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1、目录摘要IAbstractIII第一章 绪论11.1 镁及镁合金材料的性质及工艺特点11.2 合金元素对AZ31B镁合金的影响21.2.1 Al元素的影响21.2.2 Zn元素的影响31.2.3 其它合金元素的影响31.3 镁合金的发展和应用31.3.1 镁合金在汽车工业上的应用41.3.2 镁合金在现代兵器零部件上的应用41.3.3 镁合金在航空航天工业中的发展51.3.4 镁合金在其它领域的应用发展51.4 镁合金现代生产技术51.5镁合金的塑性变形机理71.5.1 滑移变形71.5.2 孪生变形81.6 常见的镁合金塑性加工工艺81.7 金相显微镜101.8 镁合金AZ31B板料成形性能
2、研究进展131.9课题的提出14第二章 有限元模拟基础知识162.1 引言162.2 有限元模拟屈服准则的选择162.3工件与模具接触与摩擦182.3.1 接触方式182.3.2 摩擦的定义192.4单元的类型与求解算法192.5 Deform有限元分析软件20第三章 实验装置233.1 金属板材的冲压成形性能233.1.1 利克辛实验（杯突实验）233.1.2改进的极限拱顶高度实验243.2 极限拱顶高度实验装置25第四章 镁合金成形性能研究314.1板料厚度对镁合金AZ31B成形性能的影响314.1.1极限拱顶高度实验结果314.1.2 DEFORM-2D模拟中摩擦系数的确定334.1.3
3、数值模拟分析344.2 成形温度对镁合金AZ31B板料成形性能的影响374.2.1极限拱顶高度实验结果374.2.1 数值模拟分析394.3 成形速度对极限拱顶高度的影响424.3.1 极限拱顶高度实验424.3.2 数值模拟分析434.4润滑条件对镁合金成形性能的影响454.4.1 不同的板料厚度464.3.2 不同的成形温度474.4.3 不同的成形速度494.5 本章小结50第五章 二次成形对镁合金板料成形性能的影响535.1 预成形高度对二次成形结果的影响535.2 保温时间对二次成形结果的影响565.3 镁合金板料的金相组织575.3.1 金相样品的制备575.3.2 镁合金金相分析
4、585.4 本章小结62第六章 结论与展望666.1 结论666.2 展望68参考文献71致谢78ContentsAbstract(Chinese)Abstract(English)Chapter Instruction1.1 Property and process characteristics of magnesium and magnesium alloy11.2 Impact of alloy elements on AZ31B magnesium alloy21.2.1 Al21.2.2 Zn31.2.3 Other elements31.3 The development and
5、 application of magnesium alloy31.3.1 The application on automobile41.3.2 The application on parts of modern weapons41.3.3 The development on aerospace industry51.3.4 Other filds51.4 Modern production of magnesium alloy51.5 The plastic deformation machnism of magnesium alloy71.5.1 Sliding deformatio
6、n71.5.2 twinning81.6 Common plastic processing of magnesium alloy81.7 Metallographic microscope111.7 The research progress of magnesium alloy AZ31B sheetsformability131.8 Topic proposing14Chapter Sheet metal plastic forming finite element simulation162.1 Instruction162.2 The choice of yield creterio
7、n16 2.3 The contact and friction of workpiece and mold182.3.1 Contact pattern182.3.2 Definition of friction192.4 Unit type and Solving algorithm192.5 Deform finite element analysis software20Chapter Experimental device233.1 Stamping formability of sheet metal233.1.1 Erichsen Test / Cupping Test243.1
8、.2 Modified Limit Dome Height Test253.2 Limited dome height test device25Chapter Formability of magnesium alloy314.1 The sheet thickness314.1.1 LHD test result314.1.2 Determination of the friction coefficient in DEFORM-2D314.1.3 Simulation result314.2 The forming temperature394.2.1 LHD test result39
