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        新淬火狀態(tài)2A12鋁合金的成形極限

        2018-06-22 11:19:52,,
        機(jī)械工程材料 2018年6期
        關(guān)鍵詞:板料淬火時(shí)效

        ,,

        (南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院,南京 210016)

        0 引 言

        鋁合金具有高的比強(qiáng)度和比剛度,是飛機(jī)的重要結(jié)構(gòu)材料,所用鋁合金件的質(zhì)量占飛機(jī)結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的60%~80%[1]。2A12鋁合金(化學(xué)成分近似于美國標(biāo)準(zhǔn)中的2024鋁合金)具有良好的塑性成形性能和機(jī)械加工性能,且其密度低、強(qiáng)度高,因此在航空制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[1]:主要用于制造飛機(jī)上的受力構(gòu)件,如機(jī)翼下壁板、機(jī)身蒙皮、隔框、翼肋等[2]。

        鋁合金制品大部分都需要經(jīng)過淬火、時(shí)效處理后才可以應(yīng)用,制品在淬火后會(huì)發(fā)生變形,因此需進(jìn)行校形。淬火后的制品在自然時(shí)效一段時(shí)間后,仍具備近似淬火狀態(tài)的優(yōu)良塑性。鋁合金板料在結(jié)束淬火處理后的一段時(shí)間里所處的尚未發(fā)生或完成時(shí)效硬化的一種不穩(wěn)定狀態(tài),稱為新淬火狀態(tài)。實(shí)際生產(chǎn)加工過程中,通常在鋁合金板料處于淬火狀態(tài)下進(jìn)行校形和加工。掌握板料在各種狀態(tài)下的成形性能,有利于對(duì)其進(jìn)行加工成形和有限元仿真模擬。目前,有關(guān)新淬火狀態(tài)下板料的成形性能及相關(guān)信息較少,在成形及有限元仿真模擬時(shí)均采用退火狀態(tài)下的工藝參數(shù)和成形極限來替代新淬火狀態(tài)下的,結(jié)果誤差較大。

        由成形極限圖(FLD)能得到變形時(shí)板料在平面內(nèi)的兩個(gè)主應(yīng)變聯(lián)合作用下,某一區(qū)域發(fā)生破裂或頸縮時(shí)的最大應(yīng)變?,F(xiàn)階段實(shí)際生產(chǎn)中普遍采用的是由KEELER等[3]和GOODWIN[4]提出的以極限應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的成形極限圖,這些成形極限圖為評(píng)價(jià)板料的成形性能以及處理板料成形中的問題提供了技術(shù)基礎(chǔ)和判斷依據(jù)。目前,我國研究人員已對(duì)鋁合金、鋼、高溫合金板料的成形性能進(jìn)行了研究并取得了一定的成果[5-8],例如對(duì)新淬火狀態(tài)的2D12變形鋁合金板料進(jìn)行了成形極限試驗(yàn)和有限元分析[9-10];對(duì)不同溫度7075-T6鋁合金進(jìn)行了成形極限試驗(yàn)研究,并得到了溫度對(duì)鋁合金成形性能的影響規(guī)律[11];從控制塑性變形能的角度,建立了板料的成形極限預(yù)測判據(jù)[12]。

        然而,相關(guān)手冊資料中有關(guān)2A12鋁合金的工藝數(shù)據(jù)僅局限于屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率,且數(shù)據(jù)大多是在退火狀態(tài)下測得的。為此,作者研究了新淬火狀態(tài)2A12鋁合金的成形極限。

        1 試樣制備與試驗(yàn)方法

        1.1 試樣制備

        試驗(yàn)材料為哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限公司提供的自然時(shí)效狀態(tài)下的2A12鋁合金板,厚度為1.0 mm,化學(xué)成分如表1所示。

        表1 2A12鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of 2A12 aluminum alloy (mass) %

        根據(jù)GB/T 15825.8-2008,采用改變試樣寬度、時(shí)效時(shí)間和潤滑條件的方法進(jìn)行脹形試驗(yàn),繪制成形極限圖,試驗(yàn)步驟如下。

        在數(shù)控銑床上沿軋制方向加工出如圖1所示的試樣,用粗、細(xì)砂紙打磨邊緣,保證過渡圓角處光滑、無毛刺。試樣的截面形狀有兩種,一種為中部稍窄、兩端稍寬的階梯形,另一種為長方形,長方形試樣的寬度b分別為100,120,140,160,180 mm。

