CN103834886A - 一种镁合金矩形截面条材的矫直方法 - Google Patents

Abstract

一种镁合金矩形截面条材的矫直方法，该方法包括下述步骤：（1）判断该镁合金矩形截面条材是否具有可矫性（2）计算该镁合金矩形截面条材的最大弯度δ_max；（3）用弯度塞尺对该镁合金矩形截面条材进行弯度评级，在该镁合金矩形截面条材的弯度小于δ_max的情况下，对该镁合金矩形截面条材进行矫直；（4）确定压下量△H；（5）将该镁合金矩形截面条材整体压平，然后继续施压，令其在厚度方向发生少量的塑形变形△H，卸去压力后该镁合金矩形截面条材实现矫直且残余应力得以消减。该方法是能够针对镁合金矩形截面条材的快速且能有效消减残余应力的矫直方法。

Description

一种镁合金矩形截面条材的矫直方法

技术领域

本发明涉及一种针对镁合金矩形截面条材的快速且能有效消减残余应力的矫直方法。

背景技术

镁合金是迄今在工程中使用的最轻的金属结构材料，在航空航天和国防军工领域的应用前景十分广阔。对于镁合金条材产品，一般对平直度的要求很高，然而在成形过程中由于变形不均匀，通常会发生侧弯、波浪弯现象并伴随有残余应力的产生，因而必须进行矫直，使条材形状得以矫正同时让残余应力得以削减。对于矩形截面条材，通常在室温下采用拉伸矫直法、三点反弯矫直法和平行辊矫直法进行矫直。由于镁合金具有密排六方晶体结构，在低于250℃进行变形时只能开动3个滑移系，因此镁合金的低温塑性变形能力很差，与多数铝合金相比，镁合金的室温矫直面临诸多困难。压力加工制品中的残余应力主要是由不均匀变形造成的；其次，成形后，由于产品体积的不均匀变化也会引起残余应力，如：高温制品冷却时表面层和中心层的冷缩量存在很大差别。残余应力的存在将缩短零件的使用寿命，使制品的尺寸形状发生变化还会降低金属的耐蚀性。变形后进行机械处理能够消减残余应力，即：在制品表面再附加一些表面变形，使之产生新的附加应力及残余应力系统，以抵消原有的残余应力系统或尽量降低其数值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种镁合金矩形截面条材的矫直方法，是提供一种针对镁合金矩形截面条材的快速且能有效消减残余应力的矫直方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：这种镁合金矩形截面条材的矫直方法包括下述步骤：

（1）、判断该镁合金矩形截面条材是否具有可矫性，测试该镁合金矩形截面条材的屈服强度σ_0.2和延伸率，其中，σ_0.2单位为Mpa，延伸率单位为%；根据屈服强度σ_0.2，按照E=45GPa，计算出ε_t=σ_0.2/E-0.2%，再计算ε_b′/ε_t，ε_t单位为%，ε_b′单位为%，在ε_b′/ε_t大于或等于4的情况下，该镁合金矩形截面条材具有可矫性，在ε_b′/ε_t小于4的情况下，则该镁合金矩形截面条材不具有可矫性，其中，ε_b′为卸去外力后测出的断后应变量，即是拉伸或压缩试验测得的延伸率即总压缩应变；

（2）、根据

${\mathrm{\δ}}_{\max }=\frac{H}{2{\mathrm{\ϵ}}_b}-\sqrt{{\left(\frac{H}{{2\mathrm{\ϵ}}_b}\right)}^2-{\left(\frac{l}{2}\right)}^2}$

公式，计算该镁合金矩形截面条材的最大弯度δ_max，δ_max单位为mm，其中，ε_b=ε_t+ε_b′，H为该镁合金矩形截面条材的厚度，H单位为mm；l为弯曲部分的长度即弦长，取l=100mm；