9、4.2.2 Simulation result394.3 The forming velocity464.3.1 LHD test result464.3.2 Simulation result464.4 Lubrication condition514.4.1 thickness514.4.2 Temperature514.4.3 Velocity514.5 Conclusion59Chapter Double forming process615.1 Preforming height 615.2 Soaking645.3 Microstructure of magnesium alloy
10、 sheet665.3.1 Preparation of metallographic samples665.3.2 Metallographic analysis of magnesium alloy685.4 Conclusion72Chapter Conclusion and Outlooks746.1 Conclusion746.2 Outlooks76References77Acknowlegments82摘要镁合金被誉为21世纪绿色工程材料之一。镁合金的密度较小，镁合金制品整体结构质量轻、能源消耗少。同时镁合金具有较高的比强度和比刚度以及良好的切削加工性能和铸造性能。在高温下，镁合
11、金的塑性较好，能够采用各种塑性成形的方法加工成板材、棒材、型材和粉材，并获得压铸件、锻件和模锻件等。 镁合金板料的塑性成形性能与成形温度、成形速度、板料厚度、工件与模具之间的摩擦等成形参数密切相关。本文采用极限拱顶高度实验装置，着重分析了各成形参数对镁合金AZ31B板料胀形成形性能的影响，并找出提高镁合金板料成形性能的方法。（1）在本文提出的温度范围内（100250），随着成形温度的提高，镁合金板料的成形性能逐渐增强。（2）当板料厚度t为0.6mm时，板料的成形性能是最好的。板料厚度t小于0.6mm时，镁合金AZ31B板料的成形性能随着板料厚度的增加而变好；反之t大于0.6mm时，镁合金AZ3
12、1B板料的成形性能随着板料厚度的增加而变差。（3）对比两种成形速度下（1mm/min和10 mm/min）镁合金板料的极限拱顶高度和胀形系数：较低的成形速度下，镁合金板料的极限拱顶高度和胀形系数较大。降低镁合金板料的成形速度能提高镁合金板料的成形性能，但是过低的成形速度不适合在工业生产中广泛应用。（4）在各种条件下采用二硫化钼润滑时镁合金板料的成形性能均比无润滑时要好。因此本文提出250、t=0.6mm、v=10mm/min、采用时板料的成形性能最好，其极限拱顶高度达38.6mm，胀形系数为0.919。另外，本论文提出镁合金板料的二次成形方法，即先预成形至一定拱顶高度，在成形温度下保温一段时间
13、后再成形至失稳。对比了二次成形与一次成形时镁合金板料的成形性能，并分析了预成形高度与保温时间对二次成形性能的影响；从拱顶高度和胀形系数等宏观角度分析镁合金板料的成形性能；对比了各成形条件下镁合金板料垂直于胀形方向的显微晶粒组织，从内部晶粒变化机理分析二次成形对镁合金板料成形性能的影响，最终找出提高镁合金板料成形性能的方法。关键词：镁合金；AZ31B；拱顶高度；胀形系数；成形性能AbstractMagnesium alloy is known as one of the green engineering materials in 21st century. It has lower densi
14、ty, therefore its products are light, and have lower energy consumption. Besides, magnesium alloy has special strength and stiffness, along with good machining property and casting performance. The formability of magnesium alloys is very good at a high forming temperature. With many kinds of plastic
15、 forming, it can be processed into sheets, rods, profiles and powder materials, as well as castings, forgings and die forgings.The plastic formability of magnesium alloy sheets is concerned with forming temperature, velocity, the thickness of the sheet, and the friction between the mold and the shee
16、ts. In this paper, the Limited Dome height Test is used to explore the impact of forming parameters on the formability of magnesium alloy sheet, resulting in finding the optimum method to raise the forming ability. (1) In the forming temperature range from 100 to 250, the formability is gradually in
17、creasing with the rising of temperature. (2) When the thickness of the sheet is 0.6mm, the formability is optimal. As the thickness of the sheet is lower than 0.6mm, the formability is improved with the increasing of thickness; reversely, the formability is lessened with the increasing of thickness.
