張文玉  陳振華

摘要：通過(guò)在不同溫度下單向拉伸實(shí)驗(yàn)，分別沿軋向、45°方向和橫向?qū)?/span>AZ31鎂合金軋制板材的沖壓性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：隨著變形溫度的升高，板材抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降，斷裂伸長(zhǎng)率提高，應(yīng)變硬化指數(shù)和塑性應(yīng)變比降低，拉伸性能得到改善；溫度高于200℃時(shí)，板材的沖壓性能得到改善，其屈強(qiáng)比為0.876，應(yīng)變硬化指數(shù)為0.158，塑性應(yīng)變比為1.307。

關(guān)鍵詞：AZ31 鎂合金板材； 變形溫度； 顯微組織； 沖壓性能

鎂合金作為一種最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料， 以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，鎂合金板材的應(yīng)用前景更加廣闊。但是由于鎂的晶體結(jié)構(gòu)為密排六方型，塑性變形能力較差[1-3]，限制了鎂合金的應(yīng)用。鎂合金在常溫下很難進(jìn)行成形，隨著溫度升高，活動(dòng)的滑移面增加，塑性提高，這為鎂合金板材的熱成形提供了可能[4-8]。因此，為了擴(kuò)大鎂合金板材的應(yīng)用，對(duì)其沖壓性能進(jìn)行研究成為當(dāng)前鎂合金研究的重點(diǎn)之一。

本實(shí)驗(yàn)對(duì)AZ31 鎂合金軋制板材分別沿軋向、45° 方向和橫向在不同溫度下進(jìn)行單向拉伸實(shí)驗(yàn)，對(duì)其沖壓性能進(jìn)行研究，了解變形鎂合金塑性變形行為， 為沖壓成形工藝的開發(fā)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)所用AZ31 鎂合金軋制板材經(jīng)鑄造-擠壓-交叉軋制的工藝制得， 合金名義化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：Mg-3%Al-0.8%Zn-0.4%Mn。取初始板材擠壓方向?yàn)檐堉品较颍?/span> 分別沿與軋制方向成0°、45°、90°方向取拉伸試樣，拉伸試樣按照GB/T4338-1995《金屬材料高溫拉伸實(shí)驗(yàn)方法》規(guī)定制得。

用XJL-03 型金相機(jī)觀測(cè)軋制板材的金相組織，浸蝕劑配方如下：5g 苦味酸＋5 g 冰醋酸＋10mL 蒸餾水＋80mL 無(wú)水乙醇。高溫拉伸試驗(yàn)在WDW-E200微機(jī)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣標(biāo)距部分尺寸為15mm×3.5mm， 拉伸速度恒定即v＝2 mm/min，分別在150、200、250、300、350 和400℃下進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，溫差控制在±5℃，試樣在拉伸溫度下保溫約20min。根據(jù)GB5028-85《金屬薄板拉伸應(yīng)變硬化指數(shù)(n 值)試驗(yàn)方法》和GB5027-85《金屬薄板塑性應(yīng)變比(r 值)試驗(yàn)方法》對(duì)AZ31 鎂合金板材的n 值和r 值進(jìn)行測(cè)定計(jì)算，其中r 值測(cè)量在應(yīng)變量為12%時(shí)進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 金相組織

圖1 為AZ31 鎂合金軋制板材的金相組織�？梢钥闯觯�板材的晶粒組織較細(xì)小，部分為等軸晶，平均晶粒尺寸在10μm 以下。由此可見(jiàn)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)中所用的軋制板材，發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成了大量的細(xì)小晶粒。

2.2 單向拉伸曲線

拉伸結(jié)果如圖2 所示，由圖可看出，在拉伸過(guò)程中，拉伸曲線呈現(xiàn)出較寬的波動(dòng)，這是因?yàn)樵诟邷乩�伸變形過(guò)程中，板材不斷產(chǎn)生加工硬化和動(dòng)態(tài)回復(fù)，兩者交替進(jìn)行，從而使拉伸曲線變寬，且這種趨勢(shì)隨溫度的升高而加劇。同時(shí)還可看出，在超過(guò)300℃進(jìn)行拉伸時(shí)，拉伸曲線沒(méi)有明顯的硬化階段，在板材達(dá)到屈服點(diǎn)后， 隨即達(dá)到最大強(qiáng)度， 這表明在溫度較高時(shí)， 板材變形時(shí)的硬化能力減弱， 由高溫導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)回復(fù)引起的軟化處于主導(dǎo)地位。