（3）、用弯度塞尺对该镁合金矩形截面条材进行弯度评级，在该镁合金矩形截面条材的弯度小于δ_max的情况下，对该镁合金矩形截面条材进行矫直；

（4）、确定压下量△H，△H单位为mm，其中，ε_△H=△H/H，ε_ΔH单位为%，而

即该镁合金矩形截面条材的压缩应变ε_ΔH需达到弹性极限应变ε_t的5倍左右，同时必须保证不超过强度极限应变ε_b。由此可确定压下量△H，即：

ΔH=n·ε_t·H(n≈5)；

（5）、将该镁合金矩形截面条材整体压平，然后继续施压，令其在厚度方向发生少量的塑形变形△H，卸去压力后该镁合金矩形截面条材实现矫直且残余应力得以消减。

在本发明的所述的镁合金矩形截面条材的矫直方法中，在步骤（5）继续施压的过程中，令其在厚度方向发生少量的塑形变形△H，加压的时间为1-2分钟。

本发明的优点是：该方法是能够针对镁合金矩形截面条材的快速且能有效消减残余应力的矫直方法。

附图说明

图1为本发明的矫直方法的基本原理示意图。

图2为本发明的镁合金的应力-应变关系图。

图3为本发明的矩形截面条材的初始形态示意图。

具体实施方式

该矫直方法的基本思路如图1所示，即：首先将弯曲的镁合金矩形截面条材1（图1（a））整体压平（图1（b）），然后继续施压，令其在厚度方向发生少量的塑形变形（△H为压下量）（图1（c）），卸去压力后该镁合金矩形截面条材1实现矫直且残余应力得以消减。本方法假设该镁合金矩形截面条材1在厚度方向有足够的余量，即该镁合金矩形截面条材1厚度轻微减小后仍能满足使用要求。其中，在（图1（c））中，△H单位为mm。

在上述矫直方法实施过程中，首先要确定该镁合金矩形截面条材的自身的韧性是否满足矫直要求。

该镁合金矩形截面条材往往具有图2所示的应力-应变关系图（简图），其中，ε的单位为%；σ的单位为Mpa。当镁合金矩形截面条材所受应力小于自身的弹性极限应力σ_t时，材料仅发生弹性变形，卸去外力能完全弹复到初始形态，弹性阶段的极限应变为ε_t；当应力大于σ_t后该材料发生弹塑性变形，卸去外力后将会残留永久塑形变形，当应力值达到强度极限应力σ_b时，该材料被破坏，此时的应变为强度极限应变ε_b。

通常将ε_b:ε_t≥5作为可矫性判据。其中，ε_b=ε_t+ε_b′，ε_b′为卸去外力后测出的断后应变量，即是拉伸（压缩）试验测得的延伸率（总压缩应变）。由于镁合金往往没有屈服平台，弹性阶段和弹塑形阶段之间没有明确的界限，通常采用发生0.2%塑形应变时的应力来表示屈服应力σ_t，即σ_0.2，因此，ε_t可以近似表达为：ε_t=σ_0.2/E-0.002，其中，E为弹性模量，镁合金的E约等于45GPa。于是，只要满足下面的关系：

$\frac{{\mathrm{\ϵ}}_b^{\′}}{{\mathrm{\ϵ}}_t}\≥4---\left(1\right)$

即表明该镁合金矩形截面条材具有可矫性；否则，在ε_b′/ε_t<4的情况下，该镁合金矩形截面条材不具有可矫性。

然后再计算能够矫直的最大的弯度δ_max。

镁合金矩形截面条材的初始形态如图3所示，厚度为H，弯曲部分的曲率半径为ρ₀，ρ₀单位也为mm，曲率A₀=1/ρ₀，弯曲部分长度（弦长）为l，弯度（挠度）为δ。在图3中，外弯层为2，内弯层为3，中性层为4。

由矫直理论可以推导出最大弯度δ_max的表达式：

${\mathrm{\&delta;}}_{\max }=\frac{H}{2{\mathrm{\&epsiv;}}_b}-\sqrt{{\left(\frac{H}{{2\mathrm{\&epsiv;}}_b}\right)}^2-{\left(\frac{l}{2}\right)}^2}---\left(2\right)$

其中，ε_b=ε_t+ε_b′，可酌情将l取为定值，为了减小因曲率的不均匀性所造成的误差须尽量减小l值，可取l=100mm。在图3中，H单位和δ_max单位均为mm；l=100mm。