18、 (3) Comparing the two forming velocities of 10mm/min and 1mm/min, a lower velocity can improve both limited dome height and bulging coefficient, but it is not suitable for wide application in industrial production. (4) The formability is always better when the sheet is lubricated by some lubricants
19、 such as than that without lubrication. In summary, the optimal forming condition is: a forming temperature of 250, a sheet thickness of 0.6mm, a forming velocity of 10mm/min, and lubrication by , at which the limited dome height can reach 38.6mm and the bulging coefficient is 0.919.On the other han
20、d, a twice-forming method is presented in this paper. This new method is compared with the single forming method, and the impact of preforming height and soaking on twice-formability is analyzed. The limited dome height and bulging coefficient are chose to analyze the formability. The microscopic gr
21、ain structure of the direction that is perpendicular to bulging direction under all kinds of condition is observed, and the impact of twice forming method on the formability of magnesium alloy sheet is analyzed from the view of internal mechanism, finally a method to improve the formability is prese
22、nted.Keywords: magnesium alloy; AZ31B; dome height; bulging coefficient; forming property第一章 绪论1.1 镁及镁合金材料的性质及工艺特点镁元素在自然界中分布广泛，居第八位，是地壳中分布最广的元素之一，约占地壳质量的2.35%1。在镁基中添加其他元素所组成的镁合金，是目前使用最轻的金属结构材料2，提高镁合金的应用范围受到人们的广泛重视。在金属结构材料中，镁合金具有绝对优势3-6：（1）纯镁的密度为1.738g/cm3，镁合金的密度比纯镁稍大，在1.751.85 g/cm3之间，大约是铁的密度的1/4，铝的
