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毕业设计论文

摘要

MB22镁合金具有良好的成型性，该合金在400℃下反复短时退火对强度印象不大，有利于零件的热成型。

镁合金在室温下塑性很低，延伸率只有4%～5%，容易脆裂，轧制加工比较困难，镁合金在常温下的塑性成形能力差,但200℃以上时塑性明显提高，使挤压加工成为理想的方法。

文章研究了MB22镁合金板材在温热条件下的成形性能。

通过完成刚模胀形实验获得了MB22在温度150℃、200℃、250℃的ＦＬＤ。

MB22镁合金板材ＦＬＤ随着温度的升高而升高，表明MB22镁合金随着温度的升高塑性成形能力增强。

在实验基础上进一步获得了成形极限图的计算模型，该模型对实际生产有一定的指导作用。

在文章的最后探讨了一下影响MB22镁合金拉伸成型的影响因素。

说明了成型温度，模具结构的影响，成形速度的影响，压边方式的影响，润滑条件的影响是如何影响MB22镁合金的拉伸成型的。

关键词

MB22；拉伸成型性；成形极限图；计算机模型；影响因素

Abstract

MB22magnesiumalloyhasgoodformability,repeatedshort-termannealingofthealloyat400℃onthestrengthofimpression,thermoformedparts.Magnesiumalloyatroomtemperatureunderplasticlowelongationisonly4%to5%,easytobrittlefracture,therollingprocessismoredifficult,theplasticformingofmagnesiumalloyatroomtemperature,thepoor,butsignificantlyincreasedabove200℃oftheplastic,socrowdedpressureprocessingofanidealmethod.TheMB22magnesiumalloysheetformabilityinwarmconditions.MB22atatemperature150℃,200℃,250℃FLDisobtainedbycompletingjustdiebulgingexperiment.MB22magnesiumalloysheetFLDincreasedwithincreasingtemperature,showedthatMB22enhancedwithincreasingtemperatureplasticformingability.Onanexperimentalbasistofurthertheforminglimitdiagramofthecalculationmodel,themodeloftheactualproductionofaguidingrole.AttheendofthearticleexplorewhatimpactMB22magnesiumalloytensileformingfactors.

Keywords

MB22;Stretchforming；FLD；thecalculatingmode；Influencingfactors

第1章概述

材料作为21世纪的支柱已显示出5个方面的变化趋势:

即从黑色金属向有色金属变化，从金属材料向非金属材料变化，从结构材料向功能材料变化，从多维材料向低维材料变化，从单一材料向复合材料变化.镁及镁合金具有比强度、比刚度高，减振性、电磁屏蔽和抗辐射能力强，易切削加工，易回收等一系列优点，镁的这些优点使其被誉为“21世纪重要的绿色工程金属结构材料”，并将成为21世纪重要的商用轻质结构材料，在汽车、电子、电器、交通、航天、航空和国防军事工业领域具有极其重要的应用价值和广阔的用前景.随着很多金属矿产资源的日益枯竭，镁以其资源丰富日益受到重视，特别是结构轻量化技术环保问题的需求更加刺激了镁工业的发展。

目前，镁及镁合金材料的研究已成为世界性的热点。

目前，美、日一些发达国家相继出台了各自的镁研究计划，以加强镁合金的研究、开发及应用。

而我国是镁的资源大国、生产大国和出口大国，但在镁合金的研究、开发及应用方面严重滞后于发达国家。

近期我国己将有关镁及镁合金的开发、应用与产业化列入国家十五科技攻关项目及863计划。

这显示我国镁及镁合金的研究、开发己进入一个新的发展时期。

镁属于密排六方结构金属，常温下塑性变形能力差，很难加工成板、带、棒及其它型材，因此目前使用的镁合金中，铸造镁合金产品的用量远大于变形镁合金，但经变形的镁合金材料可获得更高的强度，更好的延展性及更多样化的力学性能，可以满足不同场合结构件的使用要求。

因此，研究和开发变形镁合金，有着未来更长远的发展趋势。

镁合金是迄今为止在工程应用中最轻的金属结构材料。

其性能特点为

（1）因其低的密度，采用镁合金可以减轻结构重量，降低能源消耗，减少污染排放，增大运输机械的载重量和速度.

