5182铝合金热变形行为研究 | [PDF全文] |
随着我国经济的快速发展,环境污染问题和能源短缺问题日益突出.据统计,全球石油开采将在未来几十年内面临枯竭,而我国原油对外有很大的依赖,并且我国交通运输产业对石油产品的消耗占比超过50 %[1],而汽车轻量化是解决当前面临问题的有效途径[2-7].铝合金比重小,仅为2.68 g/cm是钢的0.3倍,同等弯曲刚度条件下,铝和钢的厚度比为1.43,可以减轻车身重量的43 %[8-10].近年来,奥迪、福特、捷豹、路虎等都采用了全铝车身框架设计[8],不仅如此,对在新能源汽车领域铝合金的应用比例更为可观,铝镁合金将成为汽车轻量化的主流材料[11, 12],而5XXX铝合金作为车身用的主流板材之一,其具有相当于普碳钢的强度,成形性以及抗腐蚀性能,人们对5XXX系和6XXX系等变形铝合金的组织演变规律已经进行了大量的研究[13-19],但实际加工过程中容易出现橘皮组织和吕德斯线等表面缺陷[20].采用动态材料模型构建合金的热加工图的方法已在铝、镁、铜、钛、钢等合金材料中得到广泛应用[21-26].对5182铝合金的热变形行为进行研究,旨在构建与之相对应的流变应力方程和热加工图,为实际生产提供理论支撑.
1 实验材料及方法先对合金板材进行均匀化退火,退火制度为470 ℃×10 h,再采用线切割的方法,制取高度为15 mm,直径为10 mm的压缩试样,合金成分见表 1.然后在MMS-100热模拟实验机上,以10 ℃/s的速度将温度升至300~500 ℃保温120 s,再依次对试样分别施加20 %、40 %、55 %的压缩量,变形速率控制在0.01~10 s-1范围,最后在水中淬火以保留变形组织.
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2 结果与讨论 2.1 5182铝合金真应力-真应变曲线
从图 1可以看出,5182合金在变形初期,随应变量的增加合金的流变应力增长迅速,这是由于加工过程中加工硬化占主导地位的缘故;而继续增大应变量会致使流变应力达到峰值后保持在某个固定值附近,原因是加工硬化和动态软化处于动态平衡状态. 图 1(a)中
由图 2可知,合金在400 ℃时,其流变应力随应变速率的增加而上升,此时有动态回复和动态再结晶的发生.值得指出的是,应变速率处于0.01~0.1 s-1时,合金具有充足的时间使得畸变能储存到一定程度来促使动态再结晶的发生;而在应变速率为10 s-1时,由于应变速率高而使材料在短时间内产生大量的应变储能,动态回复不能在短时间内抵消形变过程产生的加工硬化效应,从而导致“温升效应”的产生,进而促使动态再结晶的发生.
2.2 动力学分析
合金在高温条件下压缩,其流变应力σ很大程度上取决于变形温度T、应变速率
(1) |
式(1)中:
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应变速率一定的情况下有:
(2) |
令
根据Zener-Hollonmon参数
(3) |
根据表 2和式(2)作曲线(图 7)ln[sinh(ασ)]~lnZ求得参数A,数值详见表 3,获得合金的流变应力方程(式(4)),经验证,实验所得峰值应力和计算所得峰值应力误差小于10 %.可以很好的考证实验数据的准确性.
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(4) |
由动态材料模型(DMM)可知,若应变和温度一定,则流变应力与应变速率满足下列方程式:
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式(5)中,K、m均为常数,并且有:
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功率耗散效率η为:
(7) |
流变失稳判据:
(8) |
由图 8可知,ε=0.4条件下,合金的功率耗散效率与应变速率呈现应变速率越大而功率耗散效率越小的规律,并且在应变速率为0.01 s-1,温度达到450 ℃时,合金的功率耗散效率最高约为60 %,而功率耗散效率在不同应变速率条件下相差较大,即实际变形过程中消耗的能量相差较大.
由图 9可以看出,在ln
3 结论
1) 在温度升高、应变速率降低时,5182铝合金的流变应力逐渐减小;高温条件下,合金均会发生动态再结晶,而应变速率对其影响可以忽略;真应力-真应变曲线在高应变速率条件下会产生锯齿状波动.
2) 5182铝合金的流变应力方程为:
3) 处于420~500 ℃温度范围,低应变速率(0.01~0.1 s-1)条件下,真应变是0.4时,合金存在一个高功率耗散因子区域,并且η可超过41 %;应变速率为0.01~0.1 s-1时合金存在较大的安全加工区域,并且在450 ℃附近加工性能较好.
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