1.緒 論

1.1 引言
鎂是自然界尤其是地殼中含量比較多的元素之一，若按重量排序，在地殼中排在第八位，排在常用的金屬鋁和鐵之后，其重量大約占地殼重量的 2.1%。地殼中含有的化合物種類約有 1600 種，其中僅鎂元素的化合物就有超過 200 種，并且其分布也非常的廣泛。當(dāng)前用于工業(yè)上的主要煉鎂原料有菱鎂礦、光鹵石、白云石和蛇紋石，海水和鹽湖水中也含有大量的鎂元素化合物，也可作為煉鎂原料。我國的鎂資源非常豐富，鎂資源儲(chǔ)量約占地球上鎂資源總量的 23%，已經(jīng)探明的菱鎂礦儲(chǔ)量就超過 30 億噸，居于世界首位，白云石礦產(chǎn)量更是超過 40億噸，而且我國的鹽湖鎂資源也非常豐富。我國原鎂產(chǎn)量已居世界首位近 20 年，同時(shí)也是是世界第一大鎂出口國[l]。純鎂的密度相比于其它金屬較低，大約是鋁密度的 2/3，鋼密度的 1/4，金屬鎂及鎂合金是當(dāng)前應(yīng)用于工程及機(jī)械加工中的最輕質(zhì)的金屬材料[2]。除密度小以外，鎂及其合金的比強(qiáng)度和比剛度卻比較高，而且具有很好的切削加工性能,良好的電磁屏蔽性能，良好的散熱性而且容易回收和二次應(yīng)用，被譽(yù)為 21 世紀(jì)的綠色工程材料[3]。即使如此，依然存在許多因素制約著鎂及其合金的生產(chǎn)，例如材料的制備、鎂及其合金的加工技術(shù)、空氣中容易氧化、易腐蝕以及價(jià)格等，正是由于這些制約因素，鎂及其合金在工程以及加工領(lǐng)域的使用量仍然大大低于傳統(tǒng)金屬材料鋼鐵和鋁合金。有一個(gè)非常重要的原因是過去鎂沒有找到巨大的應(yīng)用市場。近些年來，隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，社會(huì)快速運(yùn)轉(zhuǎn)，環(huán)境日益惡化，能源問題也越來越緊張，越來越多的企業(yè)致力于汽車的輕量化和低耗能，這重新引起了大家對(duì)鎂的極大興趣[4]。我國鎂生產(chǎn)能力占世界的 2/3 以上，但原鎂產(chǎn)能利用率低下，超過 80%的鎂資源都是經(jīng)簡單處理作為初級(jí)原料低價(jià)出口[5]。 高性能鎂合金以及鎂合金產(chǎn)品的生產(chǎn)能力不足，嚴(yán)重阻礙了我國鎂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
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1.2 鎂合金的概述
我國普遍使用美國的材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)制定和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，也就是我們常說的ASTM 標(biāo)準(zhǔn)[5]。按照 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，各類鎂合金的名稱由三個(gè)部分組成，第一部分是字母，由代表鎂合金中除鎂以外的含量最高的兩種元素的字母組成，且順序是按鎂合金中元素含量由多到少排列的，第一個(gè)字母表示合金中化學(xué)元素的含量高，假如出現(xiàn)合金中的兩種元素含量一樣，則其排列順序就根據(jù) 26 個(gè)英文字母的排序；第二部分是數(shù)字，數(shù)字是前面一部分兩種元素在鎂合金中的準(zhǔn)確含量，是用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示該元素在合金中所占的份額，用整數(shù)（四舍五入）表示。第三部分是 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)指出的英文字母如 A、B、C 以及 D 等，這些英文字母在一般情況下表示了鎂合金的元素純度，用來劃分具有相同元素，相同名稱但不同元素含量的合金，代表了各型號(hào)鎂合金發(fā)展的各個(gè)階段[5]。例如，AZ31表示合金 Mg-3Al-1Zn。正常來講，合金的化學(xué)成分、成型工藝以及合金中是不是具有有色金屬鋯，這三方面是鎂合金的分類依據(jù)[5]。
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2 主要研究方法與設(shè)備

