维普资讯 http://www.cqvip.com 镁合金板材超塑性成形极限的实验研究 29 镁合金板材超塑性成形极限的实验研究 Research on Superplastic Forming Limit of Magnesium Alloy Sheet 宋美娟 ,汪凌云 ,刘饶川 ,向毅 (1重庆科技学院机械系,重庆400050;2重庆大学材料科学与工程学院,重庆400044) SONG Mei—i uan ,WANG Ling-yun ,LIU Rao—chuan ,XIANG Yi (1 Department of Mechanical Engineering,Chongqing University of Science and Technology,Chongqing 400050,China;2 College of Materials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China) 摘要:通过超塑性刚性凸模胀形实验研究了AZ31B镁合金板材的超塑性成形极限。在变形温度为573K,初始变形速率 为3.3×10 S 的条件下,建立了AZ31B镁合金板料成形极限实验曲线(FLC),并且得到无论在拉压变形方式或是在 双向受拉变形方式下超塑性变形时,AZ31B镁合金板料发生集中性失稳的条件均是dez一0。 关键词:AZ31B镁合金;超塑性;成形极限;失稳 中图分类号:TG135.3 文献标识码:A 文章编号:1001—4381(2007)07—0029—04 Abstract:The superplastic bulging test of AZ31B magnesium alloy sheet of 0.6mm thick was carried out on Alliance RT/50 tensile machine at 573K and 3.3×10一 S_。.the superplastic forming limit dia— gram(FLD)at 573K and 3.3×10 S_。was established for the first time.It iS found that,either in tensile-compressive deformation or in bi-axis tensile deformation,the judgment criterion for local necking of superplastic deformation is de2—0. Key words:AZ3 1 B magnesium alloy;superplasticity;FLD;plastic instability 成形性能的优劣往往决定着一种使用性能优越的 材料能否得到实际应用。在材料的成形性能中最为重 要的是成形极限的大小。材料的成形极限曲线FLC 对超塑性板料拉伸失稳的研究目前还较少[4]。 本工作通过超塑性凸模胀形实验建立了AZ31B 镁合金板材成形极限曲线图,并对AZ31B镁合金板材 超塑性拉伸失稳过程中的应变路径变化规律进行了探 (Forming Limit Curve)L】 位置的高低,反映了材料在 各种应力应变状态下局部极限变形能力的大小。 讨,为镁合金板材成形工艺参数优化及模具设计提供 了依据。 金属超塑性失稳和断裂的发生常起因于内部损伤 的缓慢扩展。局部化颈缩是金属板材成形的一个重要 特征,可以用来表征材料的流动性。工艺因素和金属 流动性可改进金属板料成型零件的设计并影响成形工 艺的成功与否。为此,成形极限曲线图(FLC)被广泛 用于分析金属薄板成形工艺。FLC就是用材料的局 1 AZ31B镁合金板料凸模胀形实验 本工作采用建立成形极限曲线FLC的Nakazima 实验方法,这种方法的实质是刚性凸模胀形实验,凸 模呈半球形,图1为Nakazima的刚性凸模胀形实验 方法的示意图,试件的边缘被压边圈压紧。通过凸模 胀形,使试件上的某个点达到极限状态,通过改变试件 的宽度和试件与凸模间的润滑,来改变极限点的|0值。 部化颈缩去度量金属薄板成形产品的流动性。破坏前 的最大流动性被定义为具体成形过程中材料没有发生 失稳的极限响应,最具有代表性的研究是Hill[2]运用 经典塑性理论分析了金属在局部化颈缩过程中的流动 性。由于超塑性材料对应变速率敏感而对应变不敏 使应变状态从压延到胀形变化。虽然实验中存在着板 料与模具之间的摩擦,但具有接近工业实际情况的优 点。 1.1实验材料和试样 感,使得其稳定变形阶段很短而载荷失稳后的准稳定 变形阶段较长L3]。事实上,超塑性材料的大延伸率正 是由于准稳定变形阶段较长的结果。因此现有的关于 一般塑性板料的拉伸失稳理论不适用于超塑性材料。 选用0.6mm厚的工业态轧制AZ31B镁合金板材 维普资讯 http://www.cqvip.com 维普资讯 http://www.cqvip.com 镁合金板材超塑性成形极限的实验研究 31 将试件拉伸至各种不同变形程度,分别测量出AZ31B 径变化,并绘制成如图5的曲线。其中图5a是初始应 镁合金板材在不同加载路径下的拉伸变形过程中板平 面内两主应变(e ,e )的分布和最小截面处的应变路 0.5 .变比 为负值时的应变路径,图5b是初始应变比po 为正值时的应变路径。 _(b) 0.5 (a) ◆ 0.4 .◆ ◆ ◆◆◆ ◆ ◆◆◆ O.4 —0_3 - o.3 . ..7 0.2 0.1 . :. o.2 O.1 \ / I I : .0.2 .0.1 0 82 -0.3 .0.2 -0.1 0 £2 0.1 0.2 0.3 .0.3 0.1 0.2 0.3 图4 AZ3l镁合金板材实验成形极限曲线图 (a)e・ Fig.4 The FCL curve of AZ3lB sheet实测值的散点分布;(b)成形极限曲线FLC (a)the scattered dots of(£I,e2);(b)forming limit curve 现将AZ31B镁合金板材超塑性变形过程中的应 变路径变化曲线分成四个阶段 (参见图5)。