镁合金板材等径角轧制及冲压性能研究_程永奇

博士学位论文

摘要

作为最轻的金属结构材料，镁合金被誉为是“21世纪最具发展前途的绿色金属材料”。特别是变形镁合金板材以其优异的综合性能表现出极其广阔的应用前景，高性能变形镁合金板材的研制已成为当今材料领域的研究热点，而实现镁合金板材的低温乃至室温、高速成形成为扩大其应用的关键。但常规板材制备工艺所形成的强烈的基面织构严重制约了镁合金板材冲压性能的提高，因此在对镁合金塑性变形理论进行深入研究的基础上开发板材成形新技术，是促进变形镁合金可持续发展的重要举措。

本文以提高镁合金板材冲压性能为目的，以实现低温乃至室温、高速冲压成形为目标，从晶粒取向控制出发，提出了等径角轧制新工艺－即将普通轧制和大剪切变形相结合，利用轧制变形产生的摩擦力，使板材连续通过两通道成一定夹角且高度相等的模具。采用该工艺并结合后续热处理，通过有限元分析和试验研究，对等径角轧制和热处理过程中AZ31镁合金板材微观组织和冲压性能的演变规律和机理进行研究，探索影响其变形机理和冲压成形能力的根本原因并开发合适的板材拉深成形工艺，主要研究内容和结果如下：

(1) 采用滑移线理论对等径角轧制变形行为进行了分析。结果表明，在模具转角处主要发生剪切变形；通道内侧倒角的存在使变形区宽化。

(2) 分析了等径角轧制变形的基本规律。有限元模拟表明，随着通道内侧倒角半径、通道间隙和通道夹角的增加，剪切角减小，单道次等效应变量降低，板材厚向变形不均匀程度增加。

(3) 研究了AZ31镁合金板材等径角轧制过程中微观组织的演变规律，确定了工艺参数－微观组织－冲压性能之间的内在联系。通过对轧制道次、模具温度、通道间隙、轧制路径、板材预热温度及通道夹角等工艺参数的试验研究发现，影响等径角轧制板材显微组织和冲压性能的主要因素包括变形温度、剪切模式、道次应变量、累积应变、道次间退火制度以及变形区域等。沿路径A，随着轧制道次的增加，晶粒取向逐渐由强烈的(0002)基面取向演变为{1011}锥面取向，沿轧向的屈强比由0.889降低至0.332，应变硬化指数由0.125增加到0.378，均匀延伸率由11.2%增加到23.9%；随着通道间隙和通道夹角的增加，锥面取向加强；板材的晶粒取向和形貌等与轧制路径密切相关，而与模具温度和板材预热温度的关系很小。

(4) 对AZ31镁合金板材等径角轧制工艺进行了优化。根据有限元分析和试验研究，采用通道夹角为115o和内侧倒角半径为2mm的模具，优化后的工艺如

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AZ31镁合金板材等径角轧制及冲压性能研究

下：普通轧制压下量约6%，通道间隙1.01，板材预热350℃×3min，模具未预热，单道次轧制。

(5) 对等径角轧制和普通轧制AZ31板材在退火过程中微观组织和冲压性能的演变规律和影响因素进行了对比研究。结果表明，随着退火时间的延长和退火温度的升高，普通轧制和等径角轧制板材中的孪晶消失，晶粒逐渐趋于均匀、等轴化并开始长大，各晶面的衍射峰强度值降低，但晶粒取向均未发生明显改变。经300℃×60min等温退火处理后，两种板材组织均为均匀等轴晶，平均晶粒度约为12μm，沿轧向的屈强比分别为0.654和0.441，应变硬化指数分别为0.263和0.458，均匀延伸率分别为21.6%和32.3%。

(6) 建立了AZ31镁合金板材流变行为和冲压性能与变形条件之间的对应关系。对普通轧制和等径角轧制板材的研究表明，在不同的变形温度和应变速率下，普通轧制板材沿轧向和横向的流变行为趋于各向同性；对于等径角轧制板材，随着变形温度的升高和拉伸速度的降低，沿轧向和横向的流变行为差异减小，各向异性减弱。

(7) 根据Grosman模型，建立了与AZ31镁合金板材冲压性能参数密切相关的热拉伸流变应力本构方程，在变形温度150～300℃，初始应变速率1×10-4s-1～1×10-1s-1，应变0.01～0.3的范围内，可准确的预测板材的流变行为。

(8) 通过杯突试验和拉深试验对AZ31镁合金板材室温冲压成形能力进行了试验，结果表明普通轧制板材的杯突值和拉深比分别仅为3.78mm和1.2，而等径角轧制板材则分别可达6.21mm和1.6以上；对于等径角轧制板材，采用圆角半径为R8mm、直径Φ30mm的冲头，室温下成功冲压出深度达16.8mm的AZ31镁合金杯形件。