（2））镁在性环境下是稳定的，有抗盐雾腐蚀性能。

镁的化学活性很强，在空气中易氧化，且生成的氧化膜疏松，所以镁合金必须在专门的熔剂覆盖下或保护气氛中熔炼，加工车间和制粉车间要特别注意防火。

（3）比弹性模量与高强度铝合金、合金钢大致相同，用镁合金制造刚性好的整体构件，十分有利。

镁合金的焊接性能和抗疲劳性能也不错。

另外，镁合金还具有传热性好及电磁屏蔽性好的特点，这是镁合金能够应用于电子产品的重要原因。

（4）有高的振动阻尼容量，即高的减振性、低惯性。

由于镁合金对振动能量的吸收性能好，使用在驱动和传动的部件上可减少振动。

另外，冲击能量吸收好，比铝合金具有更好的延伸率的镁合金，受到冲击后，能吸收冲击能量而不会产生断裂。

（5）在高温和常温下都具有较好的塑性，因此可用压力加工的方法获得各种规格的棒材、管材、型材、锻件、模锻件和板材以及压铸件、冲压件和粉材等。

（6）具有优良的切削加工性能。

镁合金比其它金属的切削阻力小，在机械加工时，可用较快的速度加工，且加工尺寸精度高。

（7）镁在铸造工艺方面具有较大的适应性，几乎用所有的特种铸造工艺都可以铸造。

（8）镁合金与塑料不同，它可以简单地再生使用且不降低其机械性能，而塑料很难在不降低其机械性能的情况下再生使用。

镁合金与其它金属相比，熔点低，比热小，在再生熔解时所消耗的能源是新材料制造所消耗能源的4%.正是由于上述镁合金的优点，使得镁合金被广泛地应用于体育器材、机械、电子、交通、仪表及航天航空等领域.

本文在收集大量资料的基础上对MB22镁合金的热拉伸性能进行了研究，探讨其最适合的拉伸温度，以及拉伸时常出现的问题.

1.1耐热镁合金研究现状

由于交通工具轻量化的推动，世界各国都展开了对镁合金的研究，寻找一种可以满足要求的新型合金，是各国科技工作者的一个共同目标，在这方面中国科技人员也进行了大量的研究工作。

限制镁合金发展的一个主要原因是镁合金的高温性能——抗蠕变能力和高温疲劳性能较差，因此新材料的研发主要是针对这一问题进行的，概括的说主要包括两个方面：

一是对现有合金的优化，主要是针对现有的商业镁合金，特别是对Mg-Al系合金进行改性，通过添加合金元素以期改善合金的高温性能；二是新合金系的开发，主要是指新型Mg-RE系合金的研发。

从全球镁合金的研究方向看，镁合金存在三种发展趋势：

（1）以追求轻量化（高比强度）的室温用镁合金为研究目标

（2）追求高模量和高强度的颗粒或短纤维增强镁基复合材料的研究（3）追求高温性能的镁合金。

镁合金耐热性差是限制其应用的主要问题之一，提高耐热性可以扩大应用范围。

为此，世界各国开展了大量的研究工作，国内外耐热镁合金的应用对象，主要是轿车、微型车的发动机及其传动机构零部件，如变速箱壳体，汽缸体，汽缸盖，进、排气管等。

因此，它们的使用性能要求满足：

工作温度高于120℃，应力范围35Mpa-70MPa；室温延伸率>3％；耐腐蚀和加工性能良好：

并且易回收。

1.2镁合金的应用

镁合金可加工成为铸件、挤压件、锻件和冲压件等，可以通过焊接或铆接等常用的连接方法连接起来，镁合金比强度高，便于机械加工，尺寸稳定性好，抗冲击和抗压性高，减震性能好，惯性较小，适合于需要不断的、高速的变化运行方向的零件。