23、密度的2/3，与塑料接近。因此采用镁合金材料的产品可以减轻结构重量，降低能源消耗，减少污染排放，同时使运输机械的载重量和速度有较大幅度的提高7。（2）有很高的比强度和比刚度，其比弹性模量与合金钢、高强度铝合金相当，因此采用镁合金制作刚性良好的整体构建，对于构件的整体性能十分有利8。（3）镁合金的阻尼性能好，震动吸收性能好，适合用镁合金制作抗震减震的零部件。（4）镁合金的弹性模量较低，受力时，应力分布均匀，能够防止过高的应力集中。当承受的冲击载荷在弹性范围内，其吸收的能量比铝高50%，所以，适合用镁合金制造承受剧烈冲击的零部件。（5）镁合金的电磁屏蔽性比铝合金好，适宜制作电子产品，如计算机和手机
24、等产品的外壳，可降低对人体的辐射危害。（6）镁具有抗碱性、抗盐雾腐蚀性能。（7）镁几乎不与铁发生反应，因此采用压铸成型时，压铸模磨损少，可延长模具的使用寿命。另外，镁的压铸速度比铝高。（8）镁合金的铸造性能优良，几乎可以采用所有的铸造工艺。（9）镁合金具有优良的切削加工性能；其切削速度远远比其他金属材料要高；机加工工件在加工过程中不需要切削液；加工后不需要磨削、抛光处理；加工面的光洁度很高；同时其尺寸稳定性好、尺寸精度高。（10）镁合金材料在高温下具有良好的塑性，因此可以在一定温度下采用压力加工的方法获得各种规格板材、棒材、型材和粉材，并获得压铸件、锻件和模锻件等。但是镁合金在室温的塑性变形能
25、力差，在室温下难以进行塑性加工。（11）镁合金回收率高，达到环保要求9。由于镁合金具有这样的工艺特点，被誉为“21世纪的绿色工程材料”10，越来越多应用在电子、汽车工业、 航天、国防等领域11。1.2 合金元素对AZ31B镁合金的影响 本论文研究镁合金AZ31B板料的胀形性能，大量的研究表明，合金元素对材料的各项力学性能有很大的影响12，本章节介绍各种合金元素对AZ31B镁合金板料的影响。AZ31镁合金是目前最广泛应用的变形镁合金之一13，其主要化学成分见表1-114。表1-1 镁合金主要元素质量分数%元素AlCaCuFeMnNiSiZnMg质量分数2.5-3.5Max 0.040.050.0
26、050.2Max 0.005Max 0.10.6 - 1.4971.2.1 Al元素的影响Al是AZ31镁合金中的主要元素，主要起到固溶强化作用并形成沉淀析出相，从而降低合金的塑性并提高其强度和耐腐蚀性能15。Al对镁铝合金的铸态组织的影响是根据Mg-Al二元相图：平衡结晶时，温度为437，发生共晶反应：，共晶产物Al的含量为32.3%。在此温度下，Mg中Al的最大溶解度为12.7%。当温度下降时，溶解度降低，下降到100时，溶解度下降2%。AZ31中Al的含量为2.5-3.5%，且由于工业上的所用的镁铝合金通常是不平衡结晶，室温状态下的组织通常为16。镁合金中的Al含量小于百分之十时，随着A
27、l的含量的增加时，镁铝合金的伸长率先提高后下降，同时其抗拉强度增强。首先是因为Al在Mg中起到固溶强化作用；其次，由于Al在Mg中的溶解度随温度降低而下降，合金凝固或者进行时效处理时，弥散的、平衡的强化相在过饱和固溶体中析出，从而提高Mg-Al合金的强度。Al可以提高铸件强度，改善铸件的可铸性。若在晶界上析出则会降低镁合金的抗蠕变性能17。工业上所用的镁合金并非单纯的二元Mg-Al合金，而是同时加入其它合金元素，改善镁合金的铸造性能、力学性能、高温性能和抗蚀性能18。1.2.2 Zn元素的影响Zn在镁合金中的固溶度为0.6 - 1.4%，并随着温度的降低而显著减少。原则上Zn的含量一般控制在2
