AZ31鎂合金板材磁脈沖成形性能研究.pdf

1、鎂合金以其自身特有的特性如較低的密度、高比強(qiáng)度等逐漸受到工業(yè)應(yīng)用的青睞。對(duì)于鎂合金的成形方式,在以往的研究和應(yīng)用中,通常采用加熱成形的方法。在常溫下,由于鎂合金具有密排六方晶體結(jié)構(gòu),滑移系較少,成形性能較差。磁脈沖成形是一種高速成形工藝,可以顯著提高金屬材料的成形性能,特別是對(duì)于常溫下成形性能較差的材料。本文針對(duì)工業(yè)中常用的AZ31鎂合金板材進(jìn)行磁脈沖成形研究。討論和分析了AZ31鎂合金板材磁脈沖成形極限、磁脈沖動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)下的成形性能及變

2、形規(guī)律、AZ31鎂合金板材在磁脈沖和磁脈沖動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)下的微觀變形機(jī)制以及磁脈沖成形AZ31鎂合金板材典型殼體件的變形行為。
　　通過(guò)分析AZ31鎂合金板材磁脈沖成形下的三種典型應(yīng)變狀態(tài)即單向拉伸、平面應(yīng)變和雙等拉伸的極限應(yīng)變分布,建立了AZ31鎂合金板材磁脈沖室溫成形極限圖。利用近似矩形平板單螺旋線圈對(duì)拉伸試樣(與準(zhǔn)靜態(tài)下相同)進(jìn)行脹形,實(shí)現(xiàn)單向拉伸應(yīng)變狀態(tài);利用勻壓線圈產(chǎn)生的均勻的磁壓力作用于條形試樣,實(shí)現(xiàn)平面應(yīng)變狀態(tài);利用圓形平

3、板線圈對(duì)方形試樣的自由脹形,實(shí)現(xiàn)雙等拉應(yīng)變狀態(tài)。通過(guò)與準(zhǔn)靜態(tài)下相應(yīng)極限應(yīng)變的對(duì)比表明,AZ31鎂合金板材磁脈沖成形極限顯著提高。
　　通過(guò)成形極限的系統(tǒng)研究,發(fā)現(xiàn)AZ31鎂合金板材磁脈沖成形過(guò)程中,在慣性效應(yīng)的影響下成形性能顯著提高。為了加強(qiáng)慣性效應(yīng)的作用,將電導(dǎo)率較高的鋁合金或者銅板置于AZ31鎂合金板材與線圈之間,深入研究AZ31鎂合金板材在磁脈沖動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的成形性能和變形規(guī)律。在磁脈沖動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中,由于慣性效應(yīng)的增強(qiáng),

4、AZ31鎂合金板材的成形極限較無(wú)驅(qū)動(dòng)時(shí)有明顯提高。同時(shí),對(duì)AZ31鎂合金板材在磁脈沖動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中典型位置的速度、應(yīng)變速率和應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　通過(guò)對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)單向拉伸、準(zhǔn)靜態(tài)雙等拉伸、磁脈沖單向拉伸、磁脈沖雙等拉和磁脈沖動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)成形(2mmAl驅(qū)動(dòng)片)的斷口分析,結(jié)果表明:準(zhǔn)靜態(tài)下,斷口區(qū)無(wú)明顯韌窩,表現(xiàn)為脆性斷裂;而磁脈沖單向拉伸和磁脈沖動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)成形斷口區(qū)出現(xiàn)明顯的韌窩,表現(xiàn)為韌性斷裂的趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)單向

5、拉伸、磁脈沖單向拉伸成形斷口區(qū)域的EBSD分析,表明準(zhǔn)靜態(tài)單向拉伸下的變形機(jī)制以基系滑移為主,而磁脈沖單向拉伸下,由于變形劇烈,晶粒較準(zhǔn)靜態(tài)下細(xì)化明顯,其變形機(jī)制仍以基系滑移為主,孿晶較準(zhǔn)靜態(tài)略有增多。通過(guò)對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)雙等拉伸、磁脈沖雙等拉和磁脈沖動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)成形斷口區(qū)域的EBSD分析,表明準(zhǔn)靜態(tài)雙等拉伸下的變形機(jī)制為基系滑移,而磁脈沖雙等拉和磁脈沖動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)成形下,由于變形獲得了較多的能量,更多的滑移系被激活,且有{10-12}拉伸孿晶出現(xiàn)(其

6、中磁脈沖動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)最為明顯)。
　　采用多物理場(chǎng)耦合有限元分析軟件ANSYS,建立了AZ31鎂合金板材典型殼體件磁脈沖成形的3D有限元模型。3D有限元模型的建立,克服了磁脈沖成形以往模擬研究中只采用2D研究軸對(duì)稱性結(jié)構(gòu)的局限,從而可以對(duì)磁脈沖成形工藝中的非對(duì)稱性結(jié)構(gòu)的成形進(jìn)行模擬分析。對(duì)殼體件成形中采用的勻壓線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布、磁通密度和磁壓力的變化規(guī)律進(jìn)行了討論和分析。研究了AZ31鎂合金殼體件的磁脈沖成形過(guò)程中,板材與模具碰撞的

7、變形特征。
　　針對(duì)不同底部圓角(R=30mm、R=15mm、R=2mm和R=8mm)的殼體件進(jìn)行了磁脈沖成形試驗(yàn)研究。研究中討論了工藝參數(shù)對(duì)殼體件成形的影響。在成形過(guò)程中,由于AZ31鎂合金板材以較高的速度與模具發(fā)生碰撞,碰撞部位即殼體的底部的速度發(fā)生反向,形成凹陷。為了克服凹陷缺陷的產(chǎn)生,研究中探索了鋁合金驅(qū)動(dòng)片對(duì)于底部凹陷部位的影響規(guī)律。分析了驅(qū)動(dòng)片厚度、驅(qū)動(dòng)片的驅(qū)動(dòng)次數(shù)對(duì)于不同底部圓角殼體件成形的影響。針對(duì)勻壓線圈打火和鼓