(9) 制定了合适的AZ31镁合金板材热拉深成形工艺。试验表明，拉深温度超过200℃后，等径角轧制与普通轧制板材冲压成形能力趋于相同；对于普通轧制板材，在210℃～240℃温度范围内，凸模圆角半径为8～12mm，凹模圆角半径为6～10mm，压边间隙为 1.10～1.17，石墨＋机油润滑，拉深速度小于90mm·min-1的工艺条件下，板材的LDR可达2.2以上，成功制得LDR最大为2.53的杯形拉深件。

关键词：AZ31镁合金板材；等径角轧制；普通轧制；退火处理；显微组织；变形行为；冲压性能；拉深工艺

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Abstract

As the lightest structural metal, magnesium alloys are praised as the most development perspective green materials in 21st century. Especially, wrought magnesium alloys sheet with numerous desirable features exhibit very extensively applicable opportunities and the research on the wrought magnesium alloys sheet with excellent integrate performance has been very important. And the key to expand the application of the sheet is to realize the stamping at low temperature even room temperature with high strain rate. But the drawability of magnesium alloys sheet is limited seriously by the basal texture induced by the normal processing technologies. Therefore, the development of new sheet forming techologies based on the study of plastic deforming theory in magnesium alloys are necessary.

The objective of this dissertation is to explore the new approaches to enhance the drawability of AZ31 magnesium alloy sheet in order to improve the drawabiliy and realize the stamping at low temperature even room temperature with high strain rate. Based on the controlled grain orientation, a new processing, so-called equal channel angular rolling (ECAR) processing was proposed to process magnesium alloy sheet, which was a continuous shear deformation processing based on normal rolling and severe shear deformation, utilized the friction force among the sheet and the twin-roll during normally rolling to feed the sheet into the die channels with an oblique angle at the same height in a continuous manner. The evolving principle and mechanisms for the microstructure and drawability of AZ31 magnesium alloy sheet during the ECAR procedure and heat treatment were studied and the deep drawing processing was developed. The mainly conclusions can be drawn as the following. (1) The deformation status for equal channel angular rolling processing was analyzed through the slip line theory. The results indicated that the mainly strain at the die corner was shearing strain and the existence of the oblique radius widened the deforming area.

(2) The basic principle for the ECAR deforming was investigated. The simulation used finite element method (FEM) analysis showed that the shearing angle and effective strain in one passage decreased with increasing of the oblique radius, the channel clearance and the oblique angle, occurring with the increased nonuniform deformation in the thickness direction.

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AZ31镁合金板材等径角轧制及冲压性能研究

(3) The evolving law of microstructure in AZ31 mangesium alloy sheet during ECAR procedure was studied and the relationship among the processing parameters, microstructure and drawability during ECAR procedure was founded. According to the study on the ECAR processing parameters, including the rolling pass, the mould temperature, the channel clearance, the rolling route, the pre-heated temperature of sheet and the oblique angular, the microstructure and the drawability of AZ31 magnesium alloy sheet were mainly effected by deforming temperature, shear pattern, single passage strain, accumulative stain, annealing conditions during ECAR procedure and deformation area, etc. With increasing of rolling passes in Route A, the initial (0002) basal plane orientation in the as-received sheet evolved to {1011} pyramid plane orientation gradually after ECAR processing, followed with decreasing of yield ratio from 0.889 to 0.332 and increasing of strain hardening exponent from 0.125 to 0.378 and enhancing uniform elongation from 11.2% to 23.9% at the rolling direction. The tilted angle between basal plane and rolling plane decreased with increasing of the channel clearance and the oblique angle. And the microstructure of the ECARed sheets were correlated with the rolling route closely, which was minor affected by the die temperature and the pre-heated temperature of the sheet.

(4) The ECAR processing for AZ31 magnesium alloy sheet was optimized. The optimized technological parameters used the die with the oblique angle of 115o were that the sheet was pre-heated at 350℃for 3min by one passage using the ECAR device at ambient temperature with the reduction in thickness during normal rolling of about 6% and the channel clearance of 1.01.

(5) The evolving principle and influenced factors of the microstructure and drawability for AZ31 magnesium alloy sheets processed by normal rolling (NR) and ECAR processing were investigated under the different annealing conditions The results indicated that the grain was inclined to equiaxed and grew up gradually with the disappearance of twinning and the grain orientation was not changed obviously with the decreasing peak intensity of crystal plane with increasing of annealing time and elevating of annealing temperature. The grain of both type of sheets annealed isothermally under 300℃ for 60min was equiaxed and homogeneous with the average grain size of 12.0μm and the yield ratio were 0.645 and 0.441, the strain hardening exponent were 0.263 and 0.458 and the uniform elongation were 21.6% and 32.3% at the rolling direction, respectively.

(6) The relationship among the deforming behavior, drawability and deforming

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conditions were studied. The results showed that the deformation behavior of the NRed sheet were almost same with each other at the rolling direction and transverse direction, which tended to isotropy. And the difference of deformation behavior for the ECARed sheet between rolling direction and transverse direction was decreased with increasing of strain rate and decreasing of deformation temperature.