28、%以下，Zn可以提高镁合金铸件的抗蠕变性能。当Zn含量大于2.5%时，Zn对镁合金的防腐性能有负面影响。当Zn含量较小时（小于1%），一方面由于Zn在Mg中的固溶强化，另一方面，少量的Zn还可以使Al在Mg中的溶解度增大，从而提高镁合金的抗拉强度。在Mg-Al-Zn合金中，为了获得良好的综合力学性能，Al、Zn含量应该有合适的比例。Al和Zn的含量比值Al/Zn是重要的参数，前人在对Mg-Al-Zn合金进行力学性能实验结果表明：当Al的含量小于8%时，Zn的含量增加，伸长率下降，抗拉强度提高。1.2.3 其它合金元素的影响镁合金中的Fe和Ni元素对于镁合金的抗腐蚀性能极为不利，会使镁合金的抗蚀
29、性能严重降低，其含量必须严格控制。因此，Fe和Ni的含量均必须小于0.005%19-20。Mn能提高AZ31镁合金的耐腐蚀性能，在熔炼的过程除去铁和其它重金属元素，避免有害的晶间化合物影响AZ31镁合金的耐腐蚀性能。此外，Mn元素还可以细化晶粒，提高镁合金的可焊性。1.3 镁合金的发展和应用1808年H.Davy21在实验室提得纯镁，至今镁合金的使用已有两百多年的历史。早期镁合金工业的发展十分缓慢。二战期间，由于军需，镁合金在军工、航天等领域开始广泛应用，此时掀起了研究和应用镁合金的热潮22。战后，镁合金转入民用工业，为了提高镁合金的性能，研究人员将铜、镍和铁等元素加入镁基中，不断促进镁合金工
30、业的发展。1.3.1 镁合金在汽车工业上的应用早在20世纪20年代中期，德国就出现了镁合金压铸件23。1930年一家德国工厂在一辆汽车上镁合金的使用达到了73.8kg。1936年镁合金用于生产德国大众汽车 “甲壳虫”的发动机传动系统零部件。1946年，镁合金在“甲壳虫”的应用达18kg。到1980年，镁合金的用量总量达38万吨24。长期以来，对镁合金的研究使用德国一直处于世界领先地位，而北美和日本汽车行业中镁合金的开发应用始于20世纪80年代。20世纪80年代末我国引进了汽车变速器壳体壳盖大型镁合金压铸技术，开始了在大型汽车使用镁合金压铸件。镁在我国分布广泛，菱镁矿储量居世界第一位，约占全球的
31、22.5%，主要分布在辽宁、河北、四川、山东、青海和西部等地，我国镁产业的发展具有原材料丰富、原材料成本低等优势，有利于进行镁合金的研究应用。在“十五”期间启动了 “镁合金开发应用及产业化”项目。全国21个省、自治区、直辖市的4个研究院所、7所高校、20多家企业直接参与了该项目的研究进展。近年来，国内对铝镁合金的研究已有很大的进展，也取得很大的成绩，主要的项目有：压铸成形材料、压铸模设计技术、真空压铸成形工艺、添加稀土的铝镁合金、金相组织分析、铸造缺陷分析、表面防氧化技术、具有阻燃性的镁合金、CAD、CAM、CAE、浇口和流道设计、数值分析、成形后热处理等 25。从世界各国各个汽车生产厂家镁合
32、金使用的综合数据来看，目前镁合金在汽车底盘、发动机及传动系统和车内外构件已有广泛的应用。1.3.2 镁合金在现代兵器零部件上的应用镁合金广泛的应用于枪械武器，导弹、火炮、弹药、装甲车辆、光电仪器、军用器材及武器用计算机。根据兵器本身的使用特点和功能要求，结合镁合金的性能，镁合金密度小，镁合金的尺寸稳定很高，满足导弹、火箭减重及高精度要求，镁合金在兵器上的应用技术是可行的，并不断的向前发展26。因此，应用开发具有高强度、高刚度和低膨胀系数的镁基复合材料是现代兵器发展的重要方向之一。1.3.3 镁合金在航空航天工业中的发展在20世纪20年代，镁合金材料就开始用于制造飞机发动机曲柄箱、客机座椅和起落
