镁合金板材各向异性实验研究.docx
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镁合金板材各向异性实验研究
本科毕业设计(论文)
镁合金板材各向异性实验研究
刘阳
燕山大学
2014年6月
本科毕业设计(论文)
镁合金板材各向异性实验研究
学院:
机械工程学院
专业:
轧钢
学生姓名:
刘阳
学号:
100101010371
指导教师:
石宝东
答辩日期:
2014/6/20
燕山大学毕业设计(论文)任务书
学院:
机械工程学院系级教学单位:
冶金机械系
学
号
100101010371
学生
姓名
刘阳
专业
班级
轧钢2班
题
目
题目名称
镁合金板材各向异性实验研究
题目性质
1.理工类:
工程设计();工程技术实验研究型(√);
理论研究型();计算机软件型();综合型()
2.文管理类();3.外语类();4.艺术类()
题目类型
1.毕业设计()2.论文(√)
题目来源
科研课题(√)生产实际()自选题目()
主
要
内
容
1.通过多向单轴拉伸、压缩实验,研究变形镁合金板材各向异性。
2.通过双轴加载实验,研究变形镁合金等比例加载和非等比例加载情况下初始屈服面,等塑性功面。
3.通过双轴加载实验,研究变形镁合金塑性变形过程中屈服面演化。
基
本
要
求
1.完成变形镁合金多向单轴拉压试验,分析其各向异性规律。
2.完成变形镁合金双轴加载实验,分析屈服面演化规律。
参
考
资
料
《金属学原理》,作者:
余永宁;弹塑性力学相关书籍
期刊文献:
金属学报,有色金属学报,固体力学学报,actamaterialia,Journalofthemechanicsandphysicsofsolids,internationaljournalofplasticity
周次
第1~4周
第5~8周
第9~12周
第13~16周
第17~18周
应
完
成
的
内
容
阅读文献,准备开题报告,准备试样,多向单轴拉伸、压缩实验
分析多向单轴拉伸、压缩实验结果:
准备十字试样,通过双轴加载实验,测定屈服面
系统测定屈服面,分析屈服面演变规律,开始撰写毕业论文
系统分析屈服面演变规律,完成毕业论文
准备毕业答辩
指导教师:
石宝东
职称:
讲师2014年3月1日
系级教学单位审批:
年月日
摘要
由于具有密度低、比强度和比刚度高等特点,镁合金板日益广泛地应用于交通、家电和通讯领域。
由轧制而导致的镁合金晶体的取向特征以及镁合金晶体自身对称性较差的特点,镁合金经常表现出较强的各向异性行为。
本论文以此为研究对象,试验确定了三种不同厚度镁合金板材的各向异性行为,通过试验数据研究了AZ31型镁合金板材在室温下的各向异性屈服行为,从而为使用量大、具有良好应用前景的镁合金的各向异性唯象模型提供了大量的实验研究数据。
基于对三种不同厚度AZ31镁合金板材的基本力学性能的研究发现:
镁合金板材在不同方向上力学性能不同,所研究的板材的力学性能都表现出了各向异性特征。
进一步研究表明,现有的金属塑性强化模型不能满足工程上的要求,畸变强化理论有利于弥补现有强化模型的缺陷。
此外,通过多向单轴拉伸实验,测定了AZ31镁合金板材的初始屈服面和等塑性功面,系统的分析了等塑性功面的演变规律。
关键词 AZ31镁合金板;各向异性;拉伸力学性能;屈服面
Abstract
Duetotheirgoodproperties,suchaslowdensity,highspecificstrengthandhighspecificstiffness,magnesiumalloysheetsarewidelyappliedintransportation,householdappliance,communicationandmanyotherfields.Becauseoftheorientationsofmagnesiumalloycrystalsbyrollingandlesssymmetricalcharacteristics,magnesiumalloysoftenshowstronganisotropybehavior.Inthispaper,asaresearchobject,Testingtodeterminetheanisotropicbehaviorofthreedifferentthicknessesofmagnesiumalloysheet,ThroughexperimentaldatatostudytheanisotropicyieldbehaviorofAZ31magnesiumalloysheettypeatroomtemperature,Anisotropicphenomenologicalmodelfortheuseofmagnesiumalloysolarge,withgoodprospectsofalargenumberofexperimentalstudiesprovidedata.
