进展。与这些工艺生产的铸态材料相 比，变形镁合会材料更具发展前途与潜力，通过变形可以生产尺寸多样的板、 棒、管、型材及锻件产品，并且可以通过材料组织的控制和热处理工艺的应 用，获得比铸造镁合会材料更高的强度。更好的延展性，更多样化的力学性 能，从而满足更多结构件的需要因此，研究与开发新型变镁合金，开发变形 镁合金生产新工艺，生产高质量的变形镁合金产品，是国际镁协会 ( i n t e r n a t i o n a lm a g n e s i u ma s s o c i a f t o n i m a ) 在2 0 0 0 年提出的发展镁合金材料 的最重要、最具挑战性且最长远的目标和计划。 1 2 1 挤压镁合金板材 镁合会板材的制备采用温挤或热挤压成形，也可以采用挤压圆管的方式进 行镁合金板带材挤压成形，挤压后将圆管沿轴向切开，再对其进行展平或轧制 加工则可获得镁合金板材或镁合金带材。采用这种方法模具结构简单，挤压效 率高，材料性能均匀，组织晶粒微细，一般适宜于小批量加工镁合金板带坯 料。由于目前大量镁合会板材主要用于制造电子器件外壳，因此目前市场上需 求较多的是宽度l0 0 - 2 0 0 m m 的镁合金带材。 镁合金的挤压工艺和设备与其他金属的类似，包括正向挤压和反向挤压。 镁及镁合金的典型挤压温度范围是5 7 3 7 2 3 k ，挤压温度的高低取决于合金种 类和挤压件形状。镁合金挤压的挤压比在1 0 ：1 1 0 0 ：1 变化，已预挤压的锭坯挤 压比可适当增大。工件在挤压成形过程中会生成大量的热，从而必须充分散 热，否则会导致镁合金发生热裂。挤压件脱模后，为了保持微细、均匀的显微 组织，可采用强迫气冷或水冷进行淬火。 挤压具有细化品粒的作用，同时能提高材料的强度和塑性z k 6 0 合金经 4 2 3 k 挤压后抗拉强度上升到5 0 0 m p a 以上，这可归因于晶粒细化。a m 6 0 、 a z 9 1 、z k 6 0 和z k 6 1 等合会热挤压件的性能优于铸锭，延伸率高达l o 以上 z k 6 0 、w f a 3 w e 5 4 合金的热处理状态一般为t 5 ( 人工时效) 态或t 6 ( n 溶+ 人工时 效) 态。z k 系列镁合金挤压件经过g 或g b 热处理后，有利于提高力学性能的各 向同性和获得高塑性。热处理对w e 系镁合金挤压件的室温性能影响不大，但 能提高高温稳定性。a z 6 1 和a z s 0 镁合金也可以产生时效强化，经过t 5 或t 6 处 理后，强度略有提高而塑性大大降低。挤压态z k 系列镁合金强度和塑性的匹 配良好，通常不需要热处理强化。 。 反向挤压可以用来制造轴对称的管状镁合金工件，特别是带有薄壁或不规 则截面的工件。镁合金反向挤压的温度范围为4 4 8 - - 6 4 3 k ，挤压温度取决于合 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 金的成分和挤压速度。挤压过程中必须保持挤压温度恒定，以保证公差。在挤 压过程中，由于吸热，模具温度可升高6 5 k 左右在允许工件性能有所降低的 情况下，可以稍微提高挤压温度 1 2 2 轧制镁合金板材 镁合会的带材及板材一般采用轧制成形的方法生产。轧制过程可以细化晶 粒，改善镁合金组织，显著提高镁合金的力学性能。轧制温度是镁合金轧制过程 中的关键参数。轧制温度过低时，高的应力集中可导致孪晶形核和切变断裂； 轧制温度过高时，晶粒容易长大而使板材热脆倾向增大。材料温度在在结晶温 度以上的轧制称为热轧。如果轧辊为均匀的圆柱体，则这种轧辊称为平辊。用 平辊进行的轧制，称为平辊轧制。金属在热轧过程中无加工硬化，所以在热轧 时金属具有较高的塑性和较低的变形能力，这样用较小的能量能得到较大的变 形量。 