鎂合金板材超塑性成形性能及變形失穩(wěn)

姜文超 盧維娜 李希云 王晨茹 張進(jìn)

摘 要：文章研究了軋制AZ31B鎂合金板材的超塑性與變形失穩(wěn)，對鎂合金板材進(jìn)行了超塑性拉伸試驗(yàn)和超塑性凸模脹形試驗(yàn)。通過對AZ31B鎂合金進(jìn)行超塑性單向拉伸（初始應(yīng)變比？籽0<0）實(shí)驗(yàn)和雙向受拉（脹形，初始應(yīng)變比？籽0>0）實(shí)驗(yàn)，研究其在不同加載途徑下變形過程中板平面內(nèi)的兩主應(yīng)變（？著1，？著2）的分布和最小截面處的應(yīng)變路徑變化。結(jié)果表明：在一定變形速度與溫度下，工業(yè)態(tài)AZ31B鎂合金板材具有優(yōu)良的超塑性；在變形溫度為573K中溫條件下的超塑性成形性合乎成形零件的基本要求。

關(guān)鍵詞：AZ31B鎂合金；超塑性；成形性能；變形失穩(wěn)

中圖分類號(hào)：TG113.25+3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）20-0098-04

Abstract： The superplasticity and deformation instability of rolled AZ31B magnesium alloy sheet were studied in this paper. The superplastic tensile test and the bulging test of superplastic convex die were carried out on the magnesium alloy sheet. The superplastic uniaxial tensile test （initial strain ratio ρ0<0） and biaxial tensile test （bulging， initial strain ratio ρ0>0） were carried out on AZ31B magnesium alloy. The distribution of two principal strains （？著1， ？著2） and the variation of strain path at the minimum cross section in the plate plane during different loading paths are studied. The results show that the industrial AZ31B magnesium alloy sheet has excellent superplasticity at a certain deformation rate and temperature， and the superplastic formability at a deformation temperature of 573K meets the basic requirements of forming parts.

Keywords： AZ31B magnesium alloy； superplasticity； formability； deformation instability

目前， 工業(yè)中的鋁、鈦等合金零件的生產(chǎn)多使用超塑性成形工藝，而超塑性成形工藝較少用于鎂合金零件的生產(chǎn)過程。由于鎂合金在受力結(jié)構(gòu)材料中是最輕的金屬，且隨著近年來制造工藝的發(fā)展進(jìn)步，鎂合金已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到航空航天、國防軍工、汽車、電子通信等領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的鑄造鎂合金已經(jīng)漸漸被各領(lǐng)域所淘汰[1-3]。而經(jīng)過鍛造、擠壓、軋制等工藝生產(chǎn)后的變形鎂合金產(chǎn)品具備了更高的強(qiáng)度，更好的延展性，更多樣化的力學(xué)性能。

超塑性成形性能在鎂合金的應(yīng)用中顯得十分重要。隨著對鎂合金研究和應(yīng)用的進(jìn)一步深入，在新工業(yè)時(shí)代，超塑性鎂合金由于其環(huán)保的特性，應(yīng)用日益增加，這對工業(yè)態(tài)鎂合金而言，將具有更高的要求和深遠(yuǎn)的意義。

內(nèi)部損傷的緩慢擴(kuò)展常導(dǎo)致金屬超塑性失穩(wěn)和斷裂的發(fā)生。材料的流動(dòng)性可以用局部化頸縮來體現(xiàn)同時(shí)也是衡量金屬板材成形的一個(gè)重要特征。金屬薄板成形時(shí)的流動(dòng)性可以用變形時(shí)的局部化頸縮來度量這可以用成形極限曲線圖FLC來體現(xiàn)。因此，分析金屬薄板成形工藝常廣泛運(yùn)用成形極限曲線圖（FLC）。材料斷裂前體現(xiàn)的最大流動(dòng)性可以定義為具體成形過程中材料沒有發(fā)生失穩(wěn)的極限值，Hill運(yùn)用經(jīng)典塑性理論分析了金屬在局部化頸縮過程中的流動(dòng)性便是其最具有代表性的研究。由于超塑性板材變形時(shí)應(yīng)變速率因素的影響明顯，導(dǎo)致其變形過程中失穩(wěn)后的亞穩(wěn)定階段較長。事實(shí)上，正是由于亞穩(wěn)定變形階段較長導(dǎo)致了超塑性材料的大延伸率。因而現(xiàn)有的對于一般塑性板料的拉伸失穩(wěn)理論無法適用于超塑性材料 。

鎂合金板料超塑性變形及控制機(jī)理已有大量的研究成果，而對工業(yè)態(tài)變形鎂合金超塑性拉伸失穩(wěn)理論的研究較少，因此有必要對工業(yè)態(tài)變形鎂合金超塑變形的微觀機(jī)制作深入究。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料和試樣

