郎利輝， 許愛軍， 李 濤， 趙香妮

(北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，北京 100191)

結(jié)構(gòu)輕量化是當(dāng)今制造業(yè)的發(fā)展趨勢，采用輕質(zhì)材料是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的重要途徑，鋁合金具有較低的密度、較高的比強度、比模量、斷裂韌性和疲勞強度，以及良好的成形工藝性能，因而在航空、航天、汽車、電子行業(yè)中得到了越來越多的應(yīng)用，成為輕量化技術(shù)中替代鋼鐵的主要材料之一［1～4］。5A06鋁合金是一種國產(chǎn)的延性合金材料，屬于Al-Mg系合金，具有抗腐蝕、易于成形加工、可焊性及低溫性能良好、不可熱處理強化等特點，現(xiàn)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用［5］。但是，5A06鋁合金在常溫延伸率較小，成形性能較差，這嚴(yán)重制約了其更廣范圍的應(yīng)用0。國內(nèi)外的有關(guān)學(xué)者通過研究表明［6～9］，在特定的條件下，采用溫?zé)岢尚渭夹g(shù)將鋁合金板加熱到一定溫度時成形，鋁合金成形能力將得到極大的提高。在鋁合金溫?zé)岢尚芜^程中，鋁合金的溫?zé)崃W(xué)性能參數(shù)與溫度和應(yīng)變速率息息相關(guān)，是溫?zé)岢尚斡邢拊M中必備的重要參數(shù)［10］。國內(nèi)對5A06鋁合金的研究較多集中在常溫力學(xué)性能［5］、焊接性能［4，11］和抗腐蝕性能［12］等方面，但對其溫?zé)崃W(xué)性能的研究報道不多。為了研究5A06鋁合金在溫?zé)嶙冃芜^程中流動應(yīng)力與應(yīng)變速率和溫度之間的關(guān)系，引入了Fields＆Backofen本構(gòu)方程，通過其直接描述溫度和應(yīng)變速率等參數(shù)對流變應(yīng)力的影響，來描述材料變形過程中的流變應(yīng)力，在鋁合金溫?zé)岢尚沃械玫搅藦V泛的應(yīng)用［13，14］。因此基于 Fields ＆ Backofen本構(gòu)方程研究5A06防銹鋁合金的溫?zé)崃W(xué)性能，對我們進一步研究鋁合金的溫?zé)岢尚渭夹g(shù)有重要的意義。

本研究在20～300℃，對5A06-O防銹鋁合金板進行了不同應(yīng)變速率下的單向拉伸試驗，獲得了其真實應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線和關(guān)鍵力學(xué)性能參數(shù)，研究了溫度和應(yīng)變速率對成形性能指標(biāo)的影響規(guī)律，并基于Fields＆Backofen本構(gòu)方程，得到了不同溫度下的應(yīng)變強化指數(shù)和應(yīng)變速率敏感系數(shù)的變化規(guī)律。

1 試驗及其結(jié)果

1.1 試驗材料與設(shè)備

試驗材料:5A06-O防銹鋁合金板材，厚度為1.2mm，其化學(xué)成分如表1所示。

試驗設(shè)備:CSS-44050電子萬能試驗機，采用封閉式爐箱整體對流加熱。熱電偶直接接觸式測量，試驗最高溫度可達(dá)450℃，箱體內(nèi)整體溫度誤差為±1.5℃。

1.2 試驗方法

試驗試樣制備與試驗方法均按GB/T 4338—2006《金屬材料高溫拉伸試驗方法》進行。試樣幾何形狀及其尺寸如圖1所示，長度方向與軋制方向一致。

表1 5A06防銹鋁合金板化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Tab.1 Chemical compositions of 5A06 aluminium alloy(mass fraction/%)

試驗步驟:試驗溫度設(shè)置分別為20℃，150℃，200℃，250℃和300℃，試驗采取恒應(yīng)變速率控制的方式進行，應(yīng)變速率分別為 0.00055s－1，0.0055 s－1和0.055s－1，同一條件下進行三次試驗，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值時，試樣保溫10min，以保證整個試樣上的溫度一致。