一般厚板可以在热轧机上直接生产，而薄板一般采用冷轧和温轧两种方式 生产。板材生产流程如下为铸锭铣面一铸锭均匀化一加热一热轧开坯一温整一 板坯剪切下料一板坯加热一粗轧一酸洗一加热一中轧一中断或下料一加热一精 轧一产品退火一精轧一氧化上色一涂油包装。 厚板轧制生产流程为轧坯通常在轧制前要在轧制面上或侧面铣面。一般来 说，如果轧坯合金内部具有细小的晶粒尺寸和均匀的第二相分布时具有良好的 轧制性能。台钻的镁合金和一些晶粒细小的单相镁合金具有良好的轧制性能， 而a z 3 1 镁合会轧坯则强烈希望晶粒细化处理后获得良好轧制性能。 镁及镁合金的预热炉采用带有空气循环的电阻链式加热炉。有些轧坯需要 领热到高达5 0 0 c ，因此加热前应去掉毛刺和飞边，此外还需避免轧坯与铝合 金的接触和粘附以防止过烧。预热过程中万一发生燃烧，应先将轧坯拉出炉 外，扑灭火焰，用石棉御或玻璃布密封炉子，隔绝空气。 热轧温度应保证合金具有最好的塑性变形能力，而镁合金热轧温度范围主 要取决于合金性质。镁合金中板和厚板的组织和性能主要取决于热轧的终了温 度。随着终轧温度的提高，除伸长率升高外，抗拉强度、屈服强度和压缩屈服 强度普遍下降。板材的再结晶程度也随着终轧温度的提高而升高。因此为稳定 厚板的力学性能，必须严格控制终轧温度。 薄板轧制生产流程为薄板生产采用板坯，其加热温度一般比铸锭温度低 3 0 - 6 0 c ，其加热时间主要取决于加热温度，板坯厚度，装炉量的多少及采用 加热炉的形式。常用的板坯加热炉有箱式电阻空气循环炉和链条或履带式空气 坠查耋罂三銮耋三茎璺圭兰垒堡兰 循环电阻加热炉。 镁合金的粗轧基本属于热轧，粘辊严重。在生产中粗轧板坯的最终厚度一 般为5 , - 6 m m ，特殊情况为3 m m 。粗轧中应注意：开轧的头两道次应尽量提高往 下量，减少道次，此后道次压下量逐渐减小。粗轧动作尽量快，时间短。轧辊 预热温度应保证。 在镁合会的中轧和精轧过程中，随着轧制道次的增加，板坯的温度逐渐降 低，软件可以得到于冷轧制品相似的性能。中轧和精轧的道次压下量取决于轧 辊温度，轧辊速度和润滑条件。在于轧的情况下，道次压下量的分配原则是， 多道次和小压下量。镁合金中轧和精轧时，轧辊的温度维持在2 0 0 - - 2 5 0 c 是最 佳温度。 1 2 3 连铸连轧镁合金板材 薄带连铸技术是冶金及材料领域的一项前沿技术，它不同予传统冶金工业 中薄带材的生产工艺，而且将连续铸造、铸造、轧制，甚至热处理等串连为一 体，铸出毫米级的薄带坯，经在线轧制后。次性形成工业产品。薄带连铸技术 简化了生产工序缩短了生产周期，设备投资也相应减少，并且薄带品质不亚于 传统工艺。此外，利用薄带连铸技术的快速凝固特点，还可以生产出传统工艺 难以轧制的材料以及具有特殊性能的新材料。各种先进凝固技术的研究，其最 终目的都是应用于材料的制备与生产，从这一意义上讲在众多的快速凝固技术 中，双辊薄带是能够大规模，低成本，商业化生产的技术。薄带连铸技术工艺 方案因结晶器的不同而分为辊式，带式与辊带式等，其中研究最多，进展最 快，最具发展前途的当数双辊薄带连铸技术。 镁及镁合会由于具有密排六方晶体结构，塑性变形能力差，因此传统轧制 板材成材率低，生产困难。快速凝固技术可显著细化铸坯显微组织，提高镁合 金的强度与塑性，而且可以避免常规微合金化可能带来的有害的以及无法预测 的微电池现象，提高镁合金的耐蚀性目前德国蒂森公司，澳大利亚c s 的 采用水平双辊轧铸工艺已生产出了2 - 6 m m 厚的镁合金薄带。这是如今比较成 功的的例子之一。 重庆大学的丁培道等采用立式双辊铸机进行薄带连铸的实验研究工作，实 验材料为a z 3 1 镁合会。