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1、沈阳理工大学 硕士学位论文 AZ31镁合金交叉轧制工艺研究 姓名：竺晓华 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：刘劲松 20090301 沈阳理工大学硕士学位论文 摘摘 要要 镁合金是实际工程应用中最轻的金属结构材料，具有一系列优异的理化性能，广泛 应用于电子、电器、汽车、航空、航天等行业。目前镁合金塑性成形技术仍处于开发阶 段中，而镁合金轧制成形是变形镁合金研究的一个重要方向。本文通过对 AZ31 镁合金 交叉轧制的工艺研究，来探讨轧制板材中各向异性的问题。 通过单向轧制有限元模拟，确定了轧制成形中合理的工艺参数；交叉轧制有限元模 拟表明，等道次等压下量时交叉轧制的各道次塑性应变
2、最值的差值比单向轧制的要小， 说明交叉轧制工艺能够减小镁合金板材的各向异性。 对实验室现有的一台 90/200200 旧轧机设备进行设计和改造， 目的是将旧轧机改 新成一台四辊同步、异步可逆式轧机。对齿轮箱中齿轮、齿轮轴、轴承座和箱体进行设 计，同时对轧机其它部件也进行了选择和设计。针对镁合金室温塑性成形性差的原因， 在设备上安装了轧辊加热装置。最后进行轧机调试。 轧制实验中对 AZ31 镁合金交叉轧制板材微观组织和力学性能作了研究， 结果表明， AZ31 镁合金轧制板材的最佳热处理工艺是 32030min；轧辊加热状态下，当板材总 变形量相等时，单道次压下量较大的轧制工艺得到的板材微观组织更
3、为均匀细小；交叉 轧制和单向轧制在同种轧制制度下得到的板材微观组织细化效果相似； 室温拉伸实验证 明交叉轧制可以缓解镁合金轧制板材的各向异性，并降低板材强度和屈强比。 关键词：AZ31 镁合金；交叉轧制；各向异性；轧制实验 沈阳理工大学硕士学位论文 Abstract Magnesium alloys are the lightest structure materials for the practical engineering applications. They have many outstanding physical, chemical and mechanical propert
4、ies, and have been widely used in electronics, electrical, automobile, aerial and astronautical industries. Now the plastic forming technology of Mg alloys is still in development stage, meanwhile rolling is a very important orientation in this area. Cross rolling process for AZ31 Mg alloy is studie
5、d in this paper in order to discuss the anisotropy of the rolled sheets. In this dissertation, FE analysis of one-way rolling was carried out to determine the reasonable rolling process parameters. The FE analysis of cross rolling was to show the difference of extreme value of plastic strain in one-
6、way rolling was smaller than that in cross rolling with the same pass and the same reduction, therefore, it was proved that the cross rolling process could reduce the anisotropy of the Mg alloy sheet. Designed and transformed for the existing one 90/200 200 mill in laboratory with the aim was to cha
7、nge the old mill into a new 4-roll synchronous, asymmetrical reversible rolling mill. Design of gears, gear shafts, housings, box in gear case were the main tasks, the structural design of the other part of the mill were also included. Heating device for rollers was installed by the reason of Mg all
8、oys had low formability at room temperature. Last, the new mill was set up and tested . Microstructure and mechanical properties of AZ31 Mg alloy sheets were investigated in rolling experiments. The results showed that the optimum heat-treatment process was 30030min. The shape of microstructure in l
