温度对AZ31 镁合金轧制板材冲压性能的影响

张文玉  陈振华

摘要：通过在不同温度下单向拉伸实验，分别沿轧向、45°方向和横向对AZ31镁合金轧制板材的冲压性能进行了研究。结果表明：随着变形温度的升高，板材抗拉强度和屈服强度下降，断裂伸长率提高，应变硬化指数和塑性应变比降低，拉伸性能得到改善；温度高于200℃时，板材的冲压性能得到改善，其屈强比为0.876，应变硬化指数为0.158，塑性应变比为1.307。

关键词：AZ31 镁合金板材； 变形温度； 显微组织； 冲压性能

镁合金作为一种最轻的金属结构材料， 以其独特的优点得到了越来越广泛的应用，镁合金板材的应用前景更加广阔。但是由于镁的晶体结构为密排六方型，塑性变形能力较差[1-3]，限制了镁合金的应用。镁合金在常温下很难进行成形，随着温度升高，活动的滑移面增加，塑性提高，这为镁合金板材的热成形提供了可能[4-8]。因此，为了扩大镁合金板材的应用，对其冲压性能进行研究成为当前镁合金研究的重点之一。

本实验对AZ31 镁合金轧制板材分别沿轧向、45° 方向和横向在不同温度下进行单向拉伸实验，对其冲压性能进行研究，了解变形镁合金塑性变形行为， 为冲压成形工艺的开发提供实验依据。

1 实验材料及方法

实验所用AZ31 镁合金轧制板材经铸造-挤压-交叉轧制的工艺制得， 合金名义化学成分(质量分数)为：Mg-3%Al-0.8%Zn-0.4%Mn。取初始板材挤压方向为轧制方向， 分别沿与轧制方向成0°、45°、90°方向取拉伸试样，拉伸试样按照GB/T4338-1995《金属材料高温拉伸实验方法》规定制得。

用XJL-03 型金相机观测轧制板材的金相组织，浸蚀剂配方如下：5g 苦味酸＋5 g 冰醋酸＋10mL 蒸馏水＋80mL 无水乙醇。高温拉伸试验在WDW-E200微机万能试验机上进行，试样标距部分尺寸为15mm×3.5mm， 拉伸速度恒定即v＝2 mm/min，分别在150、200、250、300、350 和400℃下进行高温拉伸试验，温差控制在±5℃，试样在拉伸温度下保温约20min。根据GB5028-85《金属薄板拉伸应变硬化指数(n 值)试验方法》和GB5027-85《金属薄板塑性应变比(r 值)试验方法》对AZ31 镁合金板材的n 值和r 值进行测定计算，其中r 值测量在应变量为12%时进行。

2 结果与讨论

2.1 金相组织

图1 为AZ31 镁合金轧制板材的金相组织。可以看出，板材的晶粒组织较细小，部分为等轴晶，平均晶粒尺寸在10μm 以下。由此可见，对于实验中所用的轧制板材，发生了动态再结晶，形成了大量的细小晶粒。

2.2 单向拉伸曲线

拉伸结果如图2 所示，由图可看出，在拉伸过程中，拉伸曲线呈现出较宽的波动，这是因为在高温拉伸变形过程中，板材不断产生加工硬化和动态回复，两者交替进行，从而使拉伸曲线变宽，且这种趋势随温度的升高而加剧。同时还可看出，在超过300℃进行拉伸时，拉伸曲线没有明显的硬化阶段，在板材达到屈服点后， 随即达到最大强度， 这表明在温度较高时， 板材变形时的硬化能力减弱， 由高温导致的动态回复引起的软化处于主导地位。

2.3 屈服强度和屈强比

图3 为AZ31 镁合金板材屈服强度σs、屈强比σs /σb随温度的变化曲线。在冲压过程中，板材屈服强度小则材料容易屈服， 成形后回弹小， 贴模性和定形性较好。此外， 屈服强度对零件表面质量也有影响。如果板材的拉伸曲线不连续而在屈服阶段出现台阶，且台阶长度较大，则经过屈服伸长后，表面就会出现明显的滑移线痕迹而导致零件外观粗糙。实验表明， 镁合金板材在室温和高温下拉伸时其拉伸曲线均无明显的屈服点。镁合金板材冲压成形后，零件回弹小，且具有较好的贴模性和定形性，成形零件表面质量好。

由图3(a)可看出，随温度的升高，AZ31 镁合金板材沿各方向的σs均降低，其平均σs由150℃时的127.6 MPa 降低至400℃时的9.3MPa。板材σs的降低表明，随温度的升高，板材容易进入屈服点，开始塑性变形，这有利于降低成形后的回弹，提高成形件的尺寸精度，减少后续的精整工序。