分别 为:与载荷增加相对应的oa阶段;最大载荷出现后的 流变阶段,即应变路径仍基本保持不变的n6阶段;应 变路径发生漂移的6c阶段和平面应变阶段。 在n6阶段,即在最大载荷出现以后的较长一段时 图5 AZ31B镁合金板材拉伸变形过程中的应变路径曲线Fig.5 The straining path of the AZ31B sheet in tensile test(a)po—~0.42;(b)po—O.65 (a)po一一0.42:(b)po—O.65 间内,载荷的增量dp <0,但从宏观上看应变路径基 本保持不变,明显的分散性缩颈尚未形成。在6c阶 段,应变路径开始向平面应变状态漂移,特别在变形的 移,即在双向受拉变形方式下变形时de ≤0。因此,无 论在拉压变形方式或是在双向受拉变形方式下超塑性 变形时,板料发生集中性失稳的条件均是dc 一0。 后期,漂移速率明显加快,到C点时,平面状态形成,应 变状态漂移结束。另外,在双向受拉变形方式下颈区 内应变状态变化特征,与拉压变形方式下相同。 根据以上实验结果分析,以及零应变线方向与应 变状态的相关性可见:在超塑性变形过程中,应变分布 并不总是均匀的。当一定变形程度以后,由于变形约 (1)在变形温度为573K,初始变形速率为3.3× 3 结论 10 S 的条件下,试件胀形最大高度为41.20mm,半 径为50mm,其高径比为H/d一0.824,胀形高度接近 凸模半径。可以认为工业态AZ31B镁合金板料在中 温条件下的超塑性成形性能好,合乎成形零件的基本 要求。 (2)通过超塑性刚性凸模胀形实验,建立了 束和空洞损伤的存在和交互作用,应变路径从加载状 态下不断向平面应变状态漂移。在拉压变形方式下, 零应变线方向随之不断发生转动,其方向角0(0一 arctan ̄/一p)相应减小,逐渐趋于零。到平面变形状态 时(』D一0),零应变线也转至平行于e 轴,即有de 一0。 因此,在拉压变形方式下变形时de :0。在双向受拉 变形方式下变形时,其应变状态也向平面应变状态漂 AZ31B镁合金板料成形极限实验曲线(FLC)。以此 作为依据,可对实际加工中得到的数据进行比较,为镁 合金板材成型工艺参数优化和模具设计奠定了基础。 维普资讯 http://www.cqvip.com 32 材料工程/2007年7期 [7]GRAF A,HOSFORD W.Effect of strain paths on forming limit (3)AZ31B镁合金板材超塑性变形过程中的应变 路径变化曲线分成四个阶段:与载荷增加相对应的阶 diagrams of A12008一T4[J].Metall Trans A,1993,24A:2503— 2512. 段;最大载荷出现后仍保持宏观均匀应变阶段;应变路 径发生漂移的阶段和平面应变阶段。无论在拉压变形 [8]GRAF A,HOSFORD W.The influence of strain-path on forming limit diagrams of AI61l1 T4[J].Int J Meeh Sci,1994,36(10): 897—910. 方式或是在双向受拉变形方式下超塑性变形时, AZ31B镁合金板料发生集中性失稳的条件均是d£z— O。 [9] GRAF A,HOSFORD W.Calculation of forming limit diagrams [J].Metall Trans A,1990,21A:87—94. [10]MARCINIAK Z,KUCZYNSKI K.Limit strains in the process 参考文献 [1]HILL R.On discontinuous plastic states with special reference to localized necking in thin sheets EJ].J Meeh Phys Solids,1952, 1:19—30. of stretch—forming sheet metal[J].Int J Meeh Sci,1967,9:609 —620. [1 1] MARcINIAK Z,KucZYNsKI K,P0K0RA T.Influence of the plastic properties of a mterial on the forming limit diagram [2]于彦东,张凯锋,蒋大鸣,等.轧制镁合金超塑性和超塑胀形EJ]. 中国有色金属学报,2003,13(1):71—75. for sheet metal in tension[J].Int J of Meeh Sei,1973,15:789 —795. [3]宋美娟,汪凌云,王智祥,等.热轧AZ31B镁合金板材超塑成形 性能研究[J].金属成形工艺,2004,22(3):50—52. [12]吴诗停.考虑空洞演化效应的金属超塑性变形理论[J].吉首大 学学报,1998,19(4):9—19. [4]梁炳文,胡世光.板料成形塑性理论[M].北京:机械工业出版 社,1999. 基金项目:重庆市科委自然科学基金资助项目(8413) 收稿日期:2006—10—27;修订日期:2006—12-25 作者简介:宋美娟(1963一),女,博士,副教授,科研方向为轻合金材料 [5]梁炳文,陈孝戴,王志恒.板金成形性能[M].