研究结果表明，当浇铸温度在6 5 5 , - 6 6 5 c ( 高于液相线 2 3 0 c ) ，辊速为1 3 l s r m i n ，预留辊缝为0 g m m 时，可以得到边部整齐，表 面质量较好的镁合金薄带。此时，镁合金在凝固过程中的冷却速度约为 2 0 0 一0 0 0 s 1 2 5 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 3 有限元模拟在轧制方面的研究进展 近几十年来，许多学者和工程师对弹塑性理论、剐塑性理论、粘塑性理论 及其有限单元法进行了深入的探索和研究，塑性成形问题的有限单元法日臻完 善起来。用有限单元法模仿塑性成形过程为金属成形模具设计及产品开发提供 了有效的分析工具。基本上有三种不同模式的有限元法用于金属成形仿真：刚 塑性模式、弹塑性模式、粘塑性模式。在金属成形领域中，随着人们需求的提 高，出现了不少比较成熟的商业有限元模拟软件。也有越来越多的人在塑性有 限元的发展和应用上进行着研究和尝试，在文献检索与考察中，了解到近年相 关的文献有：1 9 8 4 年，m o r io s a k a d a 用简化的三维单元分析板材轧制的三维变 形；l e e 和k o b a y a s h i 求解了平冲头压入问题；t h i m 等研究了辊段加工的基 础，把横轧、斜轧中的三维非稳定流动过程转化为二维稳定拟塑性流动模型， 用有限元法对轧辊下的横向流动提供了数值解，在此基础上他们又在有限元程 序中引入了一个速度一压力公式，从而拟出了一种准三维分析，并与实验结果 相合。2 0 0 0 年l i p i n gl e i 、s a n g - m o o nh w a n g 和b e o m - s o ok a n g 用有限单元法 分析设计了不锈钢带轧制，并与实验进行了对比；2 0 0 1 年x us h u g i n 、m j c b a e l h o o g e n 、t h o m a sp y t e l 和h a m n u th o f & n a n n 采用有限元仿真和实验研究了合金 带材的失效问题。2 0 0 3 年r 1 a n k o v 在线材的成型轧制中也采用了有限元法的分 析方法口6 1 。 近年来，国外板材成形方面的仿真研究表现出迅速发展的趋势。人们将有 限元方面的多种进展用于板材成形模拟，从最初的小变形弹塑性有限元到刚塑 性有限元法和有限变形弹塑性有限元法。如r - d w o o d 等分别用全拉格朗日与 纠正的拉格朗日列式模拟了圆板半球冲头的深拉实验；m a l d n o u c h i 和o b a y a s h i 等分别对板形的u 形弯曲问题进行了模拟研1 在国内，也有许多人在这方面做了大量的工作。哈尔滨工业大学的吕炎、 王仲仁、张涛教授，上海交通大学的阮雪榆教授等一直带领其博士和硕士研究 生致力于有限元的研究、开发、应用和推广如哈工大做了筒形件强旋刚塑性 有限元二维模拟及三维初步分析；环形件摆动碾压夺形的三维刚塑性有限元分 析：孔型碾环变形的刚塑性有限元分析等上海交大做了锻造预成形工艺的三 维塑性有限元模拟；塑性成形c a e c a d 系统集成的实验；金属成形过程的有 限元数值模拟等。北京科技大学的康永林用有限元做了薄板成形过程的损伤机 理及成形极限的研究；何慎做了二辊斜轧延伸过程计算机模拟系统的研究；零 晴尔滨理工大学工学硕士学位论文 件车轧制中心也做了斜轧铝球的有限元分析和斜轧螺纹锚杆的有限元数值模 拟；杨翠苹、王欣，分别采m a r c a u t o f o r g e 对楔横轧和h 型钢的轧制过程进 行了有限元的模拟分析；杜保军对棒材轧制进行了模拟研究等 2 s 一3 4 1 。