一种对称梯度结构镁合金板材的制备方法

本发明属于有色金属材料塑性变形及应用的，具体涉及一种对称梯度结构镁合金板材的制备方法。

背景技术：

1、镁合金轧制板材具有强烈的基面板织构，室温及低温下强度低、塑性差、力学性能各向异性显著，是限制其广泛应用的关键问题。同时，镁合金板材在成为各类结构件的塑性变形过程中，板坯常发生弯曲变形。例如，在典型的冲压成形工艺-拉深成形过程中，除成形筒形件底部的板坯材料基本不发生变形外，板坯其余部分的材料均要发生弯曲变形。在弯曲变形过程中，板材上下表面分别承受最大的拉应力和压应力，从上下表面到中性层应力值逐渐减小。

2、因此，如果板材沿厚度方向的晶粒尺寸分布也能够实现从上下表面到中性层逐渐增大，那么这种对称梯度结构镁合金板材能够更好地适应构件成形过程中的应力特点，而不同尺寸的晶粒可以提供变形多个软区和硬区，增强板材的塑性变形协调能力。与此同时，如果在制备对称梯度结构镁合金板材时，利用再结晶诱导晶粒偏转，则能有效弱化基面织构并降低板材力学性能的各向异性。

3、利用激光喷丸、干式喷涂+温度梯度烧结、自蔓延高温合成等多种方法可制备单方向的梯度结构镁合金板材，但这些方法存在工艺复杂、成本高的缺点。目前还没有一种能在传统轧制镁合金板材中制备对称梯度结构的流程短且成本低的有效方法。

技术实现思路

1、本发明针对传统轧制镁合金板材塑性差、强度较低、各向异性显著的问题，提出一种对称梯度结构镁合金板材的制备方法，本发明借助脉冲电流阶段加热条件下的对称弯曲剪切整体矫平压缩变形，实现板材从上下表面到中性层的应力、变形储能和温度的梯度分布，最终获得对称梯度结构的镁合金板材，提高板材的强度、塑性，并降低其各向异性。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种对称梯度结构镁合金板材的制备方法，包括如下步骤：

4、第一步，切制厚度为1~3mm的镁合金轧制板材，清洗打磨；

5、第二步，脉冲电流分阶段加热下的对称弯曲剪切变形，包括将镁合金板材分段加热至300~400℃并保温，其中，0~t1加热至150~200℃，t1~t2加热至300~400℃，t2~t3保温，总时间为t，t=t1+t2+t3，t<20min；

6、第三步，脉冲电流分阶段加热下的整体矫平压缩变形，包括将镁合金板材分段加热至200~300℃并保温，其中，0~t1加热至100~150℃，t1~t2加热至200~300℃，t2~t3保温，总时间为t，t=t1+t2+t3，t<20min。

7、进一步地，第一步中所述镁合金轧制板材的长宽尺寸为200mm×50mm。

8、进一步地，第二步中所述脉冲电流分阶段加热下的对称弯曲剪切变形：对于厚度为1~1.5mm的mg-al-zn-mn系列镁合金轧制板材，将镁合金板材分段加热至300~350℃并保温4min，其中，0~5min加热至160~180℃，5~8min加热至300~350℃，8~12min保温，总体耗时12min；

9、对于厚度为1.6~3mm的mg-al-zn-mn系列镁合金轧制板材，将镁合金板材分段加热至350~400℃并保温7min，其中，0~6min加热至180~220℃，6~10min加热至350~400℃，10~17min保温，总体耗时17min。

10、进一步地，第二步中所述对称弯曲剪切变形过程中的峰值电流密度为80~120a/mm2，加载速率为0.2~1mm/min。

11、进一步地，第三步中所述脉冲电流分阶段加热下的整体矫平压缩变形：对于厚度为1~1.5mm的mg-al-zn-mn系列镁合金轧制板材，将镁合金板材分段加热至200~300℃并保温4min，0~5min加热至120~150℃，5~8min加热至200~300℃，8~12min保温，总体耗时12min；

12、对于厚度为1.6~3mm的mg-al-zn-mn系列镁合金轧制板材，将镁合金板材分段加热至200~300℃并保温7min，0~6min加热至100~120℃，6~10min加热至200~300℃，10~17min保温，总体耗时17min。

13、进一步地，第三步中所述整体矫平压缩变形过程中的峰值电流密度为80~120a/mm2，加载速率为0.2~1mm/min。

14、进一步地，为防止板材在变形过程中发生断裂或在上下表层出现微裂纹，同时为引入较大的剪切应力，需要对称弯曲剪切变形板材的弯曲半径的最小值rmin应该加以限定。具体方法是：首先选定长度为a，宽度为b，厚度为c的板材，再根据国标gb/t15825.5-2008的测试方法，测得该板材在目标温度的最小弯曲半径rmin，在对称弯曲剪切变形中，要求对称弯曲半径r>5rmin。

15、进一步地，第二步中所述对称弯曲剪切变形，其变形曲线包括具有对称性和周期性的函数曲线，在对称弯曲剪切变形曲线中，一个向上弯曲剪切变形和其相邻的一个向下弯曲剪切记为一个变形周期，一个周期的长度记为t，单位是mm，周期的个数记为x，单位是个，x=n或者x=n+0.5，n为大于等于1的正整数。上述x数值的选取原则是为了保证对称弯曲剪切模具的起点和终点在同一条水平线上，方便对称弯曲剪切模具的加工制造，也保证板材在对称弯曲剪切变形过程中形成对称的应力分布。

16、进一步地，第二步中所述弯曲剪切变形中：根据弯曲变形理论，变形后板材中性层的曲率方程为1/ r= m/ei，其中 r为曲率半径，m为弯矩，e为弹性模量，i为惯性矩，以向上弯曲剪切变形的部分板材为研究对象，则m=f*t/2。故1/ r= (f*t/2)/(e*bc3/12)，其中f为作用在板材上的集中力或等效集中力。

17、进一步地，第二步中所述对称弯曲剪切变形，其变形曲线为三角函数曲线。

18、第二步和第三步中的加载速率应保证板材的受热和变形同步进行，保证板材在变形过程中不发生断裂或在上下表层出现微裂纹。

19、本发明的方法通过板材依次发生对称弯曲剪切变形和整体矫平压缩变形，均采用脉冲电流分阶段加热并保温。对称弯曲剪切过程中，板材所受应力和变形储能从上下表面到中性层逐渐减小，呈梯度分布。整体矫平压缩过程中，脉冲电流密度不断增大以实现温升，趋肤效应使得板材的实际温度从上下表面到中性层逐渐降低，呈梯度分布，使得从上下表面到中性层变形晶粒的再结晶程度即晶粒细化程度逐渐降低，最终获得以中性层为对称面，沿板材厚度方向呈现对称梯度结构的镁合金板材。

20、本发明的有益效果如下：

21、本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对传统轧制镁合金板材强度低、塑性差、各向异性显著的问题，将镁合金板材在脉冲电流分阶段加热条件下，先发生对称折弯变形，在镁合金板材中建立从上下表层到中性层的应力和变形储能梯度，再发生整体矫平压缩变形，借助脉冲电流分阶段加热的趋肤效应建立从上下表层到中性层的温度梯度，实现不同程度的再结晶和晶粒细化，最终提高板材的强度、塑性，降低板材的各向异性，此方法工艺简单可靠，流程短，数据精确翔实，产物性能好，是一种先进的对称梯度结构镁合金板材的制备方法。