本文研究的實(shí)驗(yàn)材料為工業(yè)態(tài)熱軋AZ31B鎂合金板材。超塑性拉伸試樣是在與軋制方向平行、垂直、成45°時(shí)切取的，試樣的尺寸統(tǒng)一為長3.5mm、寬6mm、厚15mm。試樣的原始組織的平均晶粒大小為17.5μm，組織不成典型等軸晶粒，組織不是均勻的。

超塑性凸模脹形實(shí)驗(yàn)所使用的鎂合金板材的厚度為0.6mm，脹形條件為：變形溫度為573K、初始應(yīng)變速率為3.3×10-4S-1，脹形凸模半徑為50mm。保持凸模向下移動(dòng)速率恒定為1mm/min。在易破壞截面處通過試驗(yàn)前在試樣表面勾畫網(wǎng)格來測量兩個(gè)主應(yīng)變值。表1為原始晶粒尺寸約為15μm的AZ31B鎂合金板材凸模脹形試驗(yàn)條件及試件尺寸。

表1 AZ31B鎂合金板材凸模脹形試驗(yàn)條件及試件尺寸

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和方法

超塑性拉伸試驗(yàn)在空氣中進(jìn)行且拉伸實(shí)驗(yàn)材試樣表面不必加高溫防護(hù)涂層，試驗(yàn)在HT-9102電腦伺服控制材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。超塑性凸模脹形試驗(yàn)需要加熱和保溫，選用Alliance RT/50電子拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，試驗(yàn)在空氣中進(jìn)行，試樣表面不必加高溫防護(hù)涂層。

通常超塑性變形溫度T>0.5Tm（Tm為材料熔點(diǎn)溫度，AZ31B鎂合金的熔點(diǎn)是923K），因此選取超塑性拉伸試驗(yàn)的溫度范圍控制在673～763K，應(yīng)變速率范圍為1×10-4～1×10-3S-1之間。

AZ31B鎂合金板料凸模脹形試驗(yàn)時(shí)模具首先放在加熱爐里，隨加熱爐一起升溫至573K時(shí)取出；將板料試件放置于上、下壓邊圈之間，此時(shí)應(yīng)如圖1所示把試件的邊緣壓緊。然后將板料和模具一起放進(jìn)加熱爐， 當(dāng)溫度保持在573K時(shí)，凸模開始以1mm/min的速率向下移動(dòng)，板材開始發(fā)生超塑性脹形，脹形后的試樣宏觀形貌見圖2。

圖1 將板料試件放置于壓邊圈之間

圖2 AZ31B鎂合金板材超塑性脹形

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 鎂合金的超塑性

表2為工業(yè)態(tài)熱軋AZ31B鎂合金板材的超塑性拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。

從在723K，1×10-3S-1條件下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線（圖3）可以看出，鎂合金板材超塑性變形呈應(yīng)變硬化現(xiàn)象。真應(yīng)變達(dá)到0.3左右時(shí)真應(yīng)力達(dá)到最大值，真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線開始進(jìn)入相對穩(wěn)定的流變階段，即不需要更大應(yīng)力材料即可發(fā)生較大應(yīng)變，此過程持續(xù)直至試樣斷裂。

2.2 AZ31B鎂合金板料凸模脹形

圖4 一組AZ31B鎂合金FCL試件的實(shí)物照片圖

工業(yè)態(tài)的AZ31B鎂合金板料超塑性成形極限FCL試件的實(shí)物照片圖如圖4。我們采用了Hecker提出的方法建立了AZ31B鎂合金板材成形極限曲線圖（FLC），即試件在脹形發(fā)生破裂后，試樣破裂處表面的網(wǎng)格也會(huì)發(fā)生變化由方格變成的橢圓，用測量破裂處那個(gè)橢圓的長短軸的應(yīng)變值來表示試驗(yàn)材料破裂的最大應(yīng)變。最大應(yīng)變的選取決定FLC的準(zhǔn)確性和適用性，這是受主觀因素影響最大的環(huán)節(jié)，是建立試驗(yàn)成形極限FLC的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

由圖5所示，運(yùn)用Hecker提出的方法建立了AZ31B鎂合金板材成形極限曲線圖（FLC），？著1、？著2實(shí)測值的散點(diǎn)分布如圖（1）所示，圖（2）為成形極限曲線（FLC）。

3 分析

3.1 AZ31B鎂合金板料的拉伸失穩(wěn)過程

如圖3所示：在拉伸初始階段，載荷達(dá)到最大值Pmax的時(shí)間較短，曲線開始呈應(yīng)變硬化效應(yīng)。當(dāng)?shù)刃?yīng)變達(dá)到0.3左右時(shí)，載荷開始下降，且下降速度非常緩慢，此時(shí)曲線進(jìn)入流變階段，當(dāng)達(dá)到一定量的變形程度之后，試樣就完全斷裂。超塑性材料獲得較大延伸率的主要原因是其中的流變階段較長。

在研究AZ31B鎂合金板超塑性拉伸軋制過程中，發(fā)現(xiàn)拉伸曲線不穩(wěn)定后，試樣最小段的拉伸載荷P1與等效真應(yīng)變？著之間的關(guān)系可如下表示：