33、轮零部件等零件。经过将近一百年的发展，镁合金材料的各方面性能都有很大的提高，镁合金的应用范围也不断的扩大，从民用、军用飞机上的发动机零部件、齿轮箱、支架结构，到火箭、导弹和卫星上的一些零部件。1.3.4 镁合金在其它领域的应用发展由于镁的热中子吸收截面小，仅是铝的1/4。核反应堆用包覆套管需要在高热、表面强热流、强烈的射线和内表面受到破碎片的强烈冲击等恶劣的条件下使用。大量的实验证明，镁合金完全能在400500下作为反应堆中的包覆材料。作为21世纪清洁能源，核能的使用会不断发展，作为包覆材料的镁合金的使用也会不断增加，因此镁合金在核工业上的潜力是可以想象的。由于镁合金自身的性质及工艺特点，镁合
34、金在铁道行业、船舶、冶金、化学、电力、电子、家用电器、家具、医疗等领域也会得到广泛的应用和发展。1.4 镁合金现代生产技术1）压铸镁合金镁合金压铸成型具有一些的优点：良好的充型能力、凝固速度快、可用于生产薄壁压铸件而不出现欠铸和热裂等缺陷、铸件留型时间短、效率高、对压铸模的冲击小、铸型的热疲劳现象少和铸型及坩埚的使用寿命长等优点27。由镁合金自身的特性可知，镁合金铸件基本上不与铁基发生反应，避免对镁合金熔融液的污染。采用压铸成型不仅可以用冷室压铸机压铸，同时也可以采用热室压铸机压铸，提高压铸成型效率。镁合金压铸成型铸件收缩率均匀一致，脱型力较低，因此镁合金铸件尺寸精度高。压铸镁合金主要有三个系
35、列AZ(Mg-Al-Zn-Mn)系、 AS(Mg-Al-Si-Mn)系和AM (Mg-Al-Mn)系。镁合金压铸成型应注意以下问题：合金液容易碱化燃烧，应添加一些阻燃剂，不仅解决压铸成型过程发生燃烧现象，同时可使镁合金铸件获得阻燃性能。2）半固态铸造镁合金镁合金半固态铸造融合了塑料注塑成型和金属压铸成型的特点。该工艺成型的压铸件，成型压力较高，还需对镁合金进行预处理，制成屑片，且设备成本较高，大大提高了镁合金铸件的生产成本。但是采用这种工艺的镁合金铸件内外表面质量明显改善，力学性能和耐腐蚀性能都有很大的提高，同时镁合金铸件的尺寸精度高，对于生产飞机零部件和导弹等需要高尺寸精度的零件来说是一项重
36、大改进。3）挤压铸造镁合金及其它铸造成型方法日本东芝机器公司结合挤压铸造技术、低压铸造技术和通过电磁控制浇注泵流量，开发了LEOMACS系统。因使从供料到挤压之间金属液的停留时间缩短，使铸件均匀凝固，可生产形状复杂的薄壁镁合金件。这个系统使生产过程中镁合金熔融液表面与空气隔开，避免镁合金熔融液的氧化燃烧，同时可在低温下进行保温和浇注28。流变铸造工艺是在同一个单元内对熔体进行搅拌、压射及施加压力。用于搅拌熔体的电磁搅拌装置安装在压射室外围。流变铸造工艺结合了压铸和挤压铸造成型的优点，提高铸型的使用寿命。镁合金消失模铸造技术刚刚开始研究，是将先进材料和先进工艺相结合，用于生产形状复杂的汽车零部件
37、。低压铸造和差压铸造方法使镁合金在铸造过程中将合金的气体保护和预加压系统有效结合起来，已实际应用于生产镁合金汽车零部件。4）镁合金的阻燃技术现在普遍使用得保护溶剂是以无水光卤石为主并添加氟化物、氯化物。该溶剂熔点低，在较低的温度下融化成固态，阻止空气和镁熔液相接触。在发达国家使用惰性气体保护法或能与镁发生反应成致密的氧化膜的阻燃物质。保护气体主要有、等。其中最为实用的是采用合金化的方法提高镁合金熔融液阻燃性。大量的实验表明，加入钙、铍或稀土元素，对于提高镁合金的阻燃性都有很大的作用。5）镁合金熔融液的变质处理镁合金熔熔液的变质处理是通过改变镁合金的组织形态，从而影响合金的晶粒大小、力学性能和合
