镁合金板材磁脉冲温热动态驱动成形及其机理研究

Formability of magnesium alloy sheet at room temperature is poor, and the traditional hot forming system with punch and die for magnesium alloy sheet is more complex duo to effects of many factors (e.g. parameters of punch and die, speed of punch and lubrication condition et. al). For above problems, the magnetic pulse dynamic driving forming of magnesium alloy sheet with warm temperature is proposed in this project. In this research, the forming limit diagram of AZ31 magnesium alloy sheet in magnetic pulse dynamic driving forming with warm temperature is established by analyzing the typical strain states (uniaxial tension, plane strain and equi-biaxial tension) and forming behavior of AZ31 magnesium alloy sheet is explored. The forming law of AZ31 magnesium alloy sheet in magnetic pulse dynamic driving forming with warm temperature is investigated by varied the process parameters (temperature, discharge parameters, driver sheet thickness and type et. al). The forming characteristics (including flow characteristics of material, wall thickness uniformity and distribution of stress and strain et. al) of AZ31 magnesium alloy sheet under the coupled fields (electromagnetic field, temperature field and deformation field) are researched by the finite element software. Forming mechanism of magnesium alloy sheet under the effect of high strain rate and temperature is revealed. Through the research of this project, macroscopic forming law and microscopic evolution mechanism of magnesium alloy sheet in magnetic pulse dynamic driving forming with warm temperature is explored, which is important to improve the application in the industry.

镁合金板材室温成形性能差，而传统热成形（具有凸模、凹模的成形系统）又受各种因素（凸凹模参数、凸模速度、润滑状态等）的影响使得镁合金板材的成形较为复杂；针对以上问题，本项目提出温热成形与磁脉冲动态驱动成形相结合的成形方法。本研究拟通过分析AZ31镁合金板材的单向拉伸、平面应变、双等拉伸典型应变状态，建立磁脉冲温热动态驱动成极限图，探索镁合金板材的变形行为；研究AZ31镁合金板材在温度、放电参数、驱动片厚度、驱动片类型等参数影响下的成形规律；基于有限元分析软件，研究多场（电磁场-变形场-温度场）耦合作用下的AZ31镁合金板材成形特性（包括材料流动特性、壁厚均匀性、应力应变分布等）；揭示镁合金板材在高应变速率效应和温度效应共同作用下的成形机理。通过该项目的研究，探索镁合金板材磁脉冲温热动态驱动的宏观成形规律与微观演化机理，对促进镁合金板板材在工业领域的应用具有重要意义。

镁合金板材现有的成形方法主要为热成形方法。在热成形中需要配置复杂的加热系统和成形模具，而且成形复杂的构件时需要较高的成形温度，加之成形速率低、生产周期长，生产成本大大增加。磁脉冲成形是利用磁场力，而不是利用机械力实现对金属的加工，可以克服镁合金板材单纯热成形中出现的问题。故本项目中提出温热与磁脉冲动态驱动成形相结合的方法，成形中可充分利用温度效应和高应变速率效应的耦合作用，提高镁合金板材的成形性能，为镁合金板材在汽车、航空航天、3C电子产品等领域的应用提供一种新的成形方法。.研究内容主要包括: （1）进行镁合金板材在不同温度、准静态、高速率拉伸试验，揭示高速率下的力学性能变化，建立了Johnson-Cook本构模型；（2）镁合金板材磁脉冲动态驱动温热成形数值仿真，本部分研究了不同温度、驱动片厚度、放电参数等对镁合金板材在磁脉冲温热动态驱动成形中的影响规律；（3）镁合金板材磁脉冲温热动态驱动成形实验研究；（4）针对高速拉伸试样、磁脉冲温热动态驱动成形试样的典型位置，进行了微观组织分析。.结果表明：通过霍普金森拉杆试验研究，表明流动应力与延伸率随应变速率的增加而增加；高应变速率的影响比温度更加显著；动态再结晶引起的软化效应在高应变速率时可以忽略；数值研究表明，采用铝合金板材驱动时，磁通密度、电磁力明显高于无驱动时的镁合金板材；在较高温度/无驱动时，镁合金板材中间节点的位移曲线出现明显的波动，表明温度软化作用明显；加驱动后，成形高度明显提高，无波动，且1mm铝合金驱动板驱动效果最佳；加驱动后的变形速度峰值明显提高；建立了镁合金板材磁脉冲温热动态驱动成形实验装置；实验结果表明，采用1mm铝合金板材和温度为200℃时，成形效果较好；通过微观组织分析表明，在高速率拉伸时孪晶增加显著，在较高温度时出现少量动态再结晶；在磁脉冲温热动态驱动成形时，晶粒变得细小，有少量孪晶；温度提供软化作用，高速率在板材软化的基础上进一步提高镁合金板材的成形性能。