在板材冲压工艺中， 屈强比对板材冲压成形性能影响较大。由图3(b)可看出，AZ31 镁合金板材沿不同方向的σs /σb随温度的升高先增加， 其平均σs /σb由150℃时的0.847 增加至200℃时的0.895， 而后又有所降低，但在温度上升至300℃时，则又增加至0.891，之后随温度的升高，其σs /σb急剧减小。这种呈“M”形变化的趋势表明，温度对AZ31 镁合金板材σs /σb的影响比较复杂。因此，在考虑σs /σb对拉伸性能的影响时， 就应该合理的选择拉伸成形温度区间，以得到最有利于拉伸成形的σs /σb 。根据σs /σb小，板材由屈服到达最大强度的塑性变形阶段长，则有利于冲压成形的原则，由此可选择较低(<150℃)或较高(>300℃)的温度进行，而实际上根据前面分析可知， 温度过低或过高均不利于AZ31 镁合金板材的成形，所以，综合上述分析，从其屈强比呈“M”形的变化曲线看，在250℃左右进行拉伸，应该比较有利于板材的拉伸成形。

2.4 断裂伸长率、应变硬化指数和塑性应变比

图4 给出了AZ31 镁合金板材断裂伸长率δ、应变硬化指数n 和塑性应变比γ 随温度的变化曲线。一般来讲，板材的伸长率较大时，板材具有较大的塑性变形稳定性， 在变形时不易产生局部的过大变形而导致破裂。由图4(a)可知，AZ31 镁合金板材的δ随温度的升高，基本呈线性增加，其平均δ 由150℃时的43.8%增加至400℃时的109%。这表明，温度对AZ31 镁合金板材δ 的影响显著，因此，在拉伸成形过程中，采用较高的拉伸温度，AZ31 镁合金板材δ 得到提高，将有利于拉伸成形。实验所测得的δ 沿45°和90°方向在150℃和350℃时有波动的现象，这是因为影响板材δ 的因素较多， 除了板材固有的杂质、孔洞等缺陷外， 拉伸过程中试样的装夹、温度控制的精度等均会对其产生一定的影响。根据Chen等[9]的实验研究，AZ31 镁合金板材的δ 随温度的升高呈线性增加。

应变硬化指数n 反映了板材变形过程中的变形硬化能力，即n 值高的板材抵抗缩颈的能力高，均匀变形阶段长。因此，在冲压工艺中，为了获得优良的冲压性能，通常希望板材的n 值尽可能的大。对于镁合金而言，一般随着温度升高，n 值减小[10]。但影响镁合金板材n 值的因素目前还不十分清楚， 有研究表明[11]，n 值与板材的热处理温度有关。例如，AZ31镁合金的n 值随热处理温度升高而增大。由图4(b)可知，随温度的升高，AZ31 镁合金板材的n 值逐渐降低，其平均值由150℃时的0.205 降低至350℃时的0.025。这表明，随温度的升高，就n 值而言，不利于AZ31 镁合金板材冲压性能的提高。还可看出，总体上n<0.25， 这说明实验所用AZ31 镁合金板材的n 值较小。由于n 值的测定对实验精度要求较高，在实验过程中容易出现误差，所以，在400℃左右，n值出现一定的反弹升高，即可能是由实验误差所致。因根据Yoshihara 等[12]的研究，对于AZ31 镁合金板材，在100～400℃，n 值随温度的升高而线性降低。而图中n 值的变化则有所波动， 在低于350℃时，n值随温度的升高而降低。

塑性应变比r 反映了薄板在成形过程中抵抗变薄或变厚的能力，r 值对拉伸成形性能影响很大。r值大，板材平面方向比板厚方向容易变形，拉伸毛坯在径向收缩时不容易起皱， 并且拉伸力也小，传力区不容易拉裂，有利于板材的拉伸成形。制耳参数反映了板材在平面内各方向的塑性各向异性。板材不仅呈现塑性厚向异性，在板材平面内各个方向也呈塑性各向异性，即板材的塑性各向异性，其程度可用差值Δr 表示。板材的塑性平面各向异性常会使拉伸件口部出现制耳， 而制耳的大小和位置与Δr 有关，它随角度的变化与r 值的变化是一致的。在r 值较低的方向，板材变厚，筒壁高度较低。在具有高r值的方向，板材厚度变化不大，故筒壁高度较高。当Δr>0 时，制耳在0°和90°处出现；当Δr<0 时，制耳在±45°处出现[13]。若Δr 过大，高r軃值对LDR 的有利影响便消失了。冲压后制品如产生制耳，必须切除。这样不仅增加了金属的损耗和切边工序， 而且还会因各向异性使冲压件产生壁厚不均， 影响生产效率与产品质量。

由图4(c)可知， 随温度的升高，AZ31 镁合金板材的Δr 递减，由150℃时的0.858 减小至350℃时的0.170。这表明，温度升高，有利于板材各方向均匀变形，降低拉伸件制耳高度，这将有利于提高拉伸件的LDR 和成形质量，减小材料的修边余量，提高材料的利用率。

3 结论

(1) 随变形温度的升高， 板材抗拉强度和屈服强度下降，断裂伸长率提高，应变硬化指数和塑性应变比降低，拉伸性能得到改善。

(2) 温度高于200℃时，板材的冲压性能得到改善，其屈强比为0.876，应变硬化指数为0.158，塑性应变比为1.307。

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