38、金的氧化杂质含量。对于含Mn、Al等合金元素的镁合金，可采用过热高温处理来细化晶粒。对于含Al的镁合金，可加入适量的碳素，通过形成使镁合金晶粒细化。对于不含Al的镁合金，可加入锆元素使晶粒细化。日本在熔炼镁合金熔液时为了得到较好的变质效果，采用氢气混入高纯碳粉作为变质剂。在一些特殊的场合，对镁合金制件的耐热性有较高的要求，国内外的研究人员发现含稀土元素的镁合金，如含Zr的高温镁合金具有较强的耐热性。1.5镁合金的塑性变形机理虽然镁合金的铸造性能较好，生产效率高，并且可以成型各种大型小型且形状复杂的零部件，但铸造件本身所具有的缺点却不可避免，如缩孔、缩松、晶粒粗大（虽然可以通过变质处理得到一些改
39、善，但会增加镁合金的生产成本，并且达不到使用要求）、偏析、脆断性、综合力学性能和使用性能较差，难以满足特殊场合的使用要求，从而使镁合金的适用范围受到限制29-30。其次对于镁合金薄壁件，在使用铸造工艺时产生大量的废料，还需进一步的切削加工，不仅对原材料造成浪费，也增加原材料成本，降低镁合金使用的经济效益。镁合金塑性成形工艺，如挤压、轧制、锻造、拉深、胀形等可以消除或减小在铸造工艺阶段所形成的缩孔缩松，提高镁合金材料的综合力学性能和使用性能，扩大镁合金的应用范围。基于镁合金本身的性质和工艺特点，加上日益进步的工艺技术，镁合金有望成为21世纪新型的高性能材料。但是常温下，镁合金的塑性变形能力较差，
40、这就限制了镁合金在工业生产中的推广31。为了更好的解决镁合金在实际生产过程中的塑性变形所遇到的困难，首先要清楚镁合金塑性变形的内部机理。1.5.1 滑移变形一般金属材料主要是靠位错运动来实现塑性变形的，镁合金发生塑性形时也不例外。当外部条件一致时，晶体中的滑移系越多，变形时滑移方向也越多，位错便不容易塞积，塑性变形能够连续进行，因此材料的塑性就好32。纯镁和镁合金的晶格结构大多是密排六方，轴比为1.632，与理想的密排六方结构接近。研究结果表明，镁合金的滑移系主要有三个：基面、棱面和锥面滑移系。镁合金晶体结构中原子排列最为紧密的晶面是0001基面，是最基本的滑移系，在室温镁合金发生塑性变形时，
41、只有三个基面滑移系，即两个独立的滑移系。非基面滑移系：三个1010棱柱面和六个1011锥面滑移系在室温附近的临界切应力远比基面滑移系大得多。棱柱面和锥面滑移系的滑移只有在晶界附近区域应力集中较为严重的时才能发生。然而提高成形温度，镁合金晶体的棱柱面和基面等滑移系被激活而启动，同时锥面滑移系使镁单晶的各向异性减小，从而使镁合金的在高温下的塑性成形性能有大幅度的提高。一般情况下，影响镁合金滑移的主要因素有合金元素、初始晶粒取向、晶粒度、成形温度、成形速度等。本文采用单一变量原则，研究成形温度、成形速度等参数镁合金板料塑性成形能力的影响，从而找到镁合金的最佳成形条件。1.5.2 孪生变形孪生变形作为
42、一种附加的调节机理，也是镁合金的塑性变形的一种重要机制。在镁合金发生塑性变形时，由于滑移系较少，因此孪生变形起着很重要的作用。孪生切变量远小于滑移变形量，其作用是改善应力集中和调整晶体的内部取向，使滑移进一步进行，同时孪生和滑移交替进行，获得更大的塑性变形量。1.6 常见的镁合金塑性加工工艺1）挤压工艺33采用挤压工艺的材料的变形过程在近似封闭的模具内材料发生塑性变形，整个过程材料承受极大的压力，能够消除镁合金铸锭中的缩孔缩松、提高材料的成形性能，从而使材料在二次变形时能够承受更大的塑性变形量，改善材料的综合力学性能。在成形过程中模具的预热温度、铸锭的温度、润滑条件、挤压速度、挤压比等对镁合金
43、制品的内部组织、性能有很大的影响。挤压成形的镁合金制品尺寸精度高、表面质量好、晶粒粒度小、塑性变形性能好，同时挤压成形工艺灵活、操作方便。同时挤压成形时，材料受到的挤压压力大、加快模具的磨损、制品各向异性显著。但由于镁合金在常温下塑性变形能力差，挤压成形工艺是较好的塑性加工方法，可生产出不同型号的镁合金棒材、管材、板材和型材。2）轧制工艺大部分镁合金板材通过挤压后再轧制成薄板，只有少数几种镁合金可直接轧制铸锭成薄板，如Mg-Mn、Mg-Zn-Zr合金。影响镁合金轧制板材质量的成形参数有压下量、轧制温度、轧制速度、辊型等。其中压下量、轧制温度、轧制速度三者之间相互影响、相互制约。钢、铝等材料的压