再测出镁合金矩形截面条材的弯度，并对板材的弯度进行测评。

用弯度塞尺对镁合金矩形截面条材进行弯度评级，拣出弯度小于δ_max的条材进行矫直。

再确定压下量△H。

图2中所示的ε_ΔH为矫直时对镁合金矩形截面条材进行下压时产生的压缩应变，ε_ΔH=△H/H。为实现矫直，需满足以下关系：

即：镁合金矩形截面条材的压缩应变ε_ΔH需达到弹性极限应变ε_t的5倍左右，同时必须保证不超过强度极限应变ε_b。由此可确定压下量△H，即：

ΔH=n·ε_t·H(n≈5)

（4）

实际计算时，ε_t用合金的屈服强度σ_0.2来计算，ε_t=σ_0.2/E-0.2%，对于镁合金，E约等于45GPa。另外，如果镁合金矩形截面条材弯度较大，在满足ε_△H≤ε_b的前提下，n的取值可以大于5。

最后进行矫直过程。矫直在锻压机上进行，将镁合金矩形截面条材按照外弯层朝上的方式放在下平砧上，矫直过程中，上下平砧间的压力首先将弯曲的条材压平，然后继续施压，达到所需的压下量△H后保压1分钟，然后打开上下平砧，完成矫直。一般在室温下进行矫直，特殊情况下，如弯度较大或者材料的韧性特别小时，可选择较高的温度进行矫直。

实施例1：

制备截面尺寸为285mm×17mm，长度为1800mm  的EW75（Mg-7wt.%Gd-1wt.%Nd-5wt.%Y-0.5wt.%Zr）镁合金矩形截面条材。所得的截面为285mm×20mm的挤压条材的平直度不佳，存在波浪弯。采用拉伸法和反弯法进行冷矫直时条材容易断裂。因为条材在厚度方向有较大的余量，因此选择本发明所述工艺进行矫直，矫直过程如下：

1.按长度1800mm对长挤压材进行锯切，将明显无法矫直的大波浪弯截去。

2.判断挤压态EW75镁合金是否具有可矫性。

挤压态EW75镁合金的室温力学性能为：强度极限应力σ_b=350MPa，屈服强度σ_0.2=250MPa，延伸率ε_b′＝17%。

按照E=45GPa，可以计算出ε_t=σ_0.2/E-0.2%=0.36%。很明显，ε_b′/ε_t=47.22，远大于4，说明挤压态EW75镁合金本身具有可矫性。

3.计算最大弯度_max。

条材厚度H=20mm，ε_b=ε_t+ε_b′=17.36%，l取100mm，则由公式（2）可以得出：δ_max=29mm。

4.用弯度塞尺对条材进行弯度评级，拣出弯度小于29mm的条材进行矫直。实际上，绝多数板子的弯度都小于5mm，因此绝大多数板子均可以被矫直。

5.确定压下量△H。

由公式（4）可以算出：所需的压下量△H=0.36mm。鉴于材料韧性较好，实际采用的压下量为0.5mm。此时的压缩应变ε_△H（=2.5%）仍远小于εb。

6.选择在立式水压机上进行室温压矫。将条材的外弯层朝上放在下平砧上。由于平砧较大，可以一次并排放数个板材。加压并达到设定的压下量0.5mm后，保压1分钟。

7.矫直完毕后，再次对条材的弯度进行测量，则大部分的板子满足平直度要求。对弯度达标的条材进行超声波探伤，剔除少数存在微裂纹的板子。一般的压力加工条材在后续铣削加工过程中，板面上一部分材料被铣削掉后，因部分残余应力得以释放，会使板材发生较大的变形，然而，经本工艺矫直的条材的变形程度明显小于未经矫直的板材，说明该矫直工艺可以显着地减小残余应力。