(7) According to the Grosman model, the flow equation for AZ31 magnesium alloy sheets processed by both NR and ECAR associated with the drawability parameters were constituted according to the uniaxial tensile testing, which could give a fairly good fit to the measured values under the following deforming conditions of the elevated temperature among 150~300℃, the initial strain rate among 1×10-4s-1~1×10-1s-1 with the strain between 0.01~0.3.

(8) The deep drawing tests at room temperature indicated that the Erichsen value and drawing ratio for the NRed sheet was only achieved as 3.78mm and 1.2, which could be up to 6.21mm and exceed 1.6 for the ECARed sheet, respectively. And for the ECARed sheet, the cupping workpiece of AZ31 magnesium alloy with the depth of 16.8mm could be successfully made using the punch with the diameter of 30mm and the shoulder radius of R8mm.

(9) The proper hot deep drawing technologies were developed. The deep drawing tests indicated that the drawability for the ECARed sheet was similar with each other when the drawing temperature was above of 200℃. And the proper deep drawing technology for the NRed sheet was that the drawing ratio above 2.2 could be formed under the following conditions of drawing temperature between 210℃~240℃, the punch radius among 8~12mm and the die radius among 6~10mm, blank holder clearance between 1.10~1.17 and lubricated with the mixture of graphite + oil at the punch speed below 90mm·min-1. During the experiment, the most limiting drawing ratio of the hot drawing workpiece was up to 2.53.

Key Words: AZ31 magnesium alloy sheet; Equal channel angular rolling; Normal rolling; Annealing treatment; Microstructure; Deformation behavior; Drawability; Deep drawing processing

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目录

学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书................................................I 摘要......................................................................................................................I Abstract............................................................................................................III 第1章绪论. (1)

1.1 变形镁合金概述 (1)

1.1.1 变形镁合金性质及特点 (1)

1.1.2 变形镁合金塑性变形理论 (2)

1.1.3变形镁合金织构 (3)

1.1.4 变形镁合金塑性加工技术 (5)

1.2 镁合金板材冲压的研究与发展现状 (5)

1.2.1 镁合金板材冲压性能的评定 (5)

1.2.2 影响镁合金板材冲压性能的因素 (6)

1.2.3 镁合金板材冲压工艺 (7)

1.2.4 镁合金板材冲压研究的发展趋势 (9)

1.3 变形镁合金板材存在的问题 (9)

1.4 大塑性变形技术的研究与发展现状 (11)

1.4.1 累积叠轧工艺 (11)

1.4.2 高压扭转工艺 (12)

1.4.3 等径角挤压工艺 (12)

1.4.4 连续剪切工艺 (13)

1.4.5 连续约束板带剪切工艺 (13)

1.4.6 连续大塑性变形工艺 (14)

1.4.7 ECAP-Conform工艺 (14)

1.4.8 其它大塑性变形工艺 (15)

1.5 镁合金板材等径角轧制工艺的提出 (15)

1.5.1 等径角轧制工艺的提出依据和设计思想 (15)

1.5.2 镁合金板材等径角轧制研究的意义 (17)

1.6 项目来源、研究内容及研究目的 (17)

第2章试验过程 (19)

2.1 板材制备 (19)

2.2 等径角轧制 (19)

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AZ31镁合金板材等径角轧制及冲压性能研究

2.2.1 等径角轧制装置 (19)

2.2.2 等径角轧制变形规律 (20)

2.2.3 等径角轧制工艺研究 (20)

2.2.4 等径角轧制工艺优化 (21)

2.3 退火处理 (22)

2.4 变形行为研究 (22)

2.5 冲压工艺研究 (22)

2.5.1 室温杯突试验 (22)

2.5.2 室温拉深试验 (22)

2.5.3 热拉深试验 (23)

2.6 微观组织分析 (24)

2.6.1 金相组织 (24)

2.6.2 晶粒取向 (24)

2.6.3 断口形貌 (25)

2.7 性能测试 (25)

2.8 数据处理 (25)

2.8.1 强度与屈强比 (25)

2.8.2 延伸率 (26)

2.8.3 应变硬化指数 (26)

2.8.4 应变速率敏感指数 (26)

2.8.5 塑性应变比 (27)

第3章 AZ31镁合金板材等径角轧制工艺研究 (29)

3.1 引言 (29)

3.2 等径角轧制基本原理 (29)

3.3 AZ31镁合金板材等径角轧制变形行为分析 (33)

3.3.1 有限元分析 (33)

3.3.2 结果与分析 (36)

3.3.3 等径角轧制与等径角挤压 (40)

3.4 AZ31镁合金板材等径角轧制工艺 (41)

3.4.1 轧制道次 (42)

3.4.2 模具温度 (59)

3.4.3 通道间隙 (63)

3.4.4 轧制路径 (68)

3.4.5 板材预热温度 (73)

3.4.6 通道夹角 (74)

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3.5 AZ31镁合金板材等径角轧制工艺优化 (75)