总之，有 限元方法在塑性加工领域得到了迅速的开发、发展和应用，它以其强大的计算 模拟功能，显示了巨大的发展潜力和广阔的发展空间。 1 4 课题的选题背景及意义 导致镁研究和发展缓慢的主要原因是未能很好的解决镁的加工成形问题和 耐腐蚀问题。镁属于密排六方结构金属，塑性变形能力差，很难加工成板、 带、棒、型材，因而其应用受到很大限制随着对镁及其合金的制备、加工技 术及相关基础问题和腐蚀问题的研究，上述问题可望得到很好的解决。这些技 术的研究为镁工业的进一步发展带来了希望，有望改变目前铸造镁产品一统天 下的局面，实现镁的更新换代，在国内则可以填补变形镁合金的空白。 随着科学技术的不断发展，镁合金板在汽车工业和电子工业的应用会不断 增加，镁合会板的发展和加工新技术越来越受到重视。德国大众( 奥迪) 汽车公 司开发了镁合会汽车覆盖件的热冲压成形技术，成功地加工出汽车内门板，内镁 外铝的混合车门，用镁板可比用钢板减重5 0 ，比用铝板减重2 0 。在1 7 5 镁合金板杯形件拉深的拉深比可达2 o 。而在2 2 5 时可达3 o ，超过了钢板和 铝板在室温下的拉深比( 分别为2 2 和2 6 ) 嗍。另外在航空、航天( 座椅、蒙 皮) ，军事( 火箭和导弹零部件) 和电子产品( 手机、电脑等3 c 产品的外壳) 上镁合 金板已经有很广泛的应用。 在这种情况下，本课题旨在前人研究的基础上完成镁合金轧制过程的数值 模拟，并对镁合会轧制板材的性能做进一步研究。题目完成后，其成果可以推 广应用到汽车、摩托车等交通工具上，以及笔记本电脑外壳、手机外壳、摄像 机、数码相机、投影仪等电子和通讯器材上，起到节省能源、保护环境等作 用，经济效益和社会效益巨大。 1 5 课题研究的内容 1 在不同温度和应变速率下，对镁合金轧制板材做单向拉伸实验，通过实 验分析镁合金轧制后板材的变形性能，并拟合变形性能参数的连续表达式。 2 选择板材轧制时的金属三维变形规律为研究内容，以板带轧制全过程为 晴尔滨理工大学工学硕士学位论文 研究对象，在通用弹塑性大变形有限元软件平台的基础上，建立板带轧制有限 元模拟系统，分析镁合会轧制过程中各性能参数的变化情况，并通过正交实验 确定各参数对板材性能的影响程度。 第2 章a z 3 1 镁合金轧制板材的性能 镁合金的带材及板材一般采用轧制成形的方法生产。轧制过程可以细化晶 粒，改善镁合会组织，显著提高镁合金的力学性能闻。轧制温度是镁合金轧制 过程中的关键参数。轧制温度过低时，高的应力集中可导致孪晶形核和切变断 裂；轧制温度过高时，晶粒容易长大而使板材热脆倾向增大p q 材料温度在再 结晶温度以上的轧制称为热轧。如果轧辊为均匀的圆柱体，则这种轧辊称为平 辊。用平辊进行的轧制，称为平辊轧制。金属在热轧过程中无加工硬化，所以 在热轧时会属具有较高的塑性和较低的变形能力，这样用较小的能量得到较大 的变形量f 3 8 l 。 一般厚板可以在热轧机上直接生产，而薄板一般采用冷轧和温轧两种方 式生产。 2 1 镁合金轧制板的制备 2 1 1a z 3 l 镁合金 选择a z 3 l 变形镁合金板作为实验材料。a z 3 1 镁合金成分见表2 1 。 表2 - 1a z 3 1 变形镁合金的化学成分( w t ) t a b l e2 - 1t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n so f w r o u g h t m a g n e s i u ma l l o y ( 、耐) 垒! l 圣! ： i 丛! i 鱼 i ! il 垦! l 丛g 2 5 - 3 5 i o “i 4 i o 2 - 1 0 i o 0 4 l o 1 i o 0 1 i 余量 微观组织【3 ”如图2 - 1 ，其晶粒尺寸为平均尺寸为1 5 1 u n ，且大小不均，需要 圈2 - 1 变形镁合金板金相图 f i g 2 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 喻尔溟理工大学工学硕士学位论文 细化晶粒提高塑性性能。 