BasedonthebasicmechanicalpropertiesofthreedifferentthicknessesAZ31magnesiumalloysheetstudyfound:
magnesiumalloysheetindifferentdirectionsdifferentmechanicalproperties,themechanicalpropertiesofthesheetarestudiedshowedanisotropy.
Furtherstudyshowedthattheexistingmetalplastichardeningmodelcannotmeettherequirementsforbuildingworks,tocompensatethedistortioninfavorofstrengtheningtheexistingtheoreticalmodelstostrengthenthetheoreticaldefects.Inaddition,multi-directionaluniaxialtensiletestandbiaxialloadingexperiments,wemeasuredtheyieldsurfacesystemsandfunctionssuchasshapingthesurfaceofAZ31magnesiumalloysheet,whichsystematicallyanalyzestheevolutionoftheyieldsurface.
KeywordsAZ31magnesiumalloyplateanisotropy;Anisotropy;tensilemechanicalproperties;yieldsurface;
第一章绪论
1.1课题背景
镁合金板材因其密度低、比强度和比刚度高、导热性好、电磁屏蔽效果佳等特点被广泛应用于交通、家电和通讯等工业和民用领域[1-3]。
但其独特的力学行为使加工工艺较为复杂和困难。
为了提高镁合金产品的加工精度和成品率,需要对其化学成分和力学性能及各影响因素进行分析。
各向异性行为是材料具有的一种普遍特征,表现为在不同方向上力学性能不同,它对材料的成形有很大的影响。
目前对镁合金板材各向异性行为的研究开展得较少,现有的理论模型在分析镁合金板材的此种特性时都存在一定的弊端。
由此可见,对使用量大、具有良好应用前景的镁合金板材进行各向异性行为分析,可以更好的改进工艺,提高产品质量,具有十分重要的现实意义。
1.1.1镁及镁合金
镁属于密排六方结构,常温下塑性变形能力差,很难加工成板、带、棒及其它型材。
其基本的物理数据及其力学性能列于表1.1和1.2中。
表1.1纯镁的一些重要的物理数据[4]
性能
单位
量值
原子序数
-
12
原子量
-
24
原子价
-
2
密度(20°C)
g/cm3
1.738
熔点
°C
649
沸点
°C
1107
热导率(20°C)
W/(m·K)
155
燃烧热
KJ/Kg
25020
熔化热
KJ/Kg
368
表1.2纯镁力学性能[5]
加工状态
抗拉强度
屈服强度
弹性模量
伸长率
断面收缩率
硬度
σb/MPa
σs/MPa
E/GPa
δ(%)
ψ(%)
HBS
铸态
11.5
2.5
45
8
9
30
变形状态
20.0
9.0
45
11.5
12.5
36
纯镁的晶体结构决定了镁在室温下的塑性较差,另外其抗腐蚀、抗氧化和抗蠕变性能差,因而需要合金化工艺来改进性能。
通常所说的镁合金是指已商业化的和正在开发的以镁为主要成分的金属材料,它具有以下主要特点[6-8]:
(1)密度低,质量轻,镁的比重是1.736/gcm3,是铝的2/3,钢的l/4,采用镁合金可以大大减轻结构件的重量,降低能源消耗,减少污染排放,增大运输机械的载重和运输速率。
(2)阻尼性能、抗震性能好,具有高的振动阻尼容量。
(3)高导热性、高电磁屏蔽能力。
(4)高温下具有较好的塑性成形能力,易于挤压、拉拔、冲压和轧制等压力加工,具有良好的切削加工能力。
(5)无毒、无污染,可以回收再利用,不会造成环境污染,被誉为“21世纪的绿色材料”。
目前,国际上多采用美国试验材料协会(ASTM)使用的方法标记镁合金。
