葛永成，徐雪峰，張杰剛

（1.東南大學成賢學院，南京 210088；2.南昌航空大學航空制造工程學院，南昌 330063；3.首都航天機械公司，北京 100076）

0 引 言

鋁合金具有密度低、比強度高、成形性好、資源豐富、成本低廉等特點，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。其中，5083鋁合金因具有中等強度和良好的加工性能、焊接性能及耐腐蝕性能而大量用于航空航天、汽車、輪船等的構(gòu)件［1－4］。然而，由于這些構(gòu)件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成形精度高，采用常規(guī)塑性成形方法難以達到要求；若能對其超塑性加以利用，則有可能克服其在低溫下成形難的缺點，同時可以擴大其應(yīng)用范圍并且降低制造成本。徐雪峰等［5－6］采用恒應(yīng)變速率、恒速度等拉伸方法研究了5083鋁合金在不同溫度下的超塑性，但目前還未見采用應(yīng)變速率循環(huán)法研究其超塑性的報道。另外，拉伸試樣的表面粗糙度對其超塑性也有一定的影響，鑒于此，作者分別采用應(yīng)變速率循環(huán)法［7－9］、恒速度法和恒應(yīng)變速率法對具有不同粗糙度的5083鋁合金進行了高溫拉伸試驗，研究了溫度、拉伸方式以及表面粗糙度對其超塑性的影響，為以后制定5083鋁合金的加工工藝與有限元模擬提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗用5083鋁合金板的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）為4.7%Mg，1.86%Mn，0.04%Cu，0.09%Si，0.21%Fe，0.05%Zn，余 Al。

在450，475，500 ℃下，在 SANS-CMT4104型微機控制電子萬能試驗機上分別采用應(yīng)變速率循環(huán)法、恒速度法、恒應(yīng)變速率法進行拉伸試驗。電子萬能試驗機主要由計算機、加熱爐、拉伸機和溫度控制儀4部分組成，高溫電爐為垂直對開型，發(fā)熱體為電熱絲，加熱范圍為330～1 200℃，采用五段控溫，爐體為不銹鋼雙壁結(jié)構(gòu)，其中通入循環(huán)水冷卻，以保證爐殼的溫度不超過80℃，采用控溫儀精確測溫和控溫，控溫精度為±2℃；拉伸機的有效拉伸長度為400mm。試樣的形狀及尺寸如圖1所示，采用線切割機將板料沿軋制方向加工成標準試樣，部分試樣經(jīng)過打磨制成光滑試樣，其粗糙度Ra＝0.2μm，其余為線切割面粗糙的試樣，切割面粗糙度Ra＝0.8μm，試樣的厚度為2.5mm。夾持部分可方便固定于拉伸機夾頭上，并自動調(diào)整對中。

拉伸試驗前先將爐溫升至指定溫度，待爐溫達到后將試樣放入爐中，保溫8min使試樣均勻受熱。拉伸前，賦予試樣一定的預(yù)緊力，以避免夾頭在拉伸初始階段出現(xiàn)空載情況，試驗參數(shù)設(shè)置如下。

（1）應(yīng)變速率循環(huán)法：開始階段以初始速率0.8mm·min－1拉伸，運行10s后以最大應(yīng)變速率（1×10－2s－1）進行拉伸，應(yīng)變速率每隔2s減小Δ˙ε、運行半周期（半周期為5min）至最小應(yīng)變速率（1×10－4s－1）；然后又以 Δ˙ε增大，運行半周期至最大應(yīng)變速率，就這樣往復(fù)循環(huán)進行試驗直到試樣拉斷。將應(yīng)變速率區(qū)間轉(zhuǎn)換為對數(shù)數(shù)據(jù)后，根據(jù)需要進行處理（在半個循環(huán)周期內(nèi)，可以采集151個數(shù)據(jù)），此過程由設(shè)計好的計算機程序控制。

（2）恒速度法：拉伸速度分別為0.5，1.0，1.5，2.0mm·min－1。

（3）恒應(yīng)變速率法：應(yīng)變速率分別為1×10－4，5×10－4，1×10－3，5×10－3，1×10－2s－1。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 溫度對伸長率的影響

圖1 拉伸試樣的形狀和尺寸Fig.1 Shape and size of the tensile samples

由表1可知，試樣經(jīng)應(yīng)變速率循環(huán)法拉伸后的最佳變形溫度為475℃，最大伸長率為131%；經(jīng)恒速度法和恒應(yīng)變速率法拉伸后的最佳變形溫度均為500℃，其最大伸長率分別為108%和149%。試樣在三種拉伸方式下均呈現(xiàn)出了一定的超塑性。此外，雖然經(jīng)應(yīng)變速率循環(huán)法拉伸后試樣的伸長率介于恒速度法和恒應(yīng)變速率法之間，但其最佳變形溫度卻比它們的都低，這提高了應(yīng)變速率循環(huán)法在實際中應(yīng)用的可能性。