3.6 等径角轧制工艺与其它大塑性变形工艺的比较 (77)

3.7 本章小结 (79)

第4章退火处理对AZ31镁合金板材组织和性能的影响 (81)

4.1 引言 (81)

4.2 退火处理前板材的微观组织 (81)

4.3 退火处理对板材金相组织的影响 (82)

4.3.1 退火时间 (82)

4.3.2 退火温度 (84)

4.4 退火处理对板材晶粒取向的影响 (86)

4.5 退火处理对板材流变行为和力学性能的影响 (87)

4.5.1 退火时间 (87)

4.5.2 退火温度 (91)

4.6 分析与讨论 (94)

4.7 本章小结 (97)

第5章 AZ31镁合金板材流变行为研究 (99)

5.1 引言 (99)

5.2 显微组织 (99)

5.2.1 金相组织 (99)

5.2.2 晶粒取向 (100)

5.3 变形行为 (101)

5.3.1 流变行为 (101)

5.3.2 各向异性 (103)

5.3.3 分析与讨论 (106)

5.4 流变应力模型的建立 (110)

5.4.1 材料模型的选择 (110)

5.4.2 本构模型的建立 (114)

5.4.3 模型的验证 (118)

5.5 本章小结 (118)

第6章 AZ31镁合金板材冲压工艺研究 (121)

6.1 引言 (121)

6.2 室温冲压 (121)

6.2.1 室温杯突试验 (121)

6.2.2 室温拉深试验 (122)

6.2.3 分析与讨论 (124)

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AZ31镁合金板材等径角轧制及冲压性能研究

6.2.4 断口分析 (131)

6.2.5 金相组织 (133)

6.3 热拉深成形 (134)

6.3.1 热拉深工艺 (135)

6.3.2 断口分析 (141)

6.4 本章小结 (141)

结论 (143)

参考文献 (147)

附录A（攻读学位期间发表的论文） (165)

致谢 (167)

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第1章绪论

1.1 变形镁合金概述

1.1.1 变形镁合金性质及特点

作为目前最轻的金属结构材料，变形镁合金的密度大多在 1.75～1.85g·cm-3之间，约为铁的1/4，铝的2/3，与塑料相近，具有比强度和比刚度高、热传导性能好、阻尼减震性佳、机加工性能优良、零件尺寸稳定、电磁屏蔽能力强、易回收等优点，表现出极其重要的使用价值和广阔的应用前景，被誉为“二十一世纪最具发展前途的绿色工程材料”[1~5]。

鉴于这些优点，镁合金已被广泛地应用于汽车、通信、电子、电器、航空、航天、国防、冶金、化学、办公、家用和体育用品等行业中。特别是自二十世纪九十年代初以来，日益紧迫的能源和环保问题极大地刺激了镁合金的发展，全球范围内对镁合金的需求呈现强劲、持续的增长趋势，其应用重点也由航空、航天和军事等领域转向交通运输、电子、电器等民用领域[6~10]。

尽管如此，镁从被发现至今近两百年来，工业应用发展缓慢，尤其是变形镁合金。虽然近十几年来，镁合金呈现出快速发展的势头，但是其应用范围仍受到很大限制，这主要是因为传统上视镁合金为一种塑性成形性能差的材料，同时，大多数镁合金又具有较好的铸造性能，使得目前镁合金产品以铸件尤其是压铸件居多。所以，与目前较成熟的镁合金铸造技术（尤其是压铸技术）相比，镁合金的锻造、挤压、轧制、拉拔、冲压等塑性加工技术发展则相对缓慢，造成这种局面主要有以下原因：镁合金的塑性变形能力较差，采用传统的塑性加工技术难以解决这一问题；对镁合金的塑性变形理论研究不够深入，变形镁合金的研制和开发缺乏理论指导；未能开发出行之有效的变形镁合金塑性成形新技术；相对于铸造产品而言，变形镁合金产品的成本更高。

但铸造镁合金产品存在力学性能不够理想、形状尺寸受限等缺点，而市场的需求刺激了镁合金基础理论和应用研究的发展，但同时也对镁合金的性能提出了日益苛刻的要求。因此对镁合金的研究重点正逐渐转向变形镁合金，特别是变形镁合金板材可用作手机、笔记本电脑和家用电器等产品的壳体、汽车蒙皮、车内面板等零部件，更加具有巨大的市场需求和应用前景。所以，高性能、低成本变形镁合金板材的研制已经成为变形镁合金研究领域的焦点，而实现镁合金板材的高速、低温冲压成形并进一步提高其综合性能则是其中的关键。

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AZ31镁合金板材等径角轧制及冲压性能研究 - 2 - 1.1.2 变形镁合金塑性变形理论

为了解决镁合金的塑性变形问题，对其塑性变形理论研究显得最为重要，到目前为止，国内外众多学者已在这个领域中开展了大量的研究[11~14]。

在密排六方（HCP ）晶体中，可能的独立滑移系如表1.1所示。图1.1给出了HCP 晶体单胞主要晶面和晶向。通常，影响材料变形模式的因素主要包括Von Mises 准则、Schmid 因子、临界剪切应力（Critical Resolved Shear Stress ，CRSS ）以及CRSS 值随温度的变化关系[15]。

