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AZ31镁合金板材磁脉冲成形性能研究

作　者: 徐俊瑞
导　师: 李春峰
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: AZ31镁合金板材磁脉冲成形磁脉冲动态驱动 3D耦合场数值模拟壳体件成形
分类号: TG391
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

镁合金以其自身特有的特性如较低的密度、高比强度等逐渐受到工业应用的青睐。对于镁合金的成形方式，在以往的研究和应用中，通常采用加热成形的方法。在常温下，由于镁合金具有密排六方晶体结构，滑移系较少,成形性能较差。磁脉冲成形是一种高速成形工艺，可以显著提高金属材料的成形性能，特别是对于常温下成形性能较差的材料。本文针对工业中常用的AZ31镁合金板材进行磁脉冲成形研究。讨论和分析了AZ31镁合金板材磁脉冲成形极限、磁脉冲动态驱动下的成形性能及变形规律、AZ31镁合金板材在磁脉冲和磁脉冲动态驱动下的微观变形机制以及磁脉冲成形AZ31镁合金板材典型壳体件的变形行为。通过分析AZ31镁合金板材磁脉冲成形下的三种典型应变状态即单向拉伸、平面应变和双等拉伸的极限应变分布，建立了AZ31镁合金板材磁脉冲室温成形极限图。利用近似矩形平板单螺旋线圈对拉伸试样（与准静态下相同）进行胀形，实现单向拉伸应变状态；利用匀压线圈产生的均匀的磁压力作用于条形试样，实现平面应变状态；利用圆形平板线圈对方形试样的自由胀形，实现双等拉应变状态。通过与准静态下相应极限应变的对比表明，AZ31镁合金板材磁脉冲成形极限显著提高。通过成形极限的系统研究，发现AZ31镁合金板材磁脉冲成形过程中，在惯性效应的影响下成形性能显著提高。为了加强惯性效应的作用，将电导率较高的铝合金或者铜板置于AZ31镁合金板材与线圈之间，深入研究AZ31镁合金板材在磁脉冲动态驱动过程中的成形性能和变形规律。在磁脉冲动态驱动过程中，由于惯性效应的增强，AZ31镁合金板材的成形极限较无驱动时有明显提高。同时，对AZ31镁合金板材在磁脉冲动态驱动过程中典型位置的速度、应变速率和应力应变的变化规律进行了系统的研究。通过对准静态单向拉伸、准静态双等拉伸、磁脉冲单向拉伸、磁脉冲双等拉和磁脉冲动态驱动成形（2mmAl驱动片）的断口分析，结果表明：准静态下，断口区无明显韧窝，表现为脆性断裂；而磁脉冲单向拉伸和磁脉冲动态驱动成形断口区出现明显的韧窝，表现为韧性断裂的趋势。通过对准静态单向拉伸、磁脉冲单向拉伸成形断口区域的EBSD分析，表明准静态单向拉伸下的变形机制以基系滑移为主，而磁脉冲单向拉伸下，由于变形剧烈，晶粒较准静态下细化明显，其变形机制仍以基系滑移为主，孪晶较准静态略有增多。通过对准静态双等拉伸、磁脉冲双等拉和磁脉冲动态驱动成形断口区域的EBSD分析，表明准静态双等拉伸下的变形机制为基系滑移，而磁脉冲双等拉和磁脉冲动态驱动成形下，由于变形获得了较多的能量，更多的滑移系被激活，且有{10-12}拉伸孪晶出现（其中磁脉冲动态驱动最为明显）。采用多物理场耦合有限元分析软件ANSYS，建立了AZ31镁合金板材典型壳体件磁脉冲成形的3D有限元模型。3D有限元模型的建立，克服了磁脉冲成形以往模拟研究中只采用2D研究轴对称性结构的局限，从而可以对磁脉冲成形工艺中的非对称性结构的成形进行模拟分析。对壳体件成形中采用的匀压线圈产生的磁场分布、磁通密度和磁压力的变化规律进行了讨论和分析。研究了AZ31镁合金壳体件的磁脉冲成形过程中，板材与模具碰撞的变形特征。针对不同底部圆角（R=30mm、R=15mm、R=2mm和R=8mm）的壳体件进行了磁脉冲成形试验研究。研究中讨论了工艺参数对壳体件成形的影响。在成形过程中，由于AZ31镁合金板材以较高的速度与模具发生碰撞，碰撞部位即壳体的底部的速度发生反向，形成凹陷。为了克服凹陷缺陷的产生，研究中探索了铝合金驱动片对于底部凹陷部位的影响规律。分析了驱动片厚度、驱动片的驱动次数对于不同底部圆角壳体件成形的影响。针对匀压线圈打火和鼓包的缺陷，提出了外导槽与主线圈进行分离的分体式匀压线圈，可以有效的减小外导槽与板材之间的接触面积，增加上下直导线之间的距离，显著提高了匀压线圈的使用寿命。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-15
第1章绪论  15-35
  1.1 引言  15
  1.2 AZ31 镁合金板材成形工艺研究现状  15-19
  1.3 板材磁脉冲成形研究进展  19-27