2.3 屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比

圖3 為AZ31 鎂合金板材屈服強(qiáng)度σs、屈強(qiáng)比σs /σb隨溫度的變化曲線。在沖壓過(guò)程中，板材屈服強(qiáng)度小則材料容易屈服， 成形后回彈小， 貼模性和定形性較好。此外， 屈服強(qiáng)度對(duì)零件表面質(zhì)量也有影響。如果板材的拉伸曲線不連續(xù)而在屈服階段出現(xiàn)臺(tái)階，且臺(tái)階長(zhǎng)度較大，則經(jīng)過(guò)屈服伸長(zhǎng)后，表面就會(huì)出現(xiàn)明顯的滑移線痕跡而導(dǎo)致零件外觀粗糙。實(shí)驗(yàn)表明， 鎂合金板材在室溫和高溫下拉伸時(shí)其拉伸曲線均無(wú)明顯的屈服點(diǎn)。鎂合金板材沖壓成形后，零件回彈小，且具有較好的貼模性和定形性，成形零件表面質(zhì)量好。

由圖3(a)可看出，隨溫度的升高，AZ31 鎂合金板材沿各方向的σs均降低，其平均σs由150℃時(shí)的127.6 MPa 降低至400℃時(shí)的9.3MPa。板材σs的降低表明，隨溫度的升高，板材容易進(jìn)入屈服點(diǎn)，開始塑性變形，這有利于降低成形后的回彈，提高成形件的尺寸精度，減少后續(xù)的精整工序。

在板材沖壓工藝中， 屈強(qiáng)比對(duì)板材沖壓成形性能影響較大。由圖3(b)可看出，AZ31 鎂合金板材沿不同方向的σs /σb隨溫度的升高先增加， 其平均σs /σb由150℃時(shí)的0.847 增加至200℃時(shí)的0.895， 而后又有所降低，但在溫度上升至300℃時(shí)，則又增加至0.891，之后隨溫度的升高，其σs /σb急劇減小。這種呈“M”形變化的趨勢(shì)表明，溫度對(duì)AZ31 鎂合金板材σs /σb的影響比較復(fù)雜。因此，在考慮σs /σb對(duì)拉伸性能的影響時(shí)， 就應(yīng)該合理的選擇拉伸成形溫度區(qū)間，以得到最有利于拉伸成形的σs /σb 。根據(jù)σs /σb小，板材由屈服到達(dá)最大強(qiáng)度的塑性變形階段長(zhǎng)，則有利于沖壓成形的原則，由此可選擇較低(<150℃)或較高(>300℃)的溫度進(jìn)行，而實(shí)際上根據(jù)前面分析可知， 溫度過(guò)低或過(guò)高均不利于AZ31 鎂合金板材的成形，所以，綜合上述分析，從其屈強(qiáng)比呈“M”形的變化曲線看，在250℃左右進(jìn)行拉伸，應(yīng)該比較有利于板材的拉伸成形。

2.4 斷裂伸長(zhǎng)率、應(yīng)變硬化指數(shù)和塑性應(yīng)變比

圖4 給出了AZ31 鎂合金板材斷裂伸長(zhǎng)率δ、應(yīng)變硬化指數(shù)n 和塑性應(yīng)變比γ 隨溫度的變化曲線。一般來(lái)講，板材的伸長(zhǎng)率較大時(shí)，板材具有較大的塑性變形穩(wěn)定性， 在變形時(shí)不易產(chǎn)生局部的過(guò)大變形而導(dǎo)致破裂。由圖4(a)可知，AZ31 鎂合金板材的δ隨溫度的升高，基本呈線性增加，其平均δ 由150℃時(shí)的43.8%增加至400℃時(shí)的109%。這表明，溫度對(duì)AZ31 鎂合金板材δ 的影響顯著，因此，在拉伸成形過(guò)程中，采用較高的拉伸溫度，AZ31 鎂合金板材δ 得到提高，將有利于拉伸成形。實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的δ 沿45°和90°方向在150℃和350℃時(shí)有波動(dòng)的現(xiàn)象，這是因?yàn)橛绊懓宀?delta; 的因素較多， 除了板材固有的雜質(zhì)、孔洞等缺陷外， 拉伸過(guò)程中試樣的裝夾、溫度控制的精度等均會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定的影響。根據(jù)Chen等[9]的實(shí)驗(yàn)研究，AZ31 鎂合金板材的δ 隨溫度的升高呈線性增加。