表1.1 HCP 晶格金属可能的滑移系[15]

滑移系数目 滑移面 滑移方向

所有滑移系 独立滑移系 a ，1120<> 3 2 (0001)基面

{1010}主棱柱面

a ，1120<> 3 2 c ，0001<> 3 2 {1010}主棱柱面

{1120}次棱柱面

c ，0001<> 3 2 a ，1120<> 6 4 {1011}第一角锥面

{1012}第二角锥面 c+a ，1123<>

6 5

图1.1 HCP 晶体单胞主要晶面和晶向[16]

在HCP 金属中主要有两种变形模式即滑移和孪生。根据Perierls-Nabarro 模型[17]，晶格内在原子最密排面滑移阻力最小，那么，对于HCP 金属，当c/a 小于 1.732时，棱柱面取代基面成为最密排面，但这并不适用于镁（其c/a 值为

1.623），这表明镁的滑移模式还受其它因素控制[15]。室温下，镁的基面和棱柱面滑移系的CRSS 值分别为51g·mm -2和4000g·mm -2[18]；随着变形温度的升高，非基面的CRSS 值降低，当温度超过300℃时，基面和非基面的CRSS 值几乎相同。Bacon 等[19]对镁的研究表明，除[0001]滑移方向外，其它滑移模式均可发生。当变形温度为室温或低于室温时，在镁中(0001)1120<>滑移占主导地位；在温度低于200℃时，其塑性变形仅限于基面(0001)1120<>滑移和锥面{1012}1011<>孪

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生；在200℃以上变形时，第一类角锥滑移面{1011}启动，当变形温度高于225℃时，第二类角锥面{1012}也可产生滑移，其独立滑移系数目增加到五个，满足von Mises准则，塑性提高更大；此时，两个棱柱面{1010}也可产生滑移并能够抑制孪晶的形成，从而使其塑性变形能力进一步提高。同时由于发生回复、再结晶而造成的软化，也会使镁及其合金具有较高的塑性。

在HCP晶体中，孪生也是一种重要的变形模式，特别是在低温和/或高应变速率条件下[20]。在镁合金的塑性变形过程中，孪生的作用比较复杂[21～24]，一方面，当滑移难以进行时，孪生可以作为一种补充变形机制，提供附加的独立滑移系，并形成回复区，有利于镁合金塑性的提高，而孪晶之间反应生成的二次孪晶及高次孪晶，也可使合金的整体塑性得到提高；另一方面，孪晶在镁合金变形过程中可以使晶粒细化，阻碍位错运动，从而导致加工硬化，产生应力集中和形成失效区，降低材料的塑性。Hirsch等[22]在室温下对镁单晶通过单向拉伸试验进行的研究表明，在低加工硬化区，不存在非基面Burgers矢量位错，而在加工硬化区，则有大量的孪晶和位错网出现。Wang等[23]研究表明，孪生可使AZ31镁合金板材孪晶面两侧晶体的位向发生改变，从而使其屈服强度明显降低。

1.1.3 变形镁合金织构

大量研究表明[25～27]，随着塑性变形方式的不同，在变形镁合金中会形成不同类型的织构，这主要与镁合金的塑性变形机理以及加工过程中材料的应力应变状态有关，同时还受合金成分等的影响。

Styczynski等[28]对AZ31镁合金冷轧织构的定量分析表明，基面滑移、棱柱面滑移、锥面滑移及孪生等各种变形模式均在其塑性变形过程中发挥作用，而锥面滑移的难易程度则对织构组分具有决定性的影响。Walde等[29]对热轧态AZ31镁合金的研究发现，在普通对称轧制过程中，虽然在板材厚度方向存在一定的应变梯度以及在板材表面存在较强的剪切变形，但在整个厚度方向仍为强烈的基面织构，所以他们认为棱柱面滑移是形成基面织构的必备条件，而旋转再结晶则是削弱基面织构的唯一可能途径。Valle等[30]对大应变轧制AZ61镁合金的研究表明，初始状态为挤压态的板材呈现出明显的（0001）纤维织构组分，以基面平行于轧制面的晶粒占主导，这些晶粒的取向不利于基面滑移，因此道次压下量较小；在第一个道次轧制后，基面纤维织构组分明显减少，在随后的道次中，再结晶晶粒趋于聚集并形成易滑移区或塑性区，基面滑移成为主要变形机理，从而可获得大的道次压下量。对异步轧制AZ31镁合金的研究表明[31，32]，异步轧制可使板材的（0002）基面织构强度在一定程度上得到减弱，并在板材中形成基面织构从上表面至下表面逐渐减弱的梯度分布状态，这主要是因为异步轧制在板材厚度方向引入了剪切应变以及厚向应变状态的差异所致。研究表明[33~35]，通过等径角