    1.3.1 板材磁脉冲成形原理  19-21
    1.3.2 板材磁脉冲成形研究现状  21-27
  1.4 磁脉冲成形数值模拟研究进展  27-30
  1.5 AZ31 镁合金板材磁脉冲成形研究现状  30-31
  1.6 目前研究存在的主要问题  31-32
  1.7 本课题的研究意义和主要研究内容  32-35
第2章 AZ31 镁合金板材磁脉冲成形极限研究  35-72
  2.1 引言  35
  2.2 成形极限的测定方法  35-36
  2.3 试验方案  36-43
    2.3.1 AZ31 镁合金板材准静态成形试验  36-40
    2.3.2 AZ31 镁合金板材磁脉冲成形试验  40-43
  2.4 有限元模型  43-47
  2.5 结果分析  47-70
    2.5.1 室温拉伸性能测试  47-48
    2.5.2 准静态成形性  48-49
    2.5.3 磁脉冲单向拉伸成形性  49-59
    2.5.4 磁脉冲平面应变成形性  59-64
    2.5.5 磁脉冲双等拉成形性  64-70
  2.6 AZ31 镁合金板材磁脉冲成形极限图  70-71
  2.7 本章小结  71-72
第3章 AZ31 镁合金板材磁脉冲动态驱动成形研究  72-104
  3.1 引言  72
  3.2 脉冲力动态加载塑性成形原理  72-74
  3.3 试验方案  74-75
  3.4 有限元模型  75-77
  3.5 结果分析  77-103
    3.5.1 有无驱动片对磁压力的影响  77-78
    3.5.2 驱动片参数对变形的影响  78-83
    3.5.3 动态驱动成形过程分析  83-87
    3.5.4 动态驱动速度的变化规律  87-92
    3.5.5 动态驱动应变速率的变化规律  92-93
    3.5.6 动态驱动成形应力应变分析  93-99
    3.5.7 动态驱动成形极限  99-103
  3.6 本章小结  103-104
第4章 AZ31 镁合金板材磁脉冲成形微观组织分析  104-120
  4.1 引言  104
  4.2 断口形貌分析  104-107
    4.2.1 磁脉冲单向拉伸断口分析  104-105
    4.2.2 磁脉冲双等拉伸断口分析  105-107
  4.3 断口区微观组织分析  107-119
    4.3.1 磁脉冲单向拉伸微观组织分析  108-112
    4.3.2 磁脉冲双等拉伸微观组织分析  112-119
  4.4 本章小结  119-120
第5章 AZ31 镁合金壳体件磁脉冲成形有限元分析  120-152
  5.1 引言  120
  5.2 耦合场有限元分析模型及驱动成形方案的建立  120-127
    5.2.1 电磁场有限元模型  120-124
    5.2.2 变形场有限元模型  124-126
    5.2.3 驱动成形方案的建立  126-127
  5.3 模拟结果分析  127-151
    5.3.1 基于匀压线圈的电流分布规律  127-128
    5.3.2 磁压力的变化规律  128-135
    5.3.3 加驱动片后磁压力的变化规律  135
    5.3.4 变形过程分析  135-151
  5.4 本章小结  151-152
第6章 AZ31 镁合金壳体件磁脉冲成形试验研究  152-172
  6.1 引言  152
  6.2 AZ31 镁合金壳体磁脉冲成形工艺试验  152-155
    6.2.1 试验条件  152-154
    6.2.2 匀压线圈设计  154-155
  6.3 结果分析  155-171
    6.3.1 放电参数对成形高度的影响  155-159
    6.3.2 缺陷分析  159-161
    6.3.3 采用匀压线圈的成形分析  161-165
    6.3.4 匀压线圈的改进-分体式匀压线圈设计  165-167
    6.3.5 采用分体式匀压线圈的成形分析  167-171
  6.4 本章小结  171-172
结论  172-175
参考文献  175-186
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  186-188
致谢  188-189
个人简历  189

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