9、arger reduction of rolling process to be more uniform when the sheets had equal deformation in final and rollers at heating state. Because the two ways got the same results in refinement between one-way rolling and cross rolling, mechanical properties would be test further, the results showed that t
10、he cross rolling process could reduce the anisotropy and lower the yield stress and strength of the Mg alloy sheet. Key words: AZ31 magnesium alloy; cross rolling; anisotropy; rolling experiment 沈阳理工大学硕士学位论文 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明:本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独 立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考 文献相对应。除文
11、中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 作者（签字）： 日 期 ： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其它复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作
12、者签名： 指导教师签名： 日 期： 日 期： 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 引言 镁及其合金是 21 世纪最有前途的轻量化材料， 而镁元素是地壳中含量最丰富的元 素之一。由于镁及其合金的独特性能，其开发和应用受到越来越多的关注，成了“最年 轻”的金属结构材料之一1。近年来镁合金产量在全球的年增长率高达 25%，显示出了 极大的应用前景。常见变形镁制品，如轧制薄板或厚板，挤压件和锻件等，与铸造产品 比较，这些变形产品具有更高的强度和延展性以及更多样化的力学性能等优点2-3。 轧制是镁合金塑性成形的重要手段之一4， 各类型镁合金板材的生产主要就是通过轧 制工艺来完成的。镁合金板材
13、分为厚板、中板、薄板三类，一般厚度 2080mm 的板材 为厚板，厚度 620mm 为中板，薄板厚度在 0.56mm 范围5。由于镁合金的塑性不佳， 因此板材的生产大多采用热轧的方式进行加工， 薄板的生产有时采用冷轧和温轧两种方 式。镁合金温轧时，一方面要保证铸态组织得到充分变形，达到改善组织的目的，有一 定的变形量；另一方面，采用较大变形量时，由于多晶镁合金滑移系少，晶粒不易产生 宏观屈服而易在晶界产生大的应力集中，导致合金发生晶间断裂。这就需要镁合金板材 轧制过程中，在必要时进行中间退火，采用多道次、小压下量工艺进行轧制。镁合金板 材在轧制以后一般要进行退火等热处理，使组织发生回复和再结晶
14、以消除应力。其退火 温度应选择在完全再结晶温度范围内6。 镁合金在轧制过程中易形成与轧制方向相同的基面织构7，成品板材通常具有很强 的各向异性，这对冲压特别是拉深极为不利。采用交叉轧制的方法，轧向和横向交替变 化， 不仅可以使锭坯长宽比灵活配合， 而且能导致晶粒均匀化和等轴化， 降低各向异性， 改善板材性能7。因此研究镁合金交叉轧制工艺能更好的控制镁合金板带的轧制工艺参 数， 对促进镁合金板类件的实际应用， 提高我国镁产品技术含量， 具有重大的实际意义。 沈阳理工大学硕士学位论文 2 1.2 变形镁合金的应用及发展前景 1.2.1 镁及镁合金的基本特性 镁是IIA族碱土金属，在地壳中储量位列第
15、八，金属中排名第三，仅次于铝和铁。 纯镁及大部分镁合金的晶体结构为密排六方结构(HCP)，其原子结构如图1.1所示， a=0.320nm，c=0.520nm，其轴比（c/a）值为1.6236，接近理想的密排值1.633。相对于体 心立方晶格和面心立方晶格体系，镁的密排六方晶格体系滑移少，只有3个，因而塑性 变形能力较差，冷加工成形困难。 图1.1 镁晶体原子结构图 Fig.1.1 Atomic structure of Mg crystal 但相对其它金属材料，镁合金具有一系列优秀的物理和化学性能，主要有以下几个 方面8： （1）密度低、质量轻、比强度和比刚度高：常规的镁合金比铝合金轻3050
16、%，比钢铁 轻50%以上。如：AZ31镁合金的比重为1.77，AZ61镁合金的比重为1.80。约为铝的2/3， 钛的2/5，铁的1/4。 （2）阻尼性能、减震性能好：镁的阻尼性能优于所有金属结构材料，减震性能非常优 秀。镁及镁合金弹性模量很低，受同样外力，镁合金构件能够产生较大的弹性变形，受 到冲击载荷能够吸收较大的冲击功。汽车的方向盘、避震器以及电脑、手机外壳等都是 镁合金适用的产品。在航空航天和军事领域也有着广阔应用前景，如导弹、卫星和武器 的电子仪表支架等。 （3）抗电磁干扰：镁合金的电磁波遮蔽性比一般电镀更有效果，具有很高的屏蔽电磁 干扰的能力。 第 1 章 绪论 3 （4）削性：镁合金的削力小，可缩短机械加工时间，节劳动力，并能延长工具 使用寿命。 （5）耐凹陷性：镁合金的加工硬化高，与物体撞击时产生的凹陷比铝合小。 （6）高导热性：镁合金的导热性能要优于常用的铝合金，比塑料材料高出数百倍。 （7）无毒、可回收再利用：镁及其化合物无毒，使用不会造成环境污染，