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AZ31镁合金板材等径角轧制及冲压性能研究 - 4 - 挤压，在获得晶粒细化的同时，可有效的削弱镁合金的基面织构并实现对其织构

的控制。

Yoshida 等[33]对AZ31镁合金等径角挤压的研究表明，初始状态为(0001)基面纤维织构的常规热挤压圆棒材，当等径角挤压温度为523K 时，形成基面与挤压方向成约45o夹角的非基面织构，而为573K 时，则形成基面平行于挤压方向的基面织构，这主要是由变形温度的不同，导致材料滑移模式以及激活顺序的不同所致。

此外，变形镁合金的织构组分还与合金的成分有关。Agnew 等[34]对5种等径角挤压镁合金的织构研究表明，在AZ31和AZ80合金中形成<0001>纤维织构，其c 轴偏离法向约20o；ZK60和WE43合金中主要的<0001>组分接近于法向，而次要<0001>组分和1120<>组分则平行于横向；在Mg-Li 合金中则形成<0001>组分平行于横向的织构；其研究还表明，初始织构不同，等径角挤压后也可能形成类似的织构。

由此可知，在塑性变形后会在镁合金形成强烈的织构，而织构的存在又会对其变形行为、加工性能以及力学性能等产生明显的影响。Gehrmann 等[35]采用约束压缩试验对AZ31镁合金和纯镁研究表明，当变形温度为100～200℃时，织构对其变形行为具有明显的影响，强烈的基面织构大大的削弱这两种材料的成形能力并使其变形局部化；当非基面滑移系被激活时，则可实现更加均匀的变形并使

其塑性提高，且能够抑制基面织构的形成，从而获得大的均匀塑性变形。

Somkawa 等[36]对挤压态AZ31镁合金板材的研究表明，垂直于挤压方向拉伸试样的屈服应力明显低于平行于挤压方向的拉伸试样，且表现出明显的应变硬化现象，其断裂韧度值也大大高于后者，这主要与挤压过程中形成基面平行于挤压方向的基面织构有关。Watanabe 等[37]通过单向拉伸试验对铸态、常规挤压态和等径角挤压态AZ31镁合金的研究表明，这三种状态合金的织构分别为基面呈随机分布、基面织构以及基面与挤压方向成约45o夹角，当变形温度为523K 时，等径角挤压态合金的应力值最低，而常规挤压态合金的最高，这是因为前者的晶粒取向更有利于基面滑移，织构软化的影响超过了晶粒细化所导致的强化和/或晶界滑移所引起的软化的影响，而断裂延伸率与织构并无明显关系，但在室温下则相反。Valle 等[30]的研究表明，大应变轧制后，在AZ61镁合金中由于旋转动态再结晶所形成的新晶粒导致基面偏离轧制面（旋转均值约40o），从而在250℃条件下获得了超塑性。Chino 等[38]对轧制态AZ31镁合金板材的研究表明，与单向轧制相比，交叉轧制可减弱基面织构的强度，从而使板材在较低温度（约500K ）下的Erichsen 值明显提高。

这些研究表明，采取适当的工艺可以调整、控制变形镁合金的织构类型，而织构又对其成形能力与力学性能有着明显的影响。因此织构控制是改善、提高镁合金塑性成形性能的有效途径之一。

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1.1.4 变形镁合金塑性加工技术

由于通过锻造、挤压、轧制、拉拔以及冲压等塑性加工工艺制备的镁合金材料及工件具有更高的强度、更好的塑性和更多样化的力学性能，所以镁合金塑性加工技术研究已成为目前变形镁合金研究和发展的重要方向之一。在塑性成形过程中，影响镁合金加工性能的因素很多，主要包括合金化程度、材料显微组织（晶粒大小、分布与形貌，孪晶，织构、晶界结构等）、变形温度、应变速率、应力状态等。

虽然目前镁合金塑性加工技术的研究已经取得了一定的成果，但仍存在一些问题，制约了变形镁合金的应用和发展。在镁合金锻造成形中，由于粘性大、热导率高、变形温度高，存在锻造温度范围窄、晶粒易于粗化、流动充型能力差等问题[39～43]；镁合金挤压成形虽然具有很多优点，但其研究还处于起步阶段，主要工作集中在试验研究，缺乏系统的理论研究，存在材料利用率低、模具磨损快、制品组织不均匀、挤压速度低等问题[44～47]；镁合金拉拔成形比较困难，但少量研究表明，拉拔镁合金线材具有更高的性能[48～50]，因此，拉拔研究将成为今后变形镁合金研究的新方向之一；镁合金轧制成形主要存在铸锭开坯困难、道次变形量小、薄板成品率低等问题[51～56]，目前除常规的轧制工艺外，还开发了许多新的轧制技术，如单辊驱动轧制、异步轧制等[57～59]；镁合金冲压成形的关键在于成形温度的控制，主要问题为热冲压增加了操作难度和设备要求，此外大多数镁合金属应变速率敏感材料，热冲压降低了生产效率，增加了产品成本；镁合金超塑性研究比较广泛，其关键在于首先获得具有超塑性的微观组织，高应变速率超塑性成形技术和低温超塑性成形技术已成为新的研究方向之一[61～64]。

