AZ31和AM30鎂合金管材彎曲成形及變形機(jī)理研究.pdf

1、鎂合金擠壓管材成形容易、尺寸精度高、組織致密、機(jī)械性能高,可最大限度地實(shí)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)一體化減重,是未來大規(guī)模推廣鎂合金應(yīng)用的重點(diǎn)。管材的成功應(yīng)用離不開彎曲、漲形、縮管等二次加工,但密排六方結(jié)構(gòu)的鎂合金室溫塑性變形能力弱,無法照搬鋼、鋁、銅等的二次塑性成形工藝,所以,本文系統(tǒng)地研究了AZ31和AM30鎂合金擠壓管材的彎曲成形性能及其變形形為,希望為鎂合金管材的規(guī)模應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)和實(shí)踐借鑒。
　　 擠壓成型了AZ31和AM30

2、兩種合金管材,并分析了它們的微觀組織、室溫和高溫力學(xué)性能。結(jié)果表明兩種合金在擠壓時(shí)均發(fā)生了完全動態(tài)再結(jié)晶,形成了由大角度晶界組成的等軸晶及c軸垂直于擠壓方向的絲織構(gòu),但在相同的擠壓工藝下,AM30合金管材的晶粒更加細(xì)小,分布均勻。隨擠壓溫度的升高,AM30合金管材的晶粒度增大,室溫拉伸強(qiáng)度降低,延伸率升高:低溫?cái)D壓得到的細(xì)晶管材變形時(shí)孿晶被抑制,絲織構(gòu)導(dǎo)致基面位滑移開動困難,室溫拉伸強(qiáng)度高,延伸率低,而高溫?cái)D壓得到的粗晶管材則因?qū)\晶、多

3、滑移系開動,協(xié)調(diào)變形性好,延伸率高,強(qiáng)度低。在高溫拉伸和壓縮變形時(shí),隨溫度的升高或應(yīng)變速率的下降,AM30合金管材的屈服強(qiáng)度及形變硬化率降低,延伸率增大。
　　 針對鎂合金的變形特點(diǎn),設(shè)計(jì)并定制了一套能加熱且保持相對恒溫的旋轉(zhuǎn)拉伸彎管機(jī)。采用該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn),加熱溫度范圍:室溫-400℃,速度范圍:0-5 r/min,角度0-180°。選用兩倍相對彎曲半徑(彎曲半徑/管外徑)和90°彎曲角,以彎曲后的壁厚減薄率、截面橢圓度和回彈率

4、作為評判標(biāo)準(zhǔn),考察了溫度、速度、管材的原始狀態(tài)等工藝及材料因素對管材彎曲成形性的影響規(guī)律。結(jié)果表明,隨彎曲溫度的升高,管材彎曲后的截面橢圓度和釋放后的回彈率均下降,當(dāng)彎曲溫度為200℃左右時(shí),管壁的減薄率最小。在彎曲溫度一定時(shí),隨彎曲速度的增大,管材的壁厚減薄率及截面橢圓度增大,而回彈率下降。具有細(xì)晶組織的管材在彎曲成形時(shí),可得到較小的壁厚變化和截面形狀畸變,且晶粒度的變化對彎后回彈的影響很小。管材與模具有相對滑動的接觸面進(jìn)行潤滑處理可

5、降低管材彎曲后的壁厚減薄率和截面橢圓度,但回彈率略有增加。實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)AZ31和AM30合金管材彎曲成形的最佳工藝參數(shù)為:加熱溫度:150-200℃,彎曲線速度8mm/s,待彎管材應(yīng)具有細(xì)晶組織,管材與模具之間應(yīng)做潤滑處理,且在相同的工藝條件下,AM30合金管材的彎曲成形性略好于AZ31合金。
　　 利用有限元軟件MSC.Marc成功實(shí)現(xiàn)了AM30合金管材旋轉(zhuǎn)拉伸彎曲的工藝仿真。對彎曲時(shí)處于彎曲半徑內(nèi)外兩側(cè)的管壁分別按壓縮曲線和拉

6、伸曲線定義材料模型。有限元模擬的結(jié)果經(jīng)過了實(shí)際彎曲試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。因此該模型可對鎂合金管材的彎曲工藝設(shè)計(jì)提供成形性的綜合預(yù)測。通過有限元彎曲工藝模擬預(yù)測了彎曲角度、相對彎曲半徑和管材的自身規(guī)格對彎曲成形性的影響規(guī)律及應(yīng)力應(yīng)變的分布。結(jié)果表明:隨彎曲角度的增大,管材表面的最大等效應(yīng)力在30°以前迅速增大,然后趨于穩(wěn)定,而最大等效塑性應(yīng)變一直增加,但增加速率逐漸降低。彎曲一定角度時(shí)(90°),管材表面的等效應(yīng)力與等效彈性應(yīng)變分布規(guī)律類似,即

7、在彎曲半徑的內(nèi)外側(cè)與中性面附近均有峰值出現(xiàn),等效塑性應(yīng)變的峰值出現(xiàn)于彎曲半徑的最外側(cè)與最內(nèi)側(cè),在中性面附近達(dá)到最小值。隨相對彎曲半徑的減小,管材的彎曲成形性迅速變差,管壁的等效塑性應(yīng)變增大,可成形的最小相對彎曲半徑為管材外徑的1.5倍。隨相對壁厚(管外徑/壁厚)的增大,管材的彎曲成形性變差,可成形的最大相對壁厚值為30,相對壁厚的改變對彎曲時(shí)管壁的塑性變形量影響較小。
　　 采用背散射電子衍射技術(shù)(EBSD)研究了AZ31和AM

8、30合金管材在150℃彎曲前后不同變形量區(qū)域的管壁對應(yīng)的微觀組織,總結(jié)并提出了鎂合金管材彎曲成形時(shí)的塑性變形機(jī)制。結(jié)果表明:處于彎曲半徑外側(cè)的管壁材料,在彎曲變形時(shí)主要發(fā)生拉伸變形,其變形機(jī)制以位錯(cuò)滑移為主,處于彎曲半徑內(nèi)側(cè)的管壁,彎曲時(shí)主要發(fā)生壓縮變形,變形時(shí)除發(fā)生位錯(cuò)滑移以外,{10-12}<10-11>拉伸孿晶是其重要的變形方式,且孿晶使管壁材料的宏觀織構(gòu)發(fā)生了近似90°的轉(zhuǎn)變。另外,AM30合金管材的原始織構(gòu)較AZ31合金的弱且