镁合金的各项优点使得它广泛应用于航空航天、汽车制造、通讯产品、家电、摩托车等的制造。

由于镁合金加工成形性能好，外观质感好，尤其适用于产品要求轻巧美观的手机、笔记本电脑、数码相机、MD卫星可携带录放机等产品的外壳。

镁合金在汽车和通讯设备制造等领域的应用已经非常广泛。

镁合金独有的一些特性使得它适合用于汽车零件，具体体现在以下几个方面：

1．镁合金质量轻，密度小，能减轻整车重量，也就间接减少了燃油消耗量。

2．比强度高于铝合金和钢，比刚度接近铝合金和钢，能够承受一定的负荷。

3．具有良好的铸造性和尺寸稳定性，易加工，废品率低，从而降低生产成本。

4．具有良好的阻尼系数，用于壳体可以降低噪声，减少振动，提高汽车的安全性和舒适性。

5．镁合金铸件易于集成化，可以将原来设计的30～60个零件集成为一个零件，大大降低加工费用和零件组装费.

6．镁合金具有非常优异的热变形及能量吸收能力，可以大大提高汽车的安全性能。

Computer，Communication，ConsumerElectronicProducts（计算机、通讯、消费类电子产品）是当今全球发展最快的产业。

从1990年起，3C产品一直保持着快速增长的势头。

电子工业的硬件部分的发展与新技术和新产品的开发紧密相连。

目前日本和台湾在这个领域保持领先地位，除生产笔记本电脑、MD随身听和数码相机三大采用镁合金最多的产品外，还开发出带有镁合金部件的手机、摄像机、电视机外壳、CD播放机、掌上电脑等。

随着消费者对轻、薄、短、小以及时尚新潮的要求越来越多，在3C产品的外壳应用上，镁合金已有逐渐取代ABS、PC等材料的趋势。

镁合金与传统3C产品所使用的材料相比，其优越性表现在以下几个方面：

1．轻量化；2．刚性较高；3．减振性能良好；4．电磁波绝缘性佳；5．散热性良好；6．耐蚀性佳；7．质感极佳；8．易于回收。

1.3镁合金的牌号

镁合金的牌号主要反映了其合金元素的成分和质量分数。

按照国标GB/T5153-2003的规定，镁合金牌号以英文字母加数字再加英文字母的形式表示。

以一种常用牌号AZ31B来说明，前面的英文字母是其最主要的合金组成元素代号，其中A代表质量分数最高的合金元素AL，Z代表质量分数次高的合金元素Zn随后的数字表示其最主要的合金元素的大致含量。

3表示伽的质量分数大致为3％，1表示Zn的质量分数大致为1％。

最后面的英文字母B为标识代号，用以标识各具体组成元素相异或元素含量有微小差别的不同合金。

ZK61S代表合金元素Zn、Zr的质量分数分别约为6％和1％的一种合金。

牌号中的数字在于说明一个大致的范围，并非真正精确的含量。

需要说明的是，这个标准是在2003年依据国际常用的镁合金牌号命名规则进行修改的，此前国内通用的牌号是以MB进行标识，主要包括MBl、MB2……MB8、MBll、MBl5等。

这些牌号现在已经对应转化为新牌号，但在某些文献中可能还会有所提及，其中，MB2相当于新国标（也是美国国标）AZ31B，MBl相当于M1A等。

1.4镁合金的分类

一般来说，镁合金分类依据有三种：

合金化学成份、成形工艺和是否含有锆。

按照化学成份可以分为Mg-AL，Mg-Mn，Mg-Zn等二元系，以及Mg．AL—Zn，Mg-AL—Mn等三元系和多元系。

按照成形工艺，镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金。

1）铸造镁合金

目前应用的镁合金结构件一般都是铸造产品，其中又以压铸件居多。

现在世界工程构件镁合金需求的98％来自于压铸行业。

常用的压铸镁合金大多是美国牌号，主要有4个系列：

AZ系列（Mg-AL-Zn-Mn）,AM系列（Mg-AL-Mn）AS系列（Mg-AL-Si）AE系列（Mg-Al-RE）

1．AZ系合金

AZ系合金一般指AZ91系列合金，它具有均衡的力学性能、铸造性能和耐蚀性。

其屈服强度最高，一般用于制造形状复杂的薄壁铸件。

它也存在耐热性差这一严重缺点。

AZ91D（Mg，A1-9％，Zn-0．7％，Mn-0．13％）是AZ系列的典型型号，为高纯牌号，通过加入少量的锰来形成Mg．Fe．Mn化合物而减少铁的质量分数，改进合金的耐蚀性能，其Fe，N，Cu等杂质的质量分数仅为一般镁合金的1/10，是一种室温使用的主要高纯压铸镁合金。