2.1 本文研究方案
本課題首先以對(duì)稱軋制和不對(duì)稱軋制兩種工藝溫軋 0.5mm 厚 AZ31 鎂合金薄板，探究并選擇最佳熱處理工藝。進(jìn)行金相實(shí)驗(yàn)和 XRD 實(shí)驗(yàn)，從微觀方面解釋影響鎂合金薄板力學(xué)性能和成形性能的因素。進(jìn)行不同溫度下的單向拉伸實(shí)驗(yàn)，以獲得沖壓成形性能指標(biāo)。進(jìn)行不同溫度下的拉深實(shí)驗(yàn)、杯突實(shí)驗(yàn)以及 FLD 實(shí)驗(yàn)等，探索適合 AZ31鎂合金薄板的沖壓工藝。
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2.2 板材制備
實(shí)驗(yàn)原材料以銀河鎂鋁合金公司軋制的 AZ31 鎂合金熱軋鎂卷，原料的初始厚度是3mm，寬度是 380mm，熱軋態(tài)鎂卷化學(xué)成分如表 2.1 所示。軋制實(shí)驗(yàn)在遼寧科技大學(xué)鎂合金鑄軋工程技術(shù)中心自主研制的六輥溫軋機(jī)進(jìn)行（如圖 2.2），采用多道次可逆軋制軋機(jī)兩邊有隧道爐，軋輥具有控溫裝置，軋制時(shí)原料首先進(jìn)入隧道爐加熱到 250℃，軋輥也預(yù)熱到 300℃左右。采用多道次、小壓下量、可逆軋制，軋制到厚度為 0.5mm 為止。不對(duì)稱軋制時(shí)采用相同的生產(chǎn)工藝，通過改變上下工作輥的直徑實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱，上工作輥直徑 60mm，下工作輥直徑 80mm。軋制工藝如表 2.2 所示，1 號(hào) 2 號(hào)試樣分別采用對(duì)稱和不對(duì)稱軋制工藝軋制。金相分析作為金屬材料微觀組織一種常規(guī)檢測方法，金相顯微鏡下能夠觀察到金屬材料的晶粒大小、晶粒形狀、孿晶及其分布情況[50]。鎂合金的金相試驗(yàn)過程包括取樣﹑鑲嵌（冷鑲）﹑研磨（水磨砂紙 400 目到 5000目）﹑拋光（拋光膏用 1W 和 0.5W，最后水拋）﹑腐蝕等。腐蝕 AZ31 鎂合金所用腐蝕劑配比為苦味酸 1.0g+乙醇 16ml+乙酸 1ml+蒸餾水 2ml，腐蝕時(shí)間 為 35~45s，腐蝕劑現(xiàn)配現(xiàn)用，，不可多配留用。
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3.AZ31 鎂合金薄板力學(xué)性能研究..........26
3.1 引言.....26
3.2 熱處理對(duì)普通軋制 AZ31 鎂合金薄板微觀組織及力學(xué)性能的影響.......26
3.3 軋制工藝對(duì) AZ31 鎂合金薄板微觀組織及力學(xué)性能的影響.....30
3.3.1 軋制工藝對(duì) AZ31 鎂合金薄板微觀組織的影響........30
3.3.2 軋制工藝對(duì) AZ31 鎂合金薄板力學(xué)性能的影響........32
3.4 AZ31 鎂合金薄板沖壓力學(xué)性能分析.......35
3.6 本章小結(jié)..........43
4.AZ31 鎂合金薄板成形實(shí)驗(yàn)研究..........44
4.1 引言.....44
4.2 AZ31 鎂合金薄板室溫拉深實(shí)驗(yàn)研究.......44
4.3 AZ31 鎂合金薄板高溫狀態(tài)下的 FLD 實(shí)驗(yàn)研究.......... 46
4.4 AZ31 鎂合金薄板熱成形實(shí)驗(yàn)研究....49