2 1 2 热轧工艺流程 对镁合会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，因此对购买的a z 3 1 变形镁合金板进行了热轧实验。为以后的实 验提供适当的原材料。 所购买的板材厚度为1 2 r a m ，薄板轧制的工艺流程为：预热一粗轧一加热 一中轧一精轧一热处理一涂油包装。镁合金板轧制的具体过程如下： 厚度为1 2 m m 的a z 3 t ( m g - a 1 z n ) 变形镁合金板，轧制过程分为4 个道 次，板厚从1 2 m m 轧为0 6 m m ，轧辊压下率从1 2 1 减小为1 4 2 ，润滑剂选 用石蜡。 预热：在箱式电阻空气循环加热炉中将板和轧辊加热为3 2 0 ( 2 。粗轧：分 为两个道次，第一个道次压下率为1 6 7 ，第二个道次为1 2 1 。加热：轧完 两道次后，轧辊和板料温度下降，须将板料和轧辊重新加热至3 2 0 ( 2 。中轧： 中轧为一个道次，压下量为7 5 。精轧：精轧为最后一个道次，压下量为 4 2 。热处理：在轧制完成后对镁合金板进行退火处理。最终轧成厚度为 0 6 m m 的a z 31 镁合金板( 涂油包装) 。 2 1 3 热轧前后板料的比较 a z 3 1 变形镁合金原始板的金相组织表明：镁合金晶粒平均尺寸为1 5 1 a m 且大小不均，还存在微小的缩孔和夹杂物( 图2 - 1 ) 。轧制后所得的厚度为 0 6 r a m 的镁合会板的金相组织如图2 2 所示。其晶粒细密，平均晶粒尺寸为 4 5 t t m ，而且组织均匀。晶粒沿着变形方向被拉长，不过变形过程中的加工硬 化随时都被再结晶过程所消除，变形后没有加工硬化现象，而且还能获得细化 图2 - 2 轧制后的镁合金板金相图 f i g 2 2m 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 to f r o l l e d 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 的再结晶组织。晶粒愈细，塑性变形愈可分散在更多的晶粒内进行，使塑性变 形愈均匀，内应力愈小：而且晶粒愈细，晶界接口愈多，晶界就愈曲折，愈不 利于裂纹的传播和发展，彼此就愈禁固。因此，细小等轴的晶粒可以改善镁合 金的塑性应变能力。细晶粒金属比粗晶粒金属具有更高的塑性、韧性同时， 纤维组织使会属在性能上具有了方向性，对金属变形后的质量也有影响，纤维 组织越明显，金属在纵向( 平行纤维方向) 上的塑性和韧性就越会提高。 由以上分析可知，通过对a z 3 1 变形镁合金原始板的热轧制，提高了镁合 金板的塑性性能，达到了比较高的要求 4 0 l 。 2 2a z 3 1 镁合金板材力学性能研究 拉伸实验是最重要的，应用最广泛的力学性能实验方法。通过拉伸实验可 以测定材料的强度、塑性、应变硬化和韧性等许多重要得力学性能指标，而且 简单易行。因此，采用单向拉伸实验来测定a z 3 l 镁合金板的力学性能。a z 3 l 镁合金具有中等强度和良好的热塑性，非常适合在热态下进行板成形1 4 l l 。 将拉伸实验的温度范围定为5 0 - 4 0 0 ，既有温态又有热态下的拉伸研 究。以此检验镁合金在单向拉伸过程中表现出的力学性能和软、硬化行为，进 而确定使镁合会具有最佳温变形和热变形的变形条件具有极其重要的意义。 2 2 1 实验设备及试样 从轧制薄板上沿平行于轧制方向切割拉伸试样。