應(yīng)變硬化指數(shù)n 反映了板材變形過(guò)程中的變形硬化能力，即n 值高的板材抵抗縮頸的能力高，均勻變形階段長(zhǎng)。因此，在沖壓工藝中，為了獲得優(yōu)良的沖壓性能，通常希望板材的n 值盡可能的大。對(duì)于鎂合金而言，一般隨著溫度升高，n 值減小[10]。但影響鎂合金板材n 值的因素目前還不十分清楚， 有研究表明[11]，n 值與板材的熱處理溫度有關(guān)。例如，AZ31鎂合金的n 值隨熱處理溫度升高而增大。由圖4(b)可知，隨溫度的升高，AZ31 鎂合金板材的n 值逐漸降低，其平均值由150℃時(shí)的0.205 降低至350℃時(shí)的0.025。這表明，隨溫度的升高，就n 值而言，不利于AZ31 鎂合金板材沖壓性能的提高。還可看出，總體上n<0.25， 這說(shuō)明實(shí)驗(yàn)所用AZ31 鎂合金板材的n 值較小。由于n 值的測(cè)定對(duì)實(shí)驗(yàn)精度要求較高，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中容易出現(xiàn)誤差，所以，在400℃左右，n值出現(xiàn)一定的反彈升高，即可能是由實(shí)驗(yàn)誤差所致。因根據(jù)Yoshihara 等[12]的研究，對(duì)于AZ31 鎂合金板材，在100～400℃，n 值隨溫度的升高而線性降低。而圖中n 值的變化則有所波動(dòng)， 在低于350℃時(shí)，n值隨溫度的升高而降低。

塑性應(yīng)變比r 反映了薄板在成形過(guò)程中抵抗變薄或變厚的能力，r 值對(duì)拉伸成形性能影響很大。r值大，板材平面方向比板厚方向容易變形，拉伸毛坯在徑向收縮時(shí)不容易起皺， 并且拉伸力也小，傳力區(qū)不容易拉裂，有利于板材的拉伸成形。制耳參數(shù)反映了板材在平面內(nèi)各方向的塑性各向異性。板材不僅呈現(xiàn)塑性厚向異性，在板材平面內(nèi)各個(gè)方向也呈塑性各向異性，即板材的塑性各向異性，其程度可用差值Δr 表示。板材的塑性平面各向異性常會(huì)使拉伸件口部出現(xiàn)制耳， 而制耳的大小和位置與Δr 有關(guān)，它隨角度的變化與r 值的變化是一致的。在r 值較低的方向，板材變厚，筒壁高度較低。在具有高r值的方向，板材厚度變化不大，故筒壁高度較高。當(dāng)Δr>0 時(shí)，制耳在0°和90°處出現(xiàn)；當(dāng)Δr<0 時(shí)，制耳在±45°處出現(xiàn)[13]。若Δr 過(guò)大，高r軃值對(duì)LDR 的有利影響便消失了。沖壓后制品如產(chǎn)生制耳，必須切除。這樣不僅增加了金屬的損耗和切邊工序， 而且還會(huì)因各向異性使沖壓件產(chǎn)生壁厚不均， 影響生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。

由圖4(c)可知， 隨溫度的升高，AZ31 鎂合金板材的Δr 遞減，由150℃時(shí)的0.858 減小至350℃時(shí)的0.170。這表明，溫度升高，有利于板材各方向均勻變形，降低拉伸件制耳高度，這將有利于提高拉伸件的LDR 和成形質(zhì)量，減小材料的修邊余量，提高材料的利用率。

3 結(jié)論

(1) 隨變形溫度的升高， 板材抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降，斷裂伸長(zhǎng)率提高，應(yīng)變硬化指數(shù)和塑性應(yīng)變比降低，拉伸性能得到改善。

(2) 溫度高于200℃時(shí)，板材的沖壓性能得到改善，其屈強(qiáng)比為0.876，應(yīng)變硬化指數(shù)為0.158，塑性應(yīng)變比為1.307。

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