表1 表面粗糙試樣在不同拉伸方式下的伸長率Tab.1 Elongation of the surface coarse samples in different tensile methods %

2.2 拉伸方式對拉伸曲線的影響

由圖2可知，在采用應(yīng)變速率循環(huán)法拉伸時，最大拉伸載荷隨著溫度的升高而下降，真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線呈鋸齒狀波動，這是由應(yīng)變速率在一定范圍內(nèi)循環(huán)變化造成的。在拉伸初始階段之后，試樣以最大應(yīng)變速率進行拉伸，此時變形劇烈，晶體畸變造成的硬化作用明顯，導致拉伸載荷、流變應(yīng)力上升；隨著拉伸的進行，應(yīng)變速率每隔一定的時間（2s）減小Δ˙ε，變形程度緩慢，晶體動態(tài)再結(jié)晶造成的軟化作用大于晶體畸變造成的硬化作用，拉伸載荷、流變應(yīng)力不斷下降；當應(yīng)變速率達到最小值時，流變應(yīng)力出現(xiàn)應(yīng)力波谷；之后，應(yīng)變速率進入下一個循環(huán)周期，如此往復(fù)，直到試樣被拉斷。

另由圖2～4可以看出，與恒速度、恒應(yīng)變速率法相比，應(yīng)變速率循環(huán)法的拉伸曲線沒有應(yīng)變硬化與軟化動態(tài)平衡的階段。

2.3 線切割面粗糙度對伸長率的影響

圖2 應(yīng)變速率循環(huán)法拉伸曲線Fig.2 Tensile curves in the strain rate cycling method：（a）load-displacement curves and（b）true stress-true strain curves

圖3 恒速度法真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線Fig.3 True stress-true strain curves for through the constant velocity method

圖4 恒應(yīng)變速率法真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線Fig.4 True stress-true strain curves in the constant strain rate method

圖5 不同拉伸方式下的伸長率Fig.5 Elongation in different tensile methods：（a）the constant velocity method；（b）the constant strain rate method and（c）the strain rate cycling method

由圖5可知，在三種拉伸方式下，線切割面粗糙試樣的伸長率均遠低于線切割面光滑試樣的；且隨著溫度的升高，兩種試樣伸長率之間的差異變大。這是因為線切割面粗糙試樣的應(yīng)力集中比較明顯，在拉伸過程中易產(chǎn)生裂紋，在高溫拉伸時，由于試樣原子更活躍，細小的裂紋即可使原子間裂紋迅速擴散，從而使得它與光滑試樣在高溫區(qū)的伸長率差異較大。

2.4 顯微組織

由圖6可見，原始試樣中的初生α相呈粗大的長條狀，且在β基體上有許多細小的次生α相；在450℃和475℃拉伸后時，原始組織中初生的長條狀α相已經(jīng)開始消失并趨于變短、變粗，呈等軸球狀。因溫度升高使原始組織中條狀α相發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，晶粒出現(xiàn)細化、等軸化，在超塑性變形過程中產(chǎn)生應(yīng)力松弛，提高了超塑性。在500℃拉伸后，晶粒的等軸化更加明顯，這是其伸長率升高的重要原因。

3 結(jié) 論

（1）5083鋁合金采用應(yīng)變速率循環(huán)法、恒速度法、恒應(yīng)變速率法拉伸后，其最大伸長率分別為131%，108%，149%，分別對應(yīng)的最佳變形溫度為475℃，500℃，500℃；應(yīng)變速率循環(huán)法的最大伸長率介于恒速度法和恒應(yīng)變速率法之間，但其最佳變形溫度卻比這兩者的均低，提高了在其在實際中應(yīng)用的可能性。

圖6 原始試樣和不同溫度下應(yīng)變速率循環(huán)拉伸斷口的顯微組織Fig.6 Microstructure of the original sample（a）and the fracture of the samples after tension with strain rate cycling method at different temperatures（b－d）

（2）采用三種方式拉伸后，線切割面粗糙試樣的最大伸長率均遠低于線切割面光滑試樣的。

（3）采用應(yīng)變速率循環(huán)法拉伸時，隨著變形溫度的升高，5083鋁合金的原始長條狀組織逐漸斷裂并變短，最后變成等軸組織。

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