根据ASTM标准,镁合金的牌号和品级由四部分组成,第一部分为字母,标记合金中的主要元素;第二部分为数字,标记合金中主要元素的质量百分数;第三部分由指定的字母组成,标明合金发展的不同阶段,多数情况下该字母表示合金的纯度;第四部分标明合金的热处理状态。
例如:
AZ31B—F表示主要合金元素为AI和Zn,其名义含量分别3%和l%,B表示AZ31是含3%AI和1%Zn合金系列的第二位,F表示合金为加工状态。
常用的商业镁合金有AZ31、AZ61和AZ91。
AZ31(Mg-3wt.%AI-1wt.%Zn)合金和AZ91合金相比。
前者具有更好的塑性,但强度较后者低。
AZ61合金性能则介于两者之间。
其它常用的商业镁合金系还有AM系列等。
1.1.2镁合金的应用及前景
镁合金材料从20世纪40年代开始,被应用于汽车、航空、航天等领域。
进入90年代后期,镁合金产品开始用于自行车、电子产品以及其它民用产品领域。
在航空航天领域,镁合金由于密度小,比强度、比刚度高能够有效减轻重量,很早就应用于各种配件的生产,如座舱架、吸气管、导弹舱段、壁板、副蒙皮、直升机上机匣等。
在汽车工业中,变形镁合金板材可热冲压成型方法来制成车身零件,用热锻、热冲压成型工艺生产汽车底盘等承载件。
在汽车上使用镁合金零件可以降低汽车起动和行驶惯性,提高加速和减速性能,减少行驶过程中的振动以及减少油耗等。
变形镁合金在汽车上主要用来制做壳零件、支撑类结构部件。
在自行车工业,由于镁合金密度小,比强度高,耐冲击,阻尼性好,制造的自车行轻便,舒服,速度快。
用镁合金制作自行车车架仅重1.4kg,整车重4kg。
镁合金在3C产业中的应用,表现在这类产品轻,美观,传热好和防电磁屏蔽的能力强,具有环保等优点,如笔记本电脑、数码相机、移动电话外壳等。
镁合金主要的应用领域如表1.1所示。
镁合金材料自身的特性及其在各领域内的广泛应用,使其具有非常好的发展情景。
世界上一些发达国家相继出台各自的镁研究计划,以加强镁合金的研究、开发及工业化生产。
而我国作为镁的资源大国、生产大国和出口大国,在镁合金的研究开发及应用方面仍严重滞后于发达国家。
主要表现在原镁生产技术落后,质量不稳定,镁锭中的夹杂物和有害元素含量超标,难以满足压铸、板材轧制和冲压等高端产品的生产需求,进而出口产品绝大多数是廉价的纯镁锭,利润低效益差。
目前,我国已将有关镁及镁合金的开发、应用与产业化列入国家科技攻关项目及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。
常用的镁合金中,铸造镁合金产品的用量大于变形镁合金,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,具有铸造镁合金产品无法取代的优良性能,国际镁协会(IMA)制定的开发与应用镁合金三个阶段中,长期的目标就是要开发变形镁合金。
因此,变形镁合金是未来更长远的发展趋势。
表1.1镁合金的主要应用领域[9]
Tab.1.1Mainapplicationsofmagnesiumalloys
应用领域
用途
航空航天领域
原子能产业
地面运输
物流设备
机械工具
纺织机
印刷
办公用品机器
光学仪器
消费用品
飞机:
机身、发动机
导弹:
火箭、发射台、卫星、发动机
仪器:
陀螺仪、罩、雷达零件及波导管、电气装置、地面控制
外壳密封装置、辅助设备
汽车、卡车:
变速箱体、曲轴箱、传动箱、油盘、缸盖、轮毂、转向盘、刹车中踏板支架、车锁壳体
自行车、摩托车:
链条罩、制动片、前导流罩、发动机零件、传动箱盖
爪卡盘及传动装置:
大型敏捷用具、台车
链锯及钻机、工艺装备板、水平仪、医疗器械
高速经轴、控制杆
底版、滚筒、印刷板
打字机零件、电传印表机盖、电脑、笔记本电脑
照相机壳,磁带卷轴、摄像机、电视、投影机
梯子、吸尘器零件、椅子、大型旅行箱架、眼镜、助听器、车椅、拐杖
1.1.3镁合金的成型工艺
镁合金最初的工业生产采用的是压铸方法,但压铸得到的镁合金材料存在疏松、气孔等缺陷,难以满足某些特殊使用要求,而且压铸过程产生的废料多,生产成本高。
而采用塑性成形技术来制备镁合金,不仅可以消除上述缺陷,而且所得到的产品比强度高、致密性和延伸性能好,受到了越来越多的关注[10-12]。
镁合金的塑性加工技术复杂多样,主要包括锻造、挤压、轧制、冲压、二次成型及超塑成型等几种[13-24]。