其抗腐蚀能力明显高于A380铝合金和钢。

2．AM系合金

AM系合金具有优良的韧性和塑性，用于经常受冲击载荷、安全性较高的场合，常用于座架和设备仪表盘等，其主要合金为AM60。

AM60B（Mg，AL-6％，Mn-0．13％）为其典型型号，具有优良的耐盐雾性能。

AZ91D和AM60B构成了汽车上镁合金应用量的90％。

与AZ91合金相比，AM60合金由于含铝量较低，使合金中含铝的二次化合物相的析出量有所减少，故该合金的塑性和韧性较高，强度则有所降低。

AM20合金含铝的成分最低，强度也最低，但塑性最好。

3．AS系合金

AS系合金有较好的抗蠕变性能，通常用于工作温度较高的发动机零件，AS41A（Mg，AI-4．2％，Si-1.0%，Mn-0．2％）为典型牌号，具有较好的抗拉强度、屈服强度和很好的伸长率。

由于铝含量较低，AS41A要求有较高的铸造温度。

AS41A已用于空冷汽车发动机的曲轴箱和大众汽车公司的许多零件，如风扇罩和电机支架，叶片导向器和离合器活塞等。

AS系列合金由于Si的引入在组织中易形成硬的硅质点。

钠和锶能从根本上改善硅相的结构而起到很好的变质效果。

4．AE系合金

AE系合金比AS系合金有更好的抗蠕变性能，AFA2（A1．4％，RE．2．5％，Mn．0．1％）应用于汽车动力系统颇受好评。

由于稀土对Mg．AI基合金强度及蠕变性能有很大影响，压铸AE42合金具有比Mg-A1．Si合金更好的抗蠕变性能，能在200到250摄氏度下长期使用。

由于AE对高温性能的改善有限，且铸造较为困难，再加上稀土成本较高，所以暂时无法推广应用AE系列合金。

2）变形镁合金

变形镁合金通过塑性加工和热处理可以获得比铸造镁合金材料更高的强度、更好的延展性、更多样化的力学性能，变形镁合金的分类依据一般有两种：

合金成分和是否可热处理强化。

按照化学成分来进行分类，变形镁合金系列主要分为以下几种：

1．Mg．AI．Zn．Mn系合金Mg．AI系变形镁合金的典型牌号有AZ31，AZ61，AZ80等。

此类合金具有良好的强度、塑性和耐腐蚀的综合力学性能和良好的焊接性能，可以制成形状复杂的锻件和模锻件，可用于制造飞机内部构件、舱门、壁板及导弹蒙皮等。

2．Mg．Li系合金Mg．Li系合金是超轻的变形镁合金，Li的密度只有0.53g/cm3,用Li作合金元素，除降低密度外，U的加入可以在合金中形成具有bcc结构的β相，显著改善镁合金的塑性。

但通常Mg．Li合金的强度很低，耐热性能和耐腐蚀性能差。

加入灿，zn，Cd，Si，Mn和RE等元素可以提高合金的强度和组织稳定性。

高强度超轻的Mg．Li合金的开发是镁合金研究的热点之一。

3．Mg-Mn系合金

该系列包括M1（MBl）、ZM21、ZM31和MB8等。

具有较高的耐腐蚀性能，无应力腐蚀倾向，焊接性能良好。

可以加工成各种不同规格的管、棒、型材和锻件，其模锻件可制作外形复杂构件，管材多用于汽油、润滑油等要求抗腐蚀性的管路系统。

4．Mg-Zn-zr系合金

该系列合金包括ZK60（MBl5）、ZK61，MBl8，MB21等，此类合金的塑性中等，室温下拉伸屈服强度和压缩屈服强度以及高温瞬时强度都明显优于其它合金（如AZ31等），具有良好的成形和焊接性能，无应力腐蚀倾向。