实施例2：

有一批截面尺寸为200mm×55mm，长度为2000mm  的ZM61(Mg-6wt.%Zn-1wt.%Mn)镁合金矩形截面条材坯料存在波浪弯，需要矫直，最终要机加工成截面尺寸为195mm×50mm，长度为2000mm的条材。该ZM61条材在挤压成形后经过T6处理，即：420℃/2h固溶处理+水淬+180℃/16h时效处理。拉伸试验测出的ZM61合金T6态力学性能为：强度极限应力σ_b=354MPa，屈服强度σ_0.2=321MPa，延伸率ε_b′＝8%。因为条材在厚度方向有较大的余量，因此选择本专利所述工艺进行矫直，矫直过程如下：

1.判断挤压态EW75镁合金是否具有可矫性。

按照E=45GPa，可以计算出ε_t=σ_0.2/E-0.2%=0.51%。很明显，ε_b ′/ε_t=15.69，远大于4，说明“挤压+T6”态ZM61镁合金本身具有可矫性。

2.计算最大弯度δ_max。

条材厚度H=55mm，ε_b=ε_t+ε_b′=8.51%，l取100mm，则由公式（2）可以得出：δ_max=3.89mm。

3.用弯度塞尺对条材进行弯度评级，拣出弯度小于3.89mm的条材进行矫直。

4.确定压下量△H。

由公式（4）可以算出：所需的压下量△H=1.40mm。

5.选择在立式水压机上进行室温压矫。将条材的外弯层朝上放在下平砧上。由于平砧较大，可以一次并排放数个板材。加压并达到设定的压下量1.40mm后，保压1分钟。

6.矫直完毕后，再次条材的弯度进行测量，则大部分的板子满足平直度要求。对弯度达标的条材进行超声波探伤，剔除少数存在微裂纹的板子。

Claims (2)

1.一种镁合金矩形截面条材的矫直方法，其特征在于：该方法包括下述步骤：

（1）、判断该镁合金矩形截面条材是否具有可矫性，测试该镁合金矩形截面条材的屈服强度σ_0.2和延伸率，其中，σ_0.2单位为Mpa，延伸率单位为%；根据屈服强度σ_0.2，按照E=45GPa，计算出ε_t=σ_0.2/E-0.2%，再计算ε_b′/ε_t，ε_t单位为%，ε_b′单位为%，其中，ε_b′在ε_b′/ε_t大于或等于4的情况下，该镁合金矩形截面条材具有可矫性，在ε_b′/ε_t小于4的情况下，则该镁合金矩形截面条材不具有可矫性，其中，ε_b′为卸去外力后测出的断后应变量，即是拉伸或压缩试验测得的延伸率即总压缩应变；

（2）、根据

${\mathrm{\&delta;}}_{\max }=\frac{H}{2{\mathrm{\&epsiv;}}_b}-\sqrt{{\left(\frac{H}{{2\mathrm{\&epsiv;}}_b}\right)}^2-{\left(\frac{l}{2}\right)}^2}$

公式，计算该镁合金矩形截面条材的最大弯度δ_max，δ_max单位为mm，其中，ε_b=ε_t+ε_b′，H为该镁合金矩形截面条材的厚度，H单位为mm；l为弯曲部分的长度即弦长，取l=100mm；

（3）、用弯度塞尺对该镁合金矩形截面条材进行弯度评级，在该镁合金矩形截面条材的弯度小于δ_max的情况下，对该镁合金矩形截面条材进行矫直；

（4）、确定压下量△H，△H单位为mm，其中，ε_ΔH=△H/H，ε_△H单位为%，而

即该镁合金矩形截面条材的压缩应变ε_△H需达到弹性极限应变ε_t的5倍左右，同时必须保证不超过强度极限应变ε_b。由此可确定压下量△H，即：

ΔH=n·ε_t·H(n≈5)；

（5）、将该镁合金矩形截面条材整体压平，然后继续施压，令其在厚度方向发生少量的塑形变形△H，卸去压力后该镁合金矩形截面条材实现矫直且残余应力得以消减。

2.根据权利要求1所述的镁合金矩形截面条材的矫直方法，其特征在于：在步骤（5）继续施压的过程中，令其在厚度方向发生少量的塑形变形△H，加压的时间为1-2分钟。

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