圖1 單拉試樣幾何形狀及尺寸Fig.1 Geometry and dimensions of the specimen used for uniaxial tensile test

1.3 試驗結(jié)果

1.3.1 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

圖2所示為5A06在不同溫度和應(yīng)變速率下單向拉伸試驗獲得的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖3為在不同應(yīng)變速率下，5A06板抗拉強度隨溫度的變化規(guī)律。從圖2及圖3中可以看出:在應(yīng)變速率不變的情況下，抗拉強度隨著溫度的升高而減小，同時流變應(yīng)力顯著下降，而應(yīng)變隨著溫度的升高顯著增加;當(dāng)應(yīng)變速率為0.00055 s－1時，溫度從20℃上升到300℃時，抗拉強度從442.5MPa降低到 101.1MPa，降低了 77.2%，降勢明顯。當(dāng)溫度高于150℃時，不同應(yīng)變速率下，抗拉強度隨著溫度的下降幅度基本一致，抗拉強度對應(yīng)變速率不敏感。

另外，在溫度為 20℃，應(yīng)變速率為0.00055s－1時，拉伸曲線呈現(xiàn)鋸齒狀，應(yīng)力數(shù)值反復(fù)跌落，即產(chǎn)生 Portevin-Le-Chatelier(PLC)效應(yīng)。從圖中可以看出，隨著應(yīng)變速率增大，PLC效應(yīng)顯著減小。這是因為，從微觀角度看，PLC效應(yīng)是可動位錯和溶質(zhì)原子之間的動態(tài)相互作用，即動態(tài)應(yīng)變時效(DSA)。隨著應(yīng)變速率增大，作用在可動位錯上的外加有效應(yīng)力就大，從而可動位錯的平均運動速率加快，可動位錯在障礙前的等待時機就短，當(dāng)溶質(zhì)原子的擴散速率不如可動位錯的運動速率時，DSA效應(yīng)就會減弱，此時，鋸齒應(yīng)力幅度也顯著減小。因此，當(dāng)應(yīng)變速率增大到0.055s－1時，鋸齒已不明顯。另外，隨著溫度的升高，PLC效應(yīng)減小，這是因為高溫下熱激活增強了位錯越過障礙的能力，減少鋸齒應(yīng)力的發(fā)生，從而減小了PLC效應(yīng)。

圖2 不同溫度和應(yīng)變速率下的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a)=0.00055s－1;(b)=0.0055s－1;(c)=0.055s－1Fig.2 True stress-true strain curves of 5A06-O aluminum alloy at different temperatures and strain rates(a)=0.00055s－1;(b)=0.0055s－1;(c)=0.055s－1

1.3.2 延伸率

延伸率是判斷材料塑性好壞的直接性能指標(biāo)。延伸率越大，允許的塑性變形程度越大。圖4為5A06在不同應(yīng)變速率下，斷后延伸率隨溫度的變化規(guī)律。從圖中可以看出，斷后延伸率隨著溫度的升高而顯著增加，隨著應(yīng)變速率的降低而增加，且應(yīng)變速率越低，溫度的對其的影響越明顯。因此，該合金在低的應(yīng)變速率和高的溫度下可獲得較好的成形性能。

均勻延伸率是指試樣在拉伸過程中受最大力作用下的總的伸長率，其中包含殘余應(yīng)變和彈性應(yīng)變，反映了試樣真實的變形能力。圖5為5A06在不同應(yīng)變速率下，均勻延伸率隨溫度的變化規(guī)律?？梢钥闯?，在150℃以下，隨著溫度的升高，材料的均勻延伸率升高，在150℃以上，隨著溫度的升高，均勻延伸率卻降低，并且這一趨勢隨著應(yīng)變速率的降低得到增強。也就是說在較高的溫度和較低的應(yīng)變速率下，總延伸率的提高主要是通過局部變形得到。