北京:机械工业出 版社,I999. [6]TAKUDA H,MORI K,TAKAKURA N,et a1.Finite element analysis of limit strains in bi——axial stretching of sheet metals allo—- 加工及变形机理、材料成型数值模拟,联系地址:重庆科技学院机械系 (400050)。 wing for ductile fracture[J].Int J Meeh Sci,2000,42:785— 798. 米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米 (上接第2O页) working of magnesium alloy AZ31[J].Materials Science Forum, 2003,419—422:503—508. [J].Seripta Materialia,2004,51:955. [9]ITOI T,SEIMIYA T,KAWAMURA Y,et a1.Long period stac— king structures observed in Mg97 Zn,Yz alloy[J].Seripta Materia— lia,2004,51:107—11l_ [2]KIM I J,BAE D H,KIM D H.Precipitates in a Mg—Zn~Y alloy re— —YING YUAN,JIEN-WEI YEH,CHUN—HUEI TSAU.Im— inforced by an ieosahedral quasicrystalline phaseEJ].Materials Sci— [10]SHIence and Engineering A,2003,359:313—318. proved microstructure and mechanical properties of 2024 Alumi— [3]刘礼,徐春杰,张忠明,等.往复挤压L2纯铝的组织与性能[J]. 材料热处理学报,2006,27(3):47—50. nuro.alloy produced by a reciprocating extrusion method.Materi— als Transactions[J],JIM,1999,40(3):233—241. YEH,SHI—YING YUAN,CHAO-HUANG PENG. [4] SHIH—WEI LEE,HSIAO-YUNWANG,YU—LIANGCHEN,et [11]JIEN—WEIa1.An Mg-AI—Zn alloy with verry high specific strength and superi— or High~strain-rate superplasticity processed by reciprocating ex— Mierostrueture and tensile properties of an AI一12Wt Pct Si alloy produced by reciprocating extrusion[J].Mater Sci Eng A,1999, 3OA:2503—2512. trusion[J].Advanced Engineering Materials,2004,6(12):948— 952. [1 2] RICHERT M,LIU Q,HANSEN N.Microstructural evolution over a large strain range in aluminium deformed by cyclic extru— [5] SHI—YING YuAN,JIEN-WEI YEH,CHUN—HUEI TsAu.Im— proved microstructure and mechanical properties of 2024 Aluminum sion compression[J].Mater Sci Eng A,1999,260:275—283. J,RICHERT J.Mieroband forma— alloy produced by a reciprocating extrusion method[J].Materials [13]RICHERT M,MCQUEEN H Transactions,儿M,1999,40(3):233—24l_ tion in cyclic extrudsion compression of aluminum[J].Canadian metallurgical quarterly,1998,37:449—457。 [6]SUZUKI M,KIMURA T,KOIKE J,et a1.Strengthening effect of Zn in heat resistant Mg—Y_Zn solid solution alloys[J]. Scripta Materialia,2003,48:997—1002. 收稿日期:2006—10—08;修订日期:2007—01—25 [7]SINGH ALOK,TSAI A P.On the cubic W phase and its relation— 作者简介:徐春杰(1971一),男,讲师,博士研究生,主要从事高性能轻金 ship to the ieosahedral phase in Mg-Zn-Y alloys[J].Scripta Mate— 属材料的组织与性能控制研究和开,.联系地址:西安理工大学材料科学 rialia,2003,49:143—148. 与工程学院(710048)。 [8] SINGH ALOK,wATANABE M,KATO A,et a1.Formation of ieosahedral hexagonal H phase nano-composites in Mg Zn Y alloys