（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京210016）

蠕變時(shí)效成形是一種將蠕變成形與時(shí)效強(qiáng)化相結(jié)合的金屬成形工藝。成形后的零件具有強(qiáng)度高，韌性好、耐疲勞和應(yīng)力腐蝕性能好的特點(diǎn)。因此，蠕變時(shí)效成形被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的航空制造工藝之一。典型的蠕變時(shí)效成形工藝包括彈性加載、蠕變時(shí)效和卸載回彈3個(gè)步驟[1-3]。在國(guó)外，這項(xiàng)工藝已獲得深入研究并已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。例如：BAE航空公司制造的Hawk飛機(jī)的上機(jī)翼板；灣流GIV的上機(jī)翼板；B-1B遠(yuǎn)程轟炸機(jī)和空客A330/A340客機(jī)的機(jī)翼制造都采用了該工藝。在國(guó)內(nèi)，該工藝的研究主要集中于各高校和科研院所，且處于基礎(chǔ)研究階段[1-3]。隨著我國(guó)大飛機(jī)項(xiàng)目的開展，該工藝迫切需要發(fā)展。

蠕變時(shí)效階段，強(qiáng)化相析出，使材料的微觀組織發(fā)生改變，材料的屈服強(qiáng)度發(fā)生相應(yīng)的變化。鋁合金的時(shí)效過程復(fù)雜，各合金系的時(shí)效序列不同，LY12鋁合金的蠕變時(shí)效微觀組織轉(zhuǎn)變研究較少。為獲取最佳材料性能，時(shí)效時(shí)間不能無(wú)限長(zhǎng)，因此，蠕變時(shí)效回彈不可消除。現(xiàn)有的建立回彈函數(shù)的試驗(yàn)方法，周期較長(zhǎng)，費(fèi)用較高。本文以飛機(jī)壁板廣泛采用的LY12鋁合金為對(duì)象，研究其蠕變時(shí)效過程的微觀組織演變特征。開發(fā)ABAQUS/CREEP，提出模擬研究蠕變時(shí)效回彈規(guī)律的方法。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用材料為軋制LY12鋁合金板材，厚度為2.0 mm，熱處理工藝為淬火和自然時(shí)效（CZ），其化學(xué)成分見表1。在加熱爐內(nèi)進(jìn)行固溶處理，固溶再結(jié)晶溫度為500℃，時(shí)間為1h[4]。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 2039—2012)[5]制備試樣，如圖1所示，在持久蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)上進(jìn)行蠕變拉伸試驗(yàn)。蠕變時(shí)效溫度分別為160℃、175℃、190℃和210℃，蠕變時(shí)效時(shí)間分別為0.5h、3h、6h、12h、18h和24h，蠕變應(yīng)力分別為150MPa、175MPa、200MPa和225MPa。透射樣品制備方法：樣品機(jī)械減薄至 0.08mm左右，然后進(jìn)行雙噴減薄。使用 JEM-2010F型透射電鏡進(jìn)行TEM 分析，加速電壓為 200 kV[6-8]。

表1 LY12化學(xué)成分表 %

圖1 蠕變拉伸試樣Fig.1 Creep tensile sample

2 結(jié)果與分析

2.1 蠕變時(shí)效強(qiáng)化機(jī)制

2.1.1 微觀組織變化

LY12鋁合金主要強(qiáng)化相為時(shí)效析出強(qiáng)化相Al2CuMg（S相）和不可溶解彌散相Al20Cu2Mn3（T相）。對(duì)溫度為190℃，應(yīng)力為200MPa下的蠕變樣品進(jìn)行TEM分析，研究LY12鋁合金不同時(shí)效處理階段的微觀組織的演變與強(qiáng)化機(jī)制。

（1）S相顆粒的TEM形貌觀察。

S相是LY12鋁合金的主要析出相，其形狀為板條狀，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，屬于熱力學(xué)穩(wěn)定相。S相一般與基體形成非共格界面，界面能較大，形核功較大。S'相形成時(shí)與基體完全或部分共格，界面能較小，形核功較小。因此析出相首先形成形核功較小的S'相作為過渡相，再演變?yōu)槠胶夥€(wěn)定相S相。S相在不同時(shí)效階段的變化過程如圖2所示。

圖2（a）為時(shí)效0.5h的TEM像，過飽和固溶體中的Cu和Mg原子從Al基體中不斷擴(kuò)散釋放出來，析出偏聚形成GP區(qū)，形狀呈蝶形薄片狀。

圖2（b）為時(shí)效3h的TEM像，Cu和Mg原子大量地?cái)U(kuò)散釋放出來，S'相開始形成，但其數(shù)量還是較少，S'相的形貌為板條狀，分布不均勻。同時(shí)出現(xiàn)大量黑色襯度的橢圓狀短線，類似于S'相的襯度，但并不完全等于S'相，它有明顯不同于基體襯度的薄片狀析出相結(jié)構(gòu)，寬度為2～4nm，厚度為1nm左右。