2 本構(gòu)方程

2.1 Fields＆ Backofen本構(gòu)方程

在熱成形的過程中，材料的任何應(yīng)變以及流動應(yīng)力主要取決于變形溫度和應(yīng)變速率。因此在綜合考慮應(yīng)變和應(yīng)變速率對流動應(yīng)力的影響時，材料在不同溫度和不同應(yīng)變速率條件下的單向拉伸曲線可表示為

為更好地研究5A06鋁合金溫度和應(yīng)變速率對溫?zé)岢尚涡阅艿挠绊?，本文基于同時考慮應(yīng)變強化和應(yīng)變速率強化的Fields＆Backofen本構(gòu)方程來描述其應(yīng)力-應(yīng)變速率關(guān)系:

式中K(T)為應(yīng)變強化系數(shù);n(T)為應(yīng)變強化指數(shù);m(T)為應(yīng)變速率敏感系數(shù)。

2.2 應(yīng)變強化指數(shù)

應(yīng)變硬化指數(shù)n反映了板材成形過程中的形變硬化能力。n值越大，板材的局部應(yīng)變能力越強，總體成形極限越大。

在一定溫度下的應(yīng)變強化指數(shù)n可以在材料本構(gòu)方程式(2)的基礎(chǔ)上，由式(3)計算得到

圖6 應(yīng)變強化指數(shù)隨溫度變化趨勢Fig.6 Influence of temperature on strain hardening index at different strain rates

圖6為不同應(yīng)變速率下，5A06鋁合金應(yīng)變強化指數(shù)n隨溫度的變化趨勢圖。由圖可知，在應(yīng)變速率一定的情況下，隨著溫度升高，5A06鋁合金的強化指數(shù)逐漸降低，應(yīng)變強化作用不斷削弱。在溫度一定的情況下，隨著應(yīng)變速率的增大，n值增大，應(yīng)變強化作用加強。當(dāng)應(yīng)變速率為0.00055s－1，20℃下，硬化指數(shù)為0.32，而到300℃時硬化指數(shù)降低到0.016，幾乎降為零，應(yīng)變強化能力基本喪失?？傮w說來，降低幅度非常大。

2.3 應(yīng)變速率敏感系數(shù)

應(yīng)變速率敏感系數(shù)是指材料塑性變形時的流變應(yīng)力對于應(yīng)變速率的敏感性參數(shù)，即當(dāng)應(yīng)變速率增大時材料強化傾向的參數(shù)。

同樣，在一定溫度下的應(yīng)變速率敏感系數(shù)m可以在材料本構(gòu)方程式(2)的基礎(chǔ)上，由式(4)計算得到

圖7為5A06鋁合金應(yīng)變速率敏感系數(shù)m隨溫度的變化趨勢圖。從圖中可以看出，溫度對5A06的應(yīng)變速率敏感系數(shù)有極其重要的影響。當(dāng)溫度較低時，m值較小，在20℃時，m值幾乎為零，隨著溫度的逐漸升高，m值不斷增大，到300℃時增大到0.12，此時應(yīng)變速率敏感性明顯加強，材料的均勻變形的能力增強。因此為保證其成形性能，需要綜合考慮溫度和應(yīng)變速率對其成形性能的影響。

圖7 應(yīng)變速率敏感系數(shù)隨溫度變化趨勢Fig.7 Influence of temperature on strain rate sensitivity index at different strain rates

3 結(jié)論

(1)變形溫度對5A06鋁合金的流變應(yīng)力及抗拉強度有顯著影響，流變應(yīng)力及抗拉強度隨著變形溫度的升高而降低。

(2)在溫?zé)釥顟B(tài)下，5A06鋁合金斷后延伸率隨著溫度的升高而顯著提高，均勻延伸率隨著溫度的升高先升高后降低。

(3)5A06鋁合金的應(yīng)變強化指數(shù)隨著溫度的升高和應(yīng)變速率的降低而不斷減小，應(yīng)變速率敏感系數(shù)隨著溫度的升高而增大。為保證其成形性能，需要綜合考慮溫度和應(yīng)變速率對其成形性能的影響。

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