1.2 镁合金板材冲压的研究与发展现状

镁合金板材冲压成形研究主要包括两个方面，即冲压性能研究和冲压成形规律研究。为了获得具有优良冲压性能的镁合金板材，需要对其影响因素进行研究，以通过合理的制备工艺和热处理工艺来改善、提高其冲压性能；为了获得合格的冲压件，需要对其冲压工艺进行研究，确定适当的工艺参数。

1.2.1 镁合金板材冲压性能的评定

在镁合金板材冲压加工中，板材冲压性能的研究具有极其重要的地位。目前，人们对冲压成形中板材的变形行为已经有了较为深入的认识和了解,对常用冲压板材已经建立了板材的化学成分、显微组织结构等与冲压性能之间的对应关系。但对影响镁合金板材冲压成形性能的因素仍知之甚少，因此，从微观上对影响镁合金板材塑性变形的因素进行研究，确立影响其冲压性能的因素，寻求改善、提高的途径，是今后高性能镁合金板材研究开发的重点之一。

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AZ31镁合金板材等径角轧制及冲压性能研究 - 6 - 根据对其它常用冲压板材的研究[65]，对镁合金板材冲压性能研究的内容主要包括：镁合金板材冲压性能的含义；判断镁合金板材冲压性能的科学方法，确定可以确切反映板材冲压性能的参数，建立冲压性能参数与实际冲压成形能力之间的关系以及冲压性能参数的测试方法；建立镁合金板材的化学成分、组织和制备过程与冲压性能之间的关系等。

目前，对板材冲压性能的评定方法很多，主要可分为直接试验法和间接试验法，如图1.2所示，其中，模拟试验是目前镁合金冲压性能研究应用最为广泛的方法，为了测定一些冲压性能参数，单向拉伸试验也是常用的方法之一。

图1.2 板材冲压性能的评定方法[66]

采用单向试验法对镁合金板材冲压性能进行研究时，按照各拉伸试验值所表示的冲压性能的性质的不同，可以把拉伸试验值分为力学性能、变形性能、应力－应变关系性能三大类。其中，力学性能包括屈服强度、抗拉强度、屈强比；变形性能包括断裂伸长率、均匀伸长率、屈服伸长率、塑性应变比、断面收缩率、均匀断面收缩率；应力－应变关系性能包括：应变硬化指数、应变速率敏感指数和弹性模量等。对测定这些参数的试验方法和计算方法，国标已经给出了详细的规定，一些研究者还给出了更为可靠方便的试验计算方法[67，68]。

采用拉深试验对镁合金板材冲压性能进行研究时，主要内容包括拉深力、拉深速度、坯料温度、模具温度、润滑方式、模具几何形状和尺寸、模具间隙、压边力、压边方式、拉深次数与拉深比等对其成形性能的影响。 1.2.2 影响镁合金板材冲压性能的因素

在镁合金板材冲压成形过程中，为了获得更优的冲压成形能力，改善板材的冲压性能，需要对其影响因素进行研究。对其它常用冲压板材研究表明[69]，影响板材冲压性能的因素主要包括：合金成分、板材晶粒的大小及形貌、织构、夹杂物，板材供应状态以及成形工艺等。

合金成分：少量研究表明[70，71]，合金成分的不同，镁合金板材的冲压成形板材冲压性能

评定方法

直接试验法

间接试验法实物冲压试验

模拟试验单向拉伸试验双向拉伸试验FLD 试验

平面应变拉伸

单向等拉液压胀形实验

杯突实验 试验 YBT 试验

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能力也不相同。Doege等[70]对AZ31、AZ61和M1等合金的研究表明，在相同条件下，AZ31合金的极限拉深比明显大于其它两种合金。Hans等[71]研究表明，含Al、Mn量偏高的AZ31合金，其室温Erichsen值较低。

晶粒尺寸与形貌：对于镁合金，晶粒尺寸的大小和形貌对其冲压性能影响的研究很少。Iwanaga等[72]研究表明，晶粒尺寸大小与其Erichsen值之间没有必然联系。而一般情况下，当晶粒尺寸增大时，材料的屈服极限降低，屈强比也随之减小，使板材的冲压性能提高。但是，晶粒粗大会引起冲压制品的表面出现桔皮状。此外，晶粒过粗导致杂质相对集中，也会使金属脆性增大。因此为了获得优良的冲压性能，须合理控制镁合金板材的晶粒大小。

织构：织构对板材冲压性能具有重要影响。Iwanaga等[72]研究表明，室温下具有{1011}锥面晶粒取向的AZ31镁合金，其Erichsen值可达7.4mm，极限拉深比可达1.4，且在从室温到175℃的低温范围内也具有较好的拉深成形性能。