5．Mg-RE系合金

RE代表稀土元素，该系列合金主要包括ZEl0、MB8等。

具有优异的耐热性和耐腐蚀性，一般无应力腐蚀倾向，广泛用于制备薄板或厚板、挤压材和锻件等。

6．Mg-Th系合金

该系列主要包括的是美国HK31，HM21，HM31等。

该类合金具有优良的高温性能，焊接性能良好。

但对人体和环境有一定的危害，通常被限制使用。

3）其它新型镁合金

其它新型镁合金有快速凝固镁合金、镁基非晶合金、镁基复合材料镁合金生物材料等。

这些新型镁合金在生产应用和日常生活中具有重要的地位。

1.5MB22镁合金简介

MB22是镁—钇—锌—锆系热强变形镁合金，MB22镁合金具有良好的成形和焊接性能，无应力腐蚀倾向且MB22有比MB3稍高的室温抗拉强度和弹性模量，压缩屈服强度几乎比MB3高一倍，在相同的载荷下MB22能够比MB3承受高出100-150的温度。

通过变形可以生产尺寸多样的板、棒、管、型材及锻件产品，并且可以通过材料组织的控制和热处理工艺的应用，获得比铸造镁合会材料更高的强度。

更好的延展性，更多样化的力学性能，从而满足更多结构件的需要．因此，研究与开发新型变镁合金，开发变形镁合金生产新工艺，生产高质量的变形镁合金产品，是国际镁协会（InternationalMagnesiumAssociafton—IMA）在2000年提出的发展镁合金材料的最重要、最具挑战性且最长远的目标和计划【3】。

1.6MB22镁合金中合金元素的作用

提高镁合金耐热性最基本的做法是合金化。

比如，在镁合金中添加适量的稀土元素，可以增加合金的流动性，降低微孔率，提高气密性，显著改善在高温下的拉伸和成形极限测试。

和疏松现象，使合金在200℃～300℃高温下仍具有高的强度和抗蠕变性能。

往往通过1种或多种元素进行合金化，取得理想的效果。

MB22镁合金中主要元素化学成分的含量如图1所示【4】：

图1MB25-F，MB25-E，MB22主要元素化学成分

MB22中主要合金的作用如图2所示：

图2镁合金主要合金元素的作用

第2章FLD实验

2.1实验原理

实验模具装配图如图3所示，包括凸模、凹模、压边圈。

凸模的半球头直径为100mm。

加热棒或加热圈用来加热，热电偶用来测模具温度。

智能温度控制装置根据热电偶测得温度反复调节，使模具温度控制在所设温度±５℃以内。

实验时把印有圆网格的试样放入凹模和压边圈之间，利用压边力压紧拉深筋以外的试样材料，保证其该处材料不产生流动。

试样中部在凸模力作用下产生胀形变形并形成凸起，当凸起产生缩颈或轻微破裂时停止实验。

通过网格应变自动测量系统GMASystem测出待测区域的网格长轴和短轴尺寸，并由此计算主应变和次应变。

图3钢模胀形实验示意图

2.2实验条件：

试样

温度/℃

速度mm/min

润滑

压边力/kN

6mm厚MB22板材

150

200

250

2

润石装配膏

150

试样如图4所示，其长度均为180mm，10种宽度分别为20mm、40mm、60mm、80mm、90mm、100mm、120mm、140mm、160mm、180mm。