拉伸试样标距长度为 1 0 r a m ，标距宽度为4 m m ，厚度为0 6 r a m ，如图2 3 所示。 圈2 - 3 单向拉伸试样 f i g 2 3u n i a x i a lt e n s i l es p e c i m e n 实验设备采用s h i m a d z ua g - 1 0 0 k n a 日本岛津电子拉伸实验机，加热炉 由电阻丝供热，采用三组热电偶实行上、中、下三段自动控制，使炉内等温区 达2 0 0 m m ，控温精度达士2 ，试样在炉内加热至指定的温度后保温l o 分钟后开 始拉伸。拉伸时保持夹头的速度不变。拉伸力一伸长量曲线由试验机自动绘制 而成，拉伸时满量程为2 k n 。实验温度范围在5 0 - - 4 0 0 c ，应变速率范围是 1 5 1 0 一乙1 5s 。 2 2 2 实验过程 具体拉伸实验步骤如下： 1 将标记好的试样放到十字卡字头上，操作实验机以较慢速度移动卡头将 试样卡紧，既要达到试样不能晃动，又要保证拉伸力很小。然后在绘图议上将 拉伸力调零。 2 将卡住试样的卡具有放入加入加热炉中开始加热。加热炉的上、中、下 三个部分都装有热电偶，加热过程中根据测温议可以分别读出这三个部分的温 度，通常情况下升温过程中这三个温度有所差异，因此需要分别调节使炉中各 部分的温度相同，保证炉温均匀。当炉内均匀温度达到所需要的温度时停止加 温，并保温一定时闻准备拉伸。 3 拉伸前将拉伸速度调节到需要的大小，并放下绘图笔。检查好后，开始 拉伸，拉伸过程中，上夹头是固定的，依靠下夹头的移动使试样延伸。拉伸到 一定程度后，从绘图仪上取下绘制好拉伸图的图纸，并作上相应的标记。 拉伸实验结束后，测量断裂试样的长度、宽度、厚度并作下记录，与拉伸 试样的原始尺寸相比较，所得数据用于计算材料的力学性能参数。原始试件与 断裂后试样如图2 4 所示。 图2 - 4 原始试样及拉断后试样 f i g 2 4p r i m i t i v es a m p l ea n df r a c t u r e ds p e c i m e n s 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 2 3 实验结果及数据分析 在不同温度，不同拉伸速度的情况下，经过大量实验，得出了不同温度 下，不同拉伸速度的拉伸实验图( 载荷p 和伸长量l 的关系曲线) 。拉伸实验 图只代表试样的理学性质，因为该图的横坐标和纵坐标值均于试样的几何尺寸 有关。而真应力一真应变图既与试样的尺寸无关，又能更好的表示金属材料拉 伸实验时应力与应变之间的函数关系。为了更方便的对曲线进行分析，可通过 下列公式将其转化为真实应力应变曲线。 川n ( 1 + 等) = i n 0 + 帚a ( 2 - i ) c r o ( 1 + 加素1 + 力2 志( 1 + 静( 2 - 2 ) 0 6 40al 图2 5 是应变速率对a z 3 1 镁合金流动曲线的影响。可以看出，在温度较低 为5 0 时，如图2 5 ( a ) 下，a z 3 1 镁合金的板塑性很低。随着加载载荷的增大， 试样变形由弹性阶段迅速过渡到塑性阶段，屈服极限不明显，均匀变形很小， 几乎没有出现颈缩就发生脆性断裂。这是由镁的特性决定的。镁的晶体结构是 密排六方，在室温时变形主要通过在基面上密排的( 1 1 2 0 ) 方向的滑移和在角锥 面( 1 0 1 2 ) 上的李晶。在应力方向平行于基面时，受压时才发生这种孪晶。而在 应力方向垂直于基面时，受拉时才发生这种孪晶由于只能在一个平面系里发 生位移，因此具有很低的塑性1 4 ”。 