成形工艺：镁合金板材的冲压成形能力还与其成形工艺密切相关。Yoshihara 等[73]对AZ31镁合金板材研究表明，采用变压边力技术，其极限拉深比可达2.14，再与差温拉深技术相结合，极限拉深比可达5.0以上。Hans等[71]研究也表明，在进行适当的模具设计和拉深成形工艺控制后，室温下AZ3lB合金板材的极限拉深比可达1.6。

同时，对其它常用冲压板材的研究也表明，板材的供应状态（热处理状态）以及杂质含量等均对其冲压性能具有明显影响。因此，为了提高镁合金板材的冲压成形能力，应从其自身性能出发，从板材微观组织控制和冲压成形工艺两个方面来改善、提高其冲压成形性能。

1.2.3 镁合金板材冲压工艺

利用冲压工艺可制造出各种形状复杂的工件，这对镁合金板材在汽车、3C 等产品上的应用极具吸引力，而在冲压工艺中又以拉深工艺最为典型，应用也较广。如前所述，为了改善、提高镁合金板材的冲压成形能力，需要对镁合金板材的冲压成形工艺进行研究。目前已经开发了多种板材冲压成形技术，这些技术主要包括变压边力技术[74]、无模分层成形技术[75]、多点成形工艺[76]、叠层拉深工艺[77]、激光成形技术[78]、差温拉深技术[79]、冲压智能化技术[80]、成形过程的计算机仿真技术[81]、粘介质成形技术[82]等。

目前，国内外对镁合金板材冲压成形工艺已进行了一定的研究，其中拉深成形工艺研究最为普遍。在镁合金板材拉深成形中，影响其拉深成形效果和极限拉深比（Limiting Drawing Ratio，LDR）的工艺参数主要包括模具结构和尺寸、成形温度、拉深速度、润滑条件、压边方式等，以及拉深次数、拉深方式等。拉深次数和拉深方式可在生产中，根据拉深件的形状与生产设备和条件来选取。

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AZ31镁合金板材等径角轧制及冲压性能研究

（1）模具结构

在模具结构中影响镁合金拉深成形的因素包括凸凹模间隙、冲头圆角半径、凹模圆角半径、模具形状即拉深件形状等。

在拉深过程中，凸凹模间隙对镁合金成形件的成形效果和成形质量有一定的影响。由于目前镁合金拉深制品很少，针对模具间隙的研究也很少，而在研究中通常采用较大的模具间隙[71，72]。

冲头圆角半径R p和凹模圆角半径r d对板材的成形有着重要的影响。Paisarn 等[83]研究表明，对于板厚t为0.9mm的AZ31镁合金，R p/t<2.2时，其LDR值较小且随r d/t的值增加变化不大，当R p/t>3.3时，LDR随r d/t增大而增大，当R p/t>4.4时，其LDR值基本不发生改变。Chen等[84]研究表明，对于AZ31镁合金，方形件的拉深深度随R p的增加而增加，而利用有限元模拟和试验的方法均表明，拉深深度随冲头直壁夹角圆弧半径的增加，先增加后减小。

对于杯形件和方形件这两种典型的镁合金拉深成形件，当方形件直壁夹角圆弧较小时，拉深过程中板料的起皱与破裂特点均有所不同。圆筒件在法兰部分起皱分布均匀，破裂部位随压边力大小变化趋势的不同出现在不同的部位；而方形件起皱则主要集中在直壁夹角处，也大多在该处发生破裂[84，85，88]。

（2）成形温度

由于镁合金在室温下塑性变形能力非常有限，几乎难以拉深成形，所以通常在高温下进行拉深成形。Chen等[84]利用有限元分析和试验研究表明，对于AZ31镁合金在200℃左右成形效果最佳。Doege[70]对AZ31B、AZ61B、M1镁合金的研究也得到了与此类似的结论。

此外，采用差温拉深工艺可有效提高镁合金板材的LDR。尹德良等[89]研究表明，对于AZ31镁合金在大于150℃的温度下拉深比较大时，冲头温度需控制在50～90℃之间。Yoshihara等[85]研究发现，对于AZ31镁合金采用差温拉深装置并与变压边力技术相结合，可得到LDR>5.0的圆筒形件。

（3）拉深速度

大多数镁合金属应变速率敏感材料，所以拉深速度对其成形能力也有一定的影响。张凯锋等[86]研究发现，对于AZ31镁合金，在拉深速度为7.5mm·min-1和30mm·min-1时，均可得到拉深比达2.65的圆筒形拉深件，而当拉深速度提高到72mm·min-1，则难以成形。Doege等[70]在200℃下研究了AZ31B、AZ61B、M1镁合金极限拉深比LDR与拉深速度之间的关系，发现随拉深速度的增加，其LDR 值基本成线性减小。

（4）润滑条件

在拉深过程，板材与模具的摩擦对其成形性能和拉深件表面质量有较大的影响。尹德良等[89]研究表明，采用肥皂润滑剂，润滑效果较好，可成功拉深成形；

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