镁合金板材超塑性成形性能及变形失稳

镁合金板材超塑性成形性能及变形失稳
文章研究了轧制AZ31B镁合金板材的超塑性与变形失稳，对镁合金板材进行了超塑性拉伸试验和超塑性凸模胀形试验。

通过对AZ31B镁合金进行超塑性单向拉伸（初始应变比？籽00）实验，研究其在不同加载途径下变形过程中板平面内的两主应变（？着1，？着2）的分布和最小截面处的应变路径变化。

结果表明：在一定变形速度与温度下，工业态AZ31B镁合金板材具有优良的超塑性；在变形温度为573K中温条件下的超塑性成形性合乎成形零件的基本要求。

标签：AZ31B镁合金；超塑性；成形性能；变形失稳
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 ρ00）were carried out on AZ31B magnesium alloy. The distribution of two principal strains （？著1，？着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，工业中的铝、钛等合金零件的生产多使用超塑性成形工艺，而超塑性成形工艺较少用于镁合金零件的生产过程。

由于镁合金在受力结构材料中是最轻的金属，且随着近年来制造工艺的发展进步，镁合金已经被广泛应用到航空航天、国防军工、汽车、电子通信等领域中，传统的铸造镁合金已经渐渐被各领域所淘汰[1-3]。

而经过锻造、挤压、轧制等工艺生产后的变形镁合金产品具备了更高的强度，更好的延展性，更多样化的力学性能。

超塑性成形性能在镁合金的应用中显得十分重要。

随着对镁合金研究和应用的进一步深入，在新工业时代，超塑性镁合金由于其环保的特性，应用日益增加，这对工业态镁合金而言，将具有更高的要求和深远的意义。

内部损伤的缓慢扩展常导致金属超塑性失稳和断裂的发生。

材料的流动性可以用局部化颈缩来体现同时也是衡量金属板材成形的一个重要特征。

金属薄板成形时的流动性可以用变形时的局部化颈缩来度量这可以用成形极限曲线图FLC 来体现。

因此，分析金属薄板成形工艺常广泛运用成形极限曲线图（FLC）。

材料断裂前体现的最大流动性可以定义为具体成形过程中材料没有发生失稳的极限值，Hill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便是其最具有代表性的研究。

由于超塑性板材变形时应变速率因素的影响明显，导致其变
形过程中失稳后的亚稳定阶段较长。

事实上，正是由于亚稳定变形阶段较长导致了超塑性材料的大延伸率。

因而现有的对于一般塑性板料的拉伸失稳理论无法适用于超塑性材料。

镁合金板料超塑性变形及控制机理已有大量的研究成果，而对工业态变形镁合金超塑性拉伸失稳理论的研究较少，因此有必要对工业态变形镁合金超塑变形的微观机制作深入究。

1 试验材料与方法
1.1 材料和试样
本文研究的实验材料为工业态热轧AZ31B镁合金板材。

超塑性拉伸试样是在与轧制方向平行、垂直、成45°时切取的，试样的尺寸统一为长3.5mm、宽6mm、厚15mm。

试样的原始组织的平均晶粒大小为17.5μm，组织不成典型等轴晶粒，组织不是均匀的。

超塑性凸模胀形实验所使用的镁合金板材的厚度为0.6mm，胀形条件为：变形温度为573K、初始应变速率为3.3×10-4S-1，胀形凸模半径为50mm。

保持凸模向下移动速率恒定为1mm/min。

在易破坏截面处通过试验前在试样表面勾画网格来测量两个主应变值。

表1为原始晶粒尺寸约为15μm的AZ31B镁合金板材凸模胀形试验条件及试件尺寸。

表1 AZ31B镁合金板材凸模胀形试验条件及试件尺寸
1.2 试验设备和方法
超塑性拉伸试验在空气中进行且拉伸实验材试样表面不必加高温防护涂层，试验在HT-9102电脑伺服控制材料试验机上进行。

超塑性凸模胀形试验需要加热和保温，选用Alliance RT/50电子拉力试验机进行，试验在空气中进行，试样表面不必加高温防护涂层。

通常超塑性变形温度T>0.5Tm（Tm为材料熔点温度，AZ31B镁合金的熔点是923K），因此选取超塑性拉伸试验的温度范围控制在673～763K，应变速率范围为1×10-4～1×10-3S-1之间。

AZ31B镁合金板料凸模胀形试验时模具首先放在加热炉里，随加热炉一起升温至573K时取出；将板料试件放置于上、下压边圈之间，此时应如图1所示把试件的边缘压紧。

然后将板料和模具一起放进加热炉，当温度保持在573K 时，凸模开始以1mm/min的速率向下移动，板材开始发生超塑性胀形，胀形后的试样宏观形貌见图2。

图1 将板料试件放置于压边圈之间
图2 AZ31B镁合金板材超塑性胀形
2 实验结果
2.1 镁合金的超塑性
表2为工业态热轧AZ31B镁合金板材的超塑性拉伸试验数据结果。