圖2（c）、2（d）、2（e）分別為時(shí)效6h、12h、18h的TEM像，主要為S'相的長(zhǎng)大過程。6h時(shí)S'相吸收鋁基體中的Cu、Mg原子，繼續(xù)長(zhǎng)大，其體積分?jǐn)?shù)也增大，但仍保持薄板狀。12h時(shí)S'相主要在寬度上有所長(zhǎng)大，厚度變化很小，說明了S'相在寬度方向上長(zhǎng)大的速度大于S'相在厚度方向上的增長(zhǎng)速度。18h時(shí)S'相數(shù)量與12h相比，寬度厚度明顯增加，其體積分?jǐn)?shù)也增大，但仍然保持薄板狀。

圖2（f）為時(shí)效24h的TEM像，是析出相的粗化過程（S相），析出相數(shù)量明顯減少，錯(cuò)綜復(fù)雜，相互纏結(jié)，表明合金已經(jīng)處于過時(shí)效階段。

圖2 S相演變特征Fig.2 Evolution characteristics of S facie

（2）T相顆粒的TEM形貌觀察。

圖3 T相演變特征Fig.3 Evolution characteristics of T facie

LY12鋁合金中T相顆粒是在均勻化熱處理過程中析出的，主要作用是在高溫?zé)崽幚砘蛘咝巫儫崽幚磉^程中阻礙晶界滑移，起到高溫強(qiáng)化作用。T相顆粒主要合金元素為Al、Cu和Mn，還有少量的Fe和Si元素。圖3（a）為固溶處理，圖3（b）為時(shí)效10min，圖3（c）為時(shí)效24h狀態(tài)下的T相圖，可知棒狀T相顆粒在時(shí)效階段很穩(wěn)定，時(shí)效狀態(tài)與均勻化熱處理過程的T相顆粒尺寸一致。如圖3（b）所示T相顆粒橫截面類似長(zhǎng)方形，其寬度大約為130nm，垂直于長(zhǎng)軸方向投影形狀為長(zhǎng)棒形，其長(zhǎng)度約為500nm。由圖3（c）可知T相在合金中的分布較為凌亂，并無(wú)明顯取向特征。

2.1.2 對(duì)屈服強(qiáng)度的影響

時(shí)效材料的屈服強(qiáng)度反映了析出相的強(qiáng)化作用和固溶量減少引起的弱化作用的綜合效果，如圖4所示。時(shí)效開始階段，材料的屈服強(qiáng)度隨著析出相的形核而逐漸增加（圖2（a））。隨著析出相數(shù)量上的增多及尺寸上的增大，母體中固溶量減少，這使得由過飽和固溶溶質(zhì)所誘發(fā)的強(qiáng)化作用減小。然而，此時(shí)析出相對(duì)整體屈服強(qiáng)度的強(qiáng)化作用要高于固溶量減少所引起的弱化作用，因此，整體屈服強(qiáng)度表現(xiàn)為隨時(shí)效時(shí)間繼續(xù)增強(qiáng)（圖2（b）、圖2（c）、圖2（d））。隨后，由固溶量減少所引起的弱化能力趨于平衡值，同時(shí)，析出相的厚度、寬度及密度達(dá)到最優(yōu)值，此時(shí)，屈服強(qiáng)度達(dá)到最大值（圖2（e））。隨著時(shí)效時(shí)間的繼續(xù)增加，析出相開始粗化（圖2（f）），析出相數(shù)量減小，間隙增大，這使得對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用減少，宏觀反應(yīng)為整體屈服強(qiáng)度的下降。

圖4 綜合機(jī)制Fig.4 Comprehensive mechanism

宏觀的屈服強(qiáng)度顯示了微觀位錯(cuò)的遷移程度，大量位錯(cuò)在沿滑移面的運(yùn)動(dòng)過程中，如果遇到障礙物（如析出相）的阻礙，會(huì)造成位錯(cuò)纏結(jié)，引起屈服強(qiáng)度的增大，障礙物的尺寸大小和間距共同決定了對(duì)位錯(cuò)的阻礙程度。獲取材料的最大屈服強(qiáng)度需合理控制時(shí)效機(jī)制，保證析出相在尺寸、數(shù)量和間距上達(dá)到最優(yōu)組合。

2.2 回彈函數(shù)

經(jīng)典本構(gòu)模型[9]為：

經(jīng)典本構(gòu)模型形式較簡(jiǎn)單、材料常數(shù)偏少、缺少材料內(nèi)應(yīng)力的描述項(xiàng)。為更好地描述蠕變時(shí)效過程，根據(jù)蠕變時(shí)效的變形特征，對(duì)經(jīng)典模型進(jìn)行修正并建立如下蠕變時(shí)效本構(gòu)模型

式中：A，B，C，m，n，材料常數(shù)；ε為應(yīng)變，%；σ為應(yīng)力，MPa；t為時(shí)間，h；σ0為內(nèi)應(yīng)力，MPa。