为防止试样在凹模口处破裂，允许仿照拉伸试样在试样上切出圆角。

根据压边圈孔尺寸，使用厚２mm、直径90mm的硅胶垫，实验要求硅胶垫耐高温，以保证硅胶垫在整个实验过程中不失效。

改变润滑条件，实验时硅胶垫两侧均涂上润滑剂，并将硅胶垫置于试样和凸模之间。

图4试样

2.3实验过程

实验过程流程如图5所示

图5FLD实验流程图

2.4实验结果分析

根据上述实验方法得到150℃、200℃、250℃三个不同温度温度下的FLD图，如图6。

实验中发现，宽度为90mm、100mm的试样容易在凹模口处破裂，加大凹模圆角半径则可以得到解决。

图7是温度在150℃下成形试样的结果，从图中看到，不同宽度试样均在凸模顶端或顶端附近部位发生了颈缩或破裂现象，说明可以进行极限主应变的测量。

图8是宽度为160mm的试样在各温度下由实验得到的力与位移曲线，可以看出，随着温度的升高，板材冲压的高度增大，变形抗力减小。

图6MB22不同温度下的FLD

图7温度在150℃的实验结果

图8宽度为160mm的试样力-位移曲线比较

2.5计算模型

由图７中可以看出，MB22镁合金板材在3种变形温度下的成形极限曲线形状相似文献【5】也指出ＦＬＤ左侧是一条斜率接近-1的直线。

因此可以假设在各温度下，MB22镁合金板材ＦＬＤ曲线形状一致。

曲线的高低取决于平面应变点的位置。

鉴于此种假设，可将成形极限图的左侧曲线设为一次曲线，右侧曲线设为幂指函数曲线。

即满足

式中

--主应变

式中

--次应变

--平面应变状态对应主应变，即FLD最低点

k,b,c---与温度有关的参数

基于上述假设，可以拟合得到a,b,c,k的值，如图9所示。

将其代入式

（1）代入即可以获得温度150℃、200℃和250℃时的FLD计算模型。

图9FLD计算模型参数值

为了进一步得到上述参数和温度的函数关系，根据图9，以温度作为变量，采用最小二乘法进行二阶多项式拟合，即得到各参数与温度的函数关系为：

将式

（2）代入

（1），即可得到MB22各温度下的FLD计算模型。

图10为FLD计算模型和实验点，可见该计算模型曲线和实验数据能较好的吻合。

图10FLD计算模型曲线和实验数据

第三章成形工艺参数对MB22镁合金拉深性能的影响

在冲压工艺实验及板料成形模拟中，目前研究较多的是拉深工艺【6】。

板料的拉深性能一般采用国际通用的冲杯实验（Swift实验）来衡量。

该实验是使用不同直径的圆形坯料，并按照逐级增大直径的操作程序进行拉深成形试验，取试样侧壁不致破裂时可能拉深成功的最大坯料直径Domax小缸与凸模直径dp之比值，称为极限拉深比（LDR），来作为评价板料成形性能的指标。

LDR值越大，则板料的拉深成形性能就越好影响镁合金板料拉深性能与极限拉深比的主要工艺参数包括模具结构、成形温度、拉深速度、润滑条件、压边方式等。

3.1成形温度的影响

镁合金板在室温下的成形性能较差，但在高温下，镁合金的成形性能较好【7】。

当成形温度升高到200℃时，镁合金板的成形性能得到显著的提高。

镁合金板的热拉深可分为恒温拉深和温差拉深。

图11是在两种温度下进行对MB22镁合金拉伸的效果。

图11相同条件下室温和250℃下对MB22镁合金拉伸的不同效果

3.2模具结构的影响

在模具结构中影响镁合金拉深成形的因素包括模具凸、凹模间隙、凸模圆角半径、凹模圆角半径、模具形状等。

若凸、凹模间隙过小，会增大板料与模具壁间的摩擦力及拉深力，从而增加直壁部分的拉应力，容易引起拉深件临界断面变薄或者发生破裂，并且易在成形件外表面形成摩擦划痕，影响其表面质量；若间隙过大，则达不到要求的拉深件精度。

凸模圆角半径Rp和凹模圆角半径Rd对板料的成形能力亦有着重要的影响【8】。

有研究表明，凸模圆角与转角交界处最容易发生断裂，如图12所示。

图12MB22镁合金矩形拉伸示意图。

3.3成形速度的影响

研究表明，同一温度下镁合金板的LDR随拉深速度的增加而减小【9】。

拉深速度过大，镁合金件筒壁部分呈现紧张的拉伸状态，危险断面易于拉裂、拉断，使得镁合金的LDR降低。

图13为意大利学者Palumbo等分别在180℃和230℃两种温度下，采用6mm/min、15mm/min和30mm/min的拉伸速度对镁合金进行的热拉伸试验。

图13镁合金与拉伸速度