从在723K，1×10-3S-1条件下的真应力-真应变曲线（图3）可以看出，镁合金板材超塑性变形呈应变硬化现象。

真应变达到0.3左右时真应力达到最大值，真应力-真应变曲线开始进入相对稳定的流变阶段，即不需要更大应力材料即可发生较大應变，此过程持续直至试样断裂。

2.2 AZ31B镁合金板料凸模胀形
图4 一组AZ31B镁合金FCL试件的实物照片图
工业态的AZ31B镁合金板料超塑性成形极限FCL试件的实物照片图如图4。

我们采用了Hecker提出的方法建立了AZ31B镁合金板材成形极限曲线图（FLC），即试件在胀形发生破裂后，试样破裂处表面的网格也会发生变化由方格变成的椭圆，用测量破裂处那个椭圆的长短轴的应变值来表示试验材料破裂的最大应变。

最大应变的选取决定FLC的准确性和适用性，这是受主观因素影响最大的环节，是建立试验成形极限FLC的重点和难点。

由图5所示，运用Hecker提出的方法建立了AZ31B镁合金板材成形极限曲线图（FLC），？着1、？着2实测值的散点分布如图（1）所示，图（2）为成形极限曲线（FLC）。

3 分析
3.1 AZ31B镁合金板料的拉伸失稳过程
如图3所示：在拉伸初始阶段，载荷达到最大值Pmax的时间较短，曲线开始呈应变硬化效应。

当等效应变达到0.3左右时，载荷开始下降，且下降速度非常缓慢，此时曲线进入流变阶段，当达到一定量的变形程度之后，试样就完全断裂。

超塑性材料获得较大延伸率的主要原因是其中的流变阶段较长。

在研究AZ31B镁合金板超塑性拉伸轧制过程中，发现拉伸曲线不稳定后，试样最小段的拉伸载荷P1与等效真应变？着之间的关系可如下表示：
式中：P1max为最大拉伸载荷，a1、a2为材料的特性常数，m为应变速率敏感性指数，？着d为与最大载荷P1max对应的等效应变。

当m→0时，普通塑性薄板材料的载荷与应变的关系为P1=P1max。

在变形温度在723K，应变速率为1×10-3S-1时，m=0.36，？着d=0.29，可采用高斯-牛顿法对拉伸载荷曲线进行进行多次迭代进行非线性回归分析，即可
得到材料特性常数a1与a2的值分别为1.37043、1.84184，则（1）式可推导表示为：
3.2 试件的应变分布与应变路径变化规律
本文在初始应变比？籽00两种变形状态下，对材料试验中应变分布与应变路径变化的规律进行了研究。

在对板材超塑性单向拉伸（？籽00）试验中，使试件受力呈现不同的变形程度，AZ31B镁合金板材在加载初始应变比不同的情况下，分别测量出拉伸、胀形变形过程中的板平面内两个主应变（？着1，？着2）的分布情况和最小截面处应变路径的变化，可绘制出如图6的两条曲线。

其中，初始应变比？籽0为负值时的应变路变化图是曲线（a），初始应变比？籽0为正值时的应变路径变化图是曲线（b）。

试验结果显示，到达最大载荷之前，试件各处应变分布均匀；到达最大载荷后，在一定大小的载荷范围内，试件各处应变分布仍大致保持均匀。

只有当载荷达到一定值时，试样才发生明显的非均匀变形，且变形程度与初始应变比有关。

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（如图6所示）。

分别为：oa阶段：与载荷增加相对应的均匀变形阶段；ab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阶段，从宏观上看，应变路径基本保持不变，且没有明显的分散性缩颈形成；bc阶段：应变路径发生漂移的阶段和平面应变阶段。

尤其在变形的后期，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。

此外，在双向受拉的变形方式下，应变状态变化特征与拉压变形方式下相同。

无论是在拉压变形方式或是在双向受拉变形方式进行超塑性变形时，d？着2=0均是AZ31B镁合金板料发生集中性失稳的条件。

4 结束语
（1）在变形温度为574K，初始变形速率为3.3×10-4S-1时，试件胀形的最大高度为41.20mm，半径为50mm，其高径比为H/d=0.824。

当变形条件为变形温度为723K和应变速率为1×10-3S-1时，最大断裂延伸率为216%，应变速率敏感性指数m可达0.36，厚向异性指数r为0.9245、应变硬化指数为0.26。

（2）在变形温度为723K，应变速率为1×10-3S-1时，出现的最大载荷导致失稳时等效应变？着d=0.29的情况下，运用高斯-牛顿法对拉伸载荷曲线进行多次迭代进行非线性回归分析，得到的数学模型为：
（3）通过上述对AZ31B镁合金板料进行超塑性单向拉伸（初始应变比？籽00）试验，得到AZ31B镁合金板料在进行拉压或是在双向受拉下的超塑性变形时，d？着2=0总是发生集中性变形失稳的条件。

（4）工业态AZ31B镁合金板材在一定的变形条件下具有良好的超塑性；在变形温度为573K中温条件下的超塑性成形性合乎成形零件的基本要求。

参考文献：
[1]陈振华，刘俊伟，陈鼎，等.镁合金超塑性的变形机理、研究现状及发展趋势[J].中国有色金属学报，2008（02）：193-202.
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[3]于彦东，张凯锋，蒋大鸣，等.轧制镁合金超塑性和超塑胀形[J].中国有色金属学报，2003（01）：71-75.。