采用Matlab結(jié)合最小二乘法非線性多參數(shù)（麥夸特法(Levenberg-Marquardt)+通用全局優(yōu)化算法）對(duì)160℃、175℃、190℃和210℃的蠕變拉伸曲線進(jìn)行擬合，得到蠕變本構(gòu)方程中材料常數(shù)如表2所示。

將建立的非線性蠕變本構(gòu)方程（1）采用FORTRAN95語(yǔ)言開發(fā)為ABAQUS/CREEP。根據(jù)蠕變時(shí)效成形的工藝過程，取模型1/4建立有限元模型，如圖5所示。模具型面為單曲率圓柱面，采用解析剛體單元。板料采用S4R殼單元。對(duì)工裝型面進(jìn)行全約束，板料加對(duì)稱邊界條件，分別約束一個(gè)方向的位移和其余兩個(gè)方向的自由度約束。加載方式為氣壓均布載荷，大小為140MPa，線性加載。

表2 材料常數(shù)

圖5 有限元模型Fig.5 Finite element model

板料卸載回彈后，提取板料的曲率半徑，定義公式

式（3）中，R0為完全貼模時(shí)的曲率半徑，RN為蠕變時(shí)效N小時(shí)后卸載回彈的曲率半徑， ΔRN為曲率半徑差。式（4）中α為回彈率。

分析回彈時(shí)，在ABAQUS中新建一個(gè)分析模塊進(jìn)行回彈計(jì)算。將蠕變時(shí)效的分析結(jié)果導(dǎo)入該模塊，然后卸載回彈。設(shè)定LY12的彈性模量E=68600MPa（常溫卸載回彈）。將各條件下模擬的時(shí)效回彈結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到相應(yīng)的回彈關(guān)系式。

圖6為175℃，不同模具半徑下，回彈率隨保溫時(shí)間的變化曲線。由數(shù)據(jù)可知，回彈率隨保溫時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸降低，并趨于平衡值。在保溫時(shí)間一定時(shí)，回彈率隨模具半徑的減小而降低。試驗(yàn)研究得知[10]：回彈率與保溫時(shí)間的對(duì)數(shù)函數(shù)有線性相關(guān)性。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得關(guān)系式

圖7為模具半徑為500mm，不同時(shí)效溫度下，回彈率隨保溫時(shí)間的變化曲線。由數(shù)據(jù)可知，回彈率隨保溫時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸降低。在時(shí)效時(shí)間和模具半徑一定時(shí)，回彈率隨時(shí)效溫度的升高而降低。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得關(guān)系式

圖8為時(shí)效時(shí)間為6h，不同模具半徑下，回彈率隨時(shí)效溫度的變化曲線。由數(shù)據(jù)可知，回彈率隨時(shí)效溫度的增長(zhǎng)逐漸降低。在時(shí)效時(shí)間和時(shí)效溫度一定時(shí)，回彈率隨模具半徑的減小而降低。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得關(guān)系式：

圖6 回彈-保溫時(shí)間半徑關(guān)系（不同模具半徑）Fig.6 Relation between springback and holding time（different mould radii）

圖7 回彈-保溫時(shí)間關(guān)系圖（不同溫度）Fig.7 Relation between springback and holding time（different temperatures）

圖8 回彈-溫度關(guān)系Fig.8 Relation between springback and temperature

將同模具半徑的溫度/時(shí)間-回彈公式、同溫度的模具半徑/時(shí)間-回彈、同時(shí)間的溫度/半徑-回彈公式進(jìn)行統(tǒng)一回歸，構(gòu)造統(tǒng)一回彈函數(shù)：

文獻(xiàn)[10]采用剛性單曲率圓柱模具和機(jī)械加載的方式進(jìn)行了LY12的回彈研究。本文將公式（8）的計(jì)算值與文獻(xiàn)[10]中的蠕變?cè)囼?yàn)值對(duì)比，如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)對(duì)比

由表3知，回彈函數(shù)計(jì)算值和試驗(yàn)值較為接近，證明該函數(shù)模擬回彈精度較高。計(jì)算值與試驗(yàn)值存在一定誤差，誤差值分別為7.99%和5.44%。分析認(rèn)為：計(jì)算值是基于理想狀態(tài)進(jìn)行的，試驗(yàn)時(shí)在取放工件時(shí)會(huì)有熱量散失，同時(shí)很難將溫度一直控制在恒定理想狀態(tài)。

3 結(jié)論

（1）研究了LY12蠕變時(shí)效成形過程析出相的演變特征，其中S相隨時(shí)效過程形核、長(zhǎng)大和粗化，T相在整個(gè)時(shí)效過程較穩(wěn)定，隨機(jī)取向。合理控制析出相的尺寸、數(shù)量和間距，得到的最優(yōu)組合就是獲取材料最佳蠕變時(shí)效性能的必要條件。

（2）采用開發(fā)ABAQUS/CREEP的方法建立了蠕變回彈函數(shù)，驗(yàn)證結(jié)果表明計(jì)算精度較高。

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