4. AZ31 鎂合金薄板成形實(shí)驗(yàn)研究

4.1 引言

鎂合金的室溫沖壓對(duì)沖壓模具和操作工藝要求低，但由于塑性性能差的原因，室溫下能沖壓成形只適合結(jié)構(gòu)簡單，沖壓前后尺寸變化小的工件[56]。而鎂合金薄板變形時(shí)，高溫能夠激活更多的滑移系，是沖壓更易進(jìn)行，從而克服鎂合金薄板塑性性能差的缺點(diǎn)，使能夠沖壓成形的零件形狀尺寸更加復(fù)雜。本章將從沖壓溫度和壓邊力大小等方面，對(duì) AZ31 鎂合金薄板的室溫及高溫沖壓工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)行不同溫度下的杯突實(shí)驗(yàn)和高溫下的 FLD 實(shí)驗(yàn)，以期找到影響鎂合金薄板成形的主要因素和最佳的高溫拉深工藝。室溫下，對(duì) 0.5mm 厚對(duì)稱軋制 AZ31 鎂合金薄板進(jìn)行拉深實(shí)驗(yàn)。首先分別用直徑為 60 毫米、65 毫米、70 毫米以及 75 毫米的試樣進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)選用壓邊力 5KN，凸模速度 10mm/min。發(fā)現(xiàn)試樣直徑為 70 毫米和 75 毫米時(shí)，凸模圓角區(qū)出現(xiàn)破裂，推測該材料室溫拉深實(shí)驗(yàn)時(shí)，所能選用的最大直徑大約為 70 毫米。正式實(shí)驗(yàn)選取同樣的工藝參數(shù)，試樣直徑從 66.25mm 到 73mm，每兩個(gè)試樣直徑相差 1.25mm，如圖 3.19（1）所示。計(jì)算得對(duì)稱軋制板材 LDR 值為 1.17，不對(duì)稱軋制板材 LDR 值為 1.26，（2）中a 是直徑為 70mm 的不對(duì)稱軋制板材，其沖壓深度為 9.8mm，b 是直徑為 70mm 的對(duì)稱軋制板材，其沖壓深度為 7.1mm。說明不對(duì)稱軋制工藝有利于改善 AZ31 鎂合金薄板室溫下的塑性成形性能。

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結(jié) 論

1、室溫下不對(duì)稱軋制工藝制備的 AZ31 鎂合金薄板比對(duì)稱軋制工藝制備的 AZ31鎂合金薄板晶粒分布更加均勻，更加細(xì)小，基面織構(gòu)減弱，抗拉強(qiáng)度和延伸率大幅度增加，力學(xué)性能更好。
2、隨熱處理溫度升高，保溫時(shí)間延長，鎂合金板材晶粒長大，當(dāng)溫度達(dá)到 300℃時(shí)，出現(xiàn)了靜態(tài)再結(jié)晶，試樣熱處理溫度為 350℃，保溫時(shí)間 0.5h 時(shí)，靜態(tài)再結(jié)晶達(dá)到完整，溫度繼續(xù)升高或者保溫時(shí)間繼續(xù)增加，晶粒都會(huì)出現(xiàn)不同程度的長大。
3、對(duì)稱軋制 AZ31 鎂合金薄板經(jīng) 350℃，0.5h 熱處理后，斷裂延伸率達(dá)到 16.36% ，未熱處理板材的值只有 8.41%，薄板抗拉強(qiáng)度變化不大。當(dāng)熱處理溫度升高到 400℃或者保溫時(shí)間延長到 1h，延伸率出現(xiàn)了一定程度的減小，但變化并不明顯。
4、室溫下，與對(duì)稱軋制板材相比，不對(duì)稱軋制板材各方向的屈強(qiáng)比即均減小，n值均增大，r 值均減小。小的屈強(qiáng)比和大的應(yīng)變硬化指數(shù)有利于薄板的沖壓成形，但小的塑性應(yīng)變比對(duì)薄板的沖壓成形不利。
5、隨著變形溫度的升高，兩種工藝制備板材的沖壓性能指標(biāo) r 值，出現(xiàn)了不同的趨勢，對(duì)稱軋制板材的 r 值降低，不對(duì)稱軋制板材的 r 值升高。
6、室溫下，不對(duì)稱軋制 AZ31 鎂合金薄板極限拉深比為 1.26 高于對(duì)稱軋制薄板的極限拉深比 1.17，有利于薄板的沖壓成形性能。
7、室溫到 350℃范圍內(nèi)，隨著溫度升高，AZ31 鎂合金薄板的杯突值有升高趨勢，350℃時(shí)杯突值為 9.3mm，遠(yuǎn)大于室溫時(shí)的 2.2mm，不對(duì)稱軋制薄的杯突值高于對(duì)稱軋制薄板。
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：52218