44、下量较大，而镁合金的塑性较差，每次压下量应控制在一定得范围内，若变形量较大，轧制应分几步完成。轧制温度较高，晶粒容易长大；温度较低，板材容易发生应力集中。轧制后板材的各向异性也不利于板材后续成形。为了得到性能良好的轧制板材，应严格控制各个成性参数。3）冲压工艺冲压工艺是利用模具和冲压设备加工金属板材，获得指定形状和尺寸零件的塑性成形方法。冲压工序分为分离工序和变形工序，分离工序如冲孔、落料、切边等，变形工序如弯曲、拉深、压印、弯曲、胀形等。在胀形工艺中，参与变形的板料随着成形板料逐渐变薄。4）等经角挤压与等经角轧制工艺近年来，对镁合金的研究结果表明，镁合金在常温下滑移系很少，塑性变形能力差，高
45、温下的塑性变形能力可得到进一步的改善。影响冲压成形性能的力学性能参数有屈强比、加工硬化指数、塑性应变比、应变敏感性指数。板材自身的合金成分、晶粒尺寸、相组成、织构类型以及板材的塑性加工方法、热处理等又会影响这些力学性能参数。为提高镁合金的塑性成形性能，降低镁合金板料各向异性程度，可以从两方面考虑：首先制备细晶组织，其次有效地控制乱晶和织构的类型。常规的挤压和轧制工艺不能满足上述两个方面，因此提出等经角挤压工艺和等经角轧制工艺33-35。等经角挤压工艺（Equal Channel Angular Extrusion）等经角挤压工艺属于大剪切变形技术，它的基本原理如图1-1所示，通过两个相互垂直、
46、轴线相交、截面尺寸相等的通道，将材料挤出。图1-1 等径角挤压示意图变性材料在通过转角时，发生较大的剪切变形，并在这大的剪切应变的作用下，晶粒发生转动，晶粒取向产生变化，同时由于位错重排、剪切变形的交互作用达到细化晶粒的目的36-37。塑性变形初期是多滑移系同时进行，位错缠结杂乱，达到一定变形量，胞状结构形成。继续加大变形，位错胞尺寸变小，数量增多，位错集中在胞壁上。当位错胞的直径到达一定程度时就不再随变形量的增加而减小。随着等经角挤压的继续进行，大变形使位错胞能量升高，引起位错交滑移，动态回复发生。继续变形，胞壁位错交错变成二维界面，形成大角度或小角度晶界，从而细化晶粒。如果在挤压的过程中材
47、料的晶粒细化到一定程度且很好的控制材料的晶界结构，经等经角挤压的镁合金获得低温超塑性38。同时随着变形量的增加，镁合金板料的微观组织均匀且使织构随机分布。等经角轧制工艺（Equal Channel Angular Rolling）从实际工业应用情况来看，由于等经角挤压受到工艺设备结构等限制，传统的等经角挤压工艺虽可以批量生产，却不能制备大尺寸的板材，也不能连续生产。结合等经角挤压工艺、轧挤法、Conform挤压法的优缺点，不仅可以细化镁合金板料晶粒，同时能够连续生产，制备尺寸较大的镁合金板材，提出等经角轧制工艺。等经角轧制工艺是一种连续剪切变形工艺，采用线速度相同的轧辊，轧辊由几个小轧辊（卫星辊）和一个大轧辊（中心辊）组成39。由轧辊带动板料连续通过模具，从而实现板料的连续剪切变形。多道次轧制可以使板料产生很大的塑性变形。等经角轧制不仅能连续生产板料，同时具备等经角挤压工艺所具备的优点。等经角轧制工艺能有效地降低能源消耗，主要是因为轧制模具所需要的挤压力由轧制过程产生的摩擦力提供。应严格控制轧制模具的的主要结构参数：如两通道的夹角、通道间隙、通道外角和模角等。