同时可以看出，应变速率对流动应力影响不大，也就是说在相同真实应变 下不同应变速率变形时的流动应力几乎相同，流动应力几乎不具有应变速率敏 感性；相比之下应变速率对a z 3 1 镁合金的断裂延伸率却有一定影响，这说明 在较低温度下，细晶a z 3 1 镁合金的塑性具有一定的应变速率敏感性。由此可 见，在较低的温变形温度下，应变速率对流动应力和对延伸率的影响不具有同 时性。 由图2 5b ) 、c ) 、d ) 、e ) 可知，在1 5 0 - 3 0 0 温度下，应变速率对于a z 3 1 镁 合金的影响都很大。在相同的拉伸温度下，随着应变速率的增加，材料的屈服 强度随之增加，抗拉强度随之增加，延伸率和断面收缩率则减小。另外，应变 速率越高，失稳后的应变急剧减小，这说明随着应变速率的增大，缩颈后的断 裂过程加快。这是由于材料的塑性变形依赖于位错的滑移，位错运动的阻力与 原子扩散有关，而应变速率影响着原子的扩散，因此这会对材料的塑性造成影 响1 4 3 1 。 1 2 里堡堡矍三奎兰三兰璧圭耋竺兰銮 要 巷 岫： 芒 乏 r 翻 撼 真应变1 0 曲 真应变 曲 m 譬 式 搓 斌 芒 善 r 翅 憾 芒 乏 农 毯 憾 真应变 b ) 。 真应变 m 真应变 e ) a ) t = 5 0 cb ) i - - 1 5 0 ( 2c ) 1 = 2 0 0 1 2d ) 1 = 2 5 0 oe ) 1 = - 3 0 0 ( 2 图2 5 不同变形温度下应变速率对流动曲线的影响 f i g 2 - 5i n f l u e n c eo f s t r a i nr a t e o n f l o w c u r v e s a t v a r i o u s d e f o r m a t i o n t e m p e r a t u r e 1 3 图2 6 为应变速率为0 0 1 5 s 。时不同温度的流动曲线，从图中可知，当应变 速率保持不变时，屈服强度和抗拉强度随着温度的升高而减小。结果表明， a z 3 1 轧制镁合会的塑性在随着温度增加的同时，也存在着明显的软化，应变 硬化能力却随着温度的增加明显减弱。这可能是因为随着温度的上升，热激活 作用的增强导致镁合会发生一定程度的动态回复，从而大大降低了材料的位错 密度，削弱了材料的应变硬化能力1 4 4 1 。同时从图2 - 6 中还可以看出，随着温度 的升高，a z 3 1 轧制镁合会的峰值应力显著下降，5 0 - 3 0 0 温度范围内流动曲 线峰值前的应变硬化率高而硬化阶段短暂，在峰值后发生了明显的应变软化； 随着温度的继续升高，应力峰值前的应变硬化率明显降低但硬化阶段显著延 长，峰值后的应变软化减弱，并且在4 0 0 实现稳态流动。 3 0 0 2 5 0 0 00 20 40 60 3 1 o 1 2 真应变 图2 - 6 应变速率为0 0 1 5 s 1 时不同温度的流动曲线 f i g 2 - 6f l o wc u r v e so f d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e a ts t r a i nr a t e s0 0 1 5s 1 图2 7 为不同应变速率下的温度对延伸率的影响。可以看出延伸率随温度 的升高在2 0 0 时先达到一个峰值，然后降低。温度升高到4 0 0 1 2 时延伸率为 1 2 3 9 。这是因为当温度达到一定程度后，镁的密捧六方晶格中的附加滑移面 被激活，原予分布密度占第二位的第一种排列的第一类角锥面( 1 0 1 1 ) 开始起作 用，同时动念再结晶产生的细小品粒促进了变形的均匀性，增强了各晶粒变形 的协调性，进而增强了该合金的塑性，变形就容易得多了。 图2 8 为温度4 0 0 c 时，不同应变速率下的流动曲线。可以看到，