然而,因镁合金具有密排六方的晶体结构,晶体内的滑移系较少,因此织构对合金性能的影响要大于其它金属材料,表现出强烈的各向异性特征。
这意味着,对其力学性能的各向异性行为,尤其是塑性各向异性分析与研究是必须的并且十分重要[25]。
1.1.4各向异性行为研究进展
物质的某种物理性质(如力学、热学、电学、磁学、光学等)随测量方向不同而表现出不同属性的特征称为各向异性行为[26-27]。
预测材料微观性质方面的变化对其性能的影响是现代材料科学研究目的之一。
传统的连续宏观塑性理论是现象学的,通过试验得到,没有给出对应的微观晶体力学基础保证其合理性,如Tresca和Mises准则[28-29]。
而大多数现有的屈服准则只适用于各向同性材料,如果要考虑材料的各向异性,屈服表面的差别就更大。
事实上,工程上使用的符合各向同性假设的薄板板材并不多。
为了准确描述材料的屈服行为,在宏观力学方面,由Hill、Hosford、Lankford、Logan、Gotoh、Barlat、LianChen等人[30-39]相继提出一系列屈服函数表达式,有些公式在一定范围内可以很好地描述材料的各向异性,但又各有局限性,因为它们仍停留在宏观层次。
在微观力学的方面,人们应用TBH(Taylor-Bishop-Hill)理论进行分析[40-41],它在晶体学本性方面是清楚的。
这种理论更忠实于晶体塑性的物理基础,且适合于解决工业成形问题,但需要较多的计算技巧与计算时间。
目前关于镁合金板各向异性力学行为的研究开展得较少,尤其是关于镁合金板各向异性塑性行为的研究。
JanBohlen等人[42]从3个取样方向研究了稀土镁合金板的织构和各向异性:
KleinerS等人[43]从5个取样方向研究了挤压态AZ61镁合金性能的各向异性;王锦红等人[44]从三种取向上研究了挤压态AZ31镁合金的各向异性力学行为。
从已发表的文献看,目前针对镁合金板各向异性屈服函数的理论研究以Cazacu和Barlat等人发表的数学描述最为优化简洁。
1.2镁合金力学性能
为提高镁合金产品的加工精度和成品率,首先需要确定镁合金板的力学性能以及温度等因素的影响。
镁合金特有的密排六方晶体结构又使其力学性能可能表现出强烈的各向异性,因而加强对镁合金板材力学性能的研究,特别是对其力学性能的各向异性行为的研究,可以为改进镁合金板材的加工工艺提供理论依据,具有指导生产实践的重要意义。
由于板材在轧制时会导致晶粒的择优取向,使得板材在不同方向上的屈服和抗拉强度以及不同方向上的伸长率都有不同,故全面确定板材的力学性能,需要对不同取向的板材试样分别测定力学性能。
试样的取向通常是相对于轧制方向定义的,如图1.1(a)。
试验采用的ASTM规范规定的片状单轴拉伸试样的规格(这里只给出长试样规格图)和技术要求见图1.1(b)。
1.1(a)
1.1(b)
而对于十字试样国际上没有明确的标准规定,则是根据试验机参数设计得出,见图1.1(c)。
1.1(c)
1.3各向异性行为实验研究进展和存在的问题
物质的某种物理性质(如力学、热学、电学、磁学、光学等)随测量方向不同而表现出不同属性的特征称为各向异性行为。
目前对镁合金板材各向异性行为的研究开展得较少,现有的理论模型在分析镁合金板材的此种特性时都存在一定的弊端。
由此可见,对使用量大、具有良好应用前景的镁合金板材进行各向异性行为分析,可以更好的改进工艺,提高产品质量,具有十分重要的现实意义。
国外具有参考价值的实验如下:
AZ31B镁合金板材拉伸力学性能的各向异性研究、AZ31B镁合金挤压板材力学性能的各向异性研究、高应变速率下AZ31镁合金的各向异性及拉压不对称性研究等等。
近年来,国内外还加大了对镁合金织构的研究力度,对塑性变形及退火过程中镁合金织构的演变规律及织构对镁合金力学性能的影响等作了系统研究,这都有利于对镁铝合金各向异性行为进行本质上的探索和研究。
但是试验研究镁合金板各向异性塑性屈服行为是一项复杂的研究工作,其复杂性主要来自:
(1)镁合金板轧制织构的复杂性以及对轧制工艺的敏感性使得影响镁合金板各向异性行为的非确定因素较多;
(2)镁合金HCP晶体结构的较差对称性以及多种微观塑性变形机制的参与使得镁合金板面内屈服曲线的对称性较差,且对拉、压应力具有非对称性;(3)镁合金试验过程中的再结晶和力学性能对温度的敏感性使得试验的重复性差;(4)确定镁合金板各向异性行为所需要的双向拉伸试验和压缩试验难于实施。