式中：P1max為最大拉伸載荷，a1、a2為材料的特性常數(shù)，m為應(yīng)變速率敏感性指數(shù)，？著d為與最大載荷P1max對應(yīng)的等效應(yīng)變。當(dāng)m→0時(shí)，普通塑性薄板材料的載荷與應(yīng)變的關(guān)系為P1=P1max。

在變形溫度在723K，應(yīng)變速率為1×10-3S-1時(shí)，m=0.36，？著d=0.29，可采用高斯-牛頓法對拉伸載荷曲線進(jìn)行進(jìn)行多次迭代進(jìn)行非線性回歸分析，即可得到材料特性常數(shù)a1與a2的值分別為1.37043、1.84184，則（1）式可推導(dǎo)表示為：

3.2 試件的應(yīng)變分布與應(yīng)變路徑變化規(guī)律

本文在初始應(yīng)變比？籽0<0和？籽0>0兩種變形狀態(tài)下，對材料試驗(yàn)中應(yīng)變分布與應(yīng)變路徑變化的規(guī)律進(jìn)行了研究。在對板材超塑性單向拉伸（？籽0<0）和雙向受拉（脹形，？籽0>0）試驗(yàn)中，使試件受力呈現(xiàn)不同的變形程度，AZ31B鎂合金板材在加載初始應(yīng)變比不同的情況下，分別測量出拉伸、脹形變形過程中的板平面內(nèi)兩個(gè)主應(yīng)變（？著1，？著2）的分布情況和最小截面處應(yīng)變路徑的變化，可繪制出如圖6的兩條曲線。其中，初始應(yīng)變比？籽0為負(fù)值時(shí)的應(yīng)變路變化圖是曲線（a），初始應(yīng)變比？籽0為正值時(shí)的應(yīng)變路徑變化圖是曲線（b）。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，到達(dá)最大載荷之前，試件各處應(yīng)變分布均勻；到達(dá)最大載荷后，在一定大小的載荷范圍內(nèi)，試件各處應(yīng)變分布仍大致保持均勻。只有當(dāng)載荷達(dá)到一定值時(shí)，試樣才發(fā)生明顯的非均勻變形，且變形程度與初始應(yīng)變比有關(guān)。

現(xiàn)將AZ31B鎂合金板材超塑性變形過程中的應(yīng)變路徑變化曲線分成四個(gè)階段（如圖6所示）。分別為：oa階段：與載荷增加相對應(yīng)的均勻變形階段；ab階段：最大載荷出現(xiàn)后的流變階段，即應(yīng)變路徑仍基本保持不變的階段，從宏觀上看，應(yīng)變路徑基本保持不變，且沒有明顯的分散性縮頸形成；bc階段：應(yīng)變路徑發(fā)生漂移的階段和平面應(yīng)變階段。尤其在變形的后期，漂移速率明顯加快，到c點(diǎn)時(shí)，平面狀態(tài)形成，應(yīng)變狀態(tài)漂移結(jié)束。此外，在雙向受拉的變形方式下，應(yīng)變狀態(tài)變化特征與拉壓變形方式下相同。無論是在拉壓變形方式或是在雙向受拉變形方式進(jìn)行超塑性變形時(shí)，d？著2=0均是AZ31B鎂合金板料發(fā)生集中性失穩(wěn)的條件。

4 結(jié)束語

（1）在變形溫度為574K，初始變形速率為3.3×10-4S-1時(shí)，試件脹形的最大高度為41.20mm，半徑為50mm，其高徑比為H/d=0.824。當(dāng)變形條件為變形溫度為723K和應(yīng)變速率為1×10-3S-1時(shí)，最大斷裂延伸率為216%，應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m可達(dá)0.36，厚向異性指數(shù)r為0.9245、應(yīng)變硬化指數(shù)為0.26。

（2）在變形溫度為723K，應(yīng)變速率為1×10-3S-1時(shí)，出現(xiàn)的最大載荷導(dǎo)致失穩(wěn)時(shí)等效應(yīng)變？著d=0.29的情況下，運(yùn)用高斯-牛頓法對拉伸載荷曲線進(jìn)行多次迭代進(jìn)行非線性回歸分析，得到的數(shù)學(xué)模型為：

（3）通過上述對AZ31B鎂合金板料進(jìn)行超塑性單向拉伸（初始應(yīng)變比？籽0<0）和雙向受拉（脹形，初始應(yīng)變比？籽0>0）試驗(yàn)，得到AZ31B鎂合金板料在進(jìn)行拉壓或是在雙向受拉下的超塑性變形時(shí)，d？著2=0總是發(fā)生集中性變形失穩(wěn)的條件。

（4）工業(yè)態(tài)AZ31B鎂合金板材在一定的變形條件下具有良好的超塑性；在變形溫度為573K中溫條件下的超塑性成形性合乎成形零件的基本要求。

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