1.4本文的研究内容
本文主要采用三种不同常用厚度的AZ31型镁合金板材(4mm、6mm、8mm),对其基本力学性能和成形性能进行了系统的分析比较,分析研究了其在相同温度条件下(室温23°C)不同取向上的拉伸力学性能,确定其抗拉强度,屈服强度等,并通过屈服强度测定其屈服面和等塑形功面,系统地研究屈服面的演化规律,更加形象直观的展现了变形镁合金的各向异性行为,为进一步将该函数应用于镁合金板成形加工工艺的研究奠定基础。
第二章AZ31镁合金板材室温力学性能研究试验
为了详尽的研究变形镁合金板的各向异性行为,对三种厚度板材在室温下不同取向上的拉伸力学性能进行全面的测试与计算,确定了屈服强度,测定其屈服面及等塑形功面。
试验所用电子万能试验机简介:
1、试验机型号:
INSPECTTABLE100
2、主要功能:
主要用于各种金属、非金属、复合材料试样、塑料、轻质材料和组件的拉伸、压缩、弯曲等力学性能试验,可获得试验材料的抗拉强度、弯曲强度、压缩强度、弹性模量、断裂延伸率及屈服强度等参数。
3、技术参数:
测试力最大值:
3KN或100KN
横梁速度:
0.01-400mm/min
行程测量分辨率:
<1um
2.1AZ31(4mm)
2.1.1拉伸力学性能(σs屈服应力)
表2.1列出了AZ31镁合金板在室温条件下加载应变速率为0.00033S-1时的屈服应力σs、抗拉强度σb,测试所用的取样方向分别为0°、15°、45°、60°、75°和90°。
从表2.1和图2.2、2.3的结果可见,试样的取向对拉抗强度几乎没有影响,但屈服强度沿0°-15°-45°-60°-75°-90°的方向先减小后增加然后再减小再增加。
表2.1AZ31(4mm)镁合金板的室温拉伸性能
Tab.2.1Room-temperaturetensilepropertiesofAZ31(4mm)
材质
应变速率
屈服应力σs(MPa)
抗拉强度σb(MPa)
0
15
30
45
60
75
90
0
15
30
45
60
75
90
AZ31
0.00033
117
89
98
100
76
85
99
306
306
289
302
296
308
309
2.1.2应力应变曲线
图2.1显示此类镁合金板在0°取样方向上单轴拉伸的应力应变曲线,从测定的两个试样结果可见,两者在均匀变形阶段(颈缩前)几乎是重合的,表明试验的重复性很好。
图2.1AZ31(4mm)镁合金板材在0°取向的单轴拉伸力学性能:
(a)工程应力-应变曲线(b)真应力-应变曲线
Fig.2.1UniaxialtensilemechanicalpropertiesofAZ31(4mm)at0°
(a)Engineeringstress—truestraincurves(b)Truestress-treestraincurves
图2.2AZ31(4mm)在0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°七个取向上的单轴拉伸真应力-真应变曲线
Fig.2.2Uniaxialtensiletruestress-truestraincurvesofAZ31(4mm)at
0°、15°、30°、45°、60°、75°and90°.
图2.3AZ31(4mm)在六个取向上的单轴拉伸真应力-真应变曲线(室温)
Fig.2.3Uniaxialtensiletruestress-truestraincurvesofAZ31(4mm)at
sixdifferentorientations(atroomtemperature).
从图2.2和图2.3所示的不同取样方向真应力一真应变曲线的比较可见,试样取向对此板材的拉伸力学性能的影响非常明显,因而其不同取向上表现出了明显的各向异性行为。
2.1.3小结
在室温下,所测得的镁合金板在进入塑性状态后在不同取样方向上均表现较明显的应变强化效应。
AZ3I(4mm)镁合金板材在拉伸力学性能上表现出了明显的各向异性行为,屈服强度随取样方向
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