        圖1 試樣的形狀和尺寸Fig.1 Shapes and size of specimens

        將不同形狀的試樣在溫度為(497±3) ℃的硝鹽槽中進(jìn)行淬火處理,保溫25 min,用溫度不高于30 ℃的水冷卻。冷透后的試樣在40~50 ℃的熱水槽中清洗,再在(100±5) ℃的試片爐中保溫(120±10) min,空冷。所有試樣進(jìn)行校形處理后,置于-17 ℃冷藏箱內(nèi)恒溫保存。

        將試樣從冷藏箱中取出,用專用鋁合金電解液通電腐蝕20 s,從而在試樣表面印制出直徑為5 mm的網(wǎng)格圓。試樣在室溫下分別自然時(shí)效10,20,30 min后,在Servo-Press 150型液壓伺服試驗(yàn)機(jī)上采用LDH凸模進(jìn)行脹形,凸模外徑為100 mm,運(yùn)動(dòng)速度為1.5 mm·s-1;潤滑方式分別為聚乙烯薄膜固體潤滑,油液體潤滑和無潤滑;成形過程由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制操作,試樣發(fā)生破裂或產(chǎn)生頸縮時(shí)設(shè)備自動(dòng)停止。

        圖2 網(wǎng)格圓的3種變形方式Fig.2 Three deformation modes of the grid circle

        在脹形之后網(wǎng)格圓主要發(fā)生3種變形,如圖2所示,圖中d0為初始網(wǎng)格圓的直徑,5 mm;d1,d2分別為變形后網(wǎng)格圓的長軸和短軸。在每個(gè)試樣破裂區(qū)的周圍選取3個(gè)完整的、變形程度較大的網(wǎng)格圓,使用Vispec影像測量儀測量網(wǎng)格圓的長軸和短軸,計(jì)算試樣的表面真實(shí)極限應(yīng)變,計(jì)算公式為

        ε1=ln(d1/d0)×100%

        (1)

        ε2=ln(d2/d0)×100%

        (2)

        式中:ε1為沿長軸方向的表面真實(shí)極限主應(yīng)變;ε2為沿短軸方向的表面真實(shí)極限次應(yīng)變。

        以ε1為橫坐標(biāo),ε2為縱坐標(biāo),繪制得到成形極限圖。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 宏觀形貌

        由圖3可知:在相同時(shí)效時(shí)間下,固體和液體潤滑條件下試樣的破裂或頸縮現(xiàn)象比無潤滑條件下的明顯;在相同潤滑條件下,時(shí)效時(shí)間短的試樣的破裂或頸縮現(xiàn)象更明顯。

        圖3 時(shí)效不同時(shí)間試樣在不同潤滑方式下脹形后的宏觀形貌Fig.3 Appearance of specimens aged for different time intervals after bulging with different lubrication methods

        圖5 時(shí)效不同時(shí)間后試樣的成形極限圖Fig.5 Forming limit diagrams of specimens aged for different time intervals

        2.2 成形極限圖

        在成形過程中,金屬薄板在達(dá)到分散性失穩(wěn)后,會(huì)持續(xù)一段時(shí)間的塑性變形,再發(fā)生集中性失穩(wěn)[13-14]。因此,可根據(jù)網(wǎng)格的分布將在一定條件下得到的成形極限圖分為安全區(qū)、臨界區(qū)和破裂區(qū)等3個(gè)區(qū)域。

        作者采集了試樣破裂處附近(如圖4所示)應(yīng)變最大的網(wǎng)格圓數(shù)據(jù),將這些數(shù)據(jù)代入式(1)和式(2),計(jì)算得到試樣的表面真實(shí)極限應(yīng)變,繪制成成形極限圖,如圖5所示。圖5中由真實(shí)應(yīng)變數(shù)據(jù)點(diǎn)所構(gòu)成的條帶形區(qū)域?yàn)榕R界區(qū),條帶形區(qū)域外上方為破裂區(qū),下方為安全區(qū)。

        圖4 臨界網(wǎng)格圓的選取Fig.4 Selection of critical mesh circles

        根據(jù)文獻(xiàn)[7-8,11,15],對(duì)新淬火狀態(tài)2A12鋁合金成形極限圖中的左半部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,右半部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行二次函數(shù)擬合,擬合公式分別為

        ε1=F0+aε2

        (3)

        (4)

        式中:F0為成形極限圖中上部分曲線的最高點(diǎn);F1為成形極限圖中下部分曲線的最低點(diǎn);a,b為系數(shù)。

        式(3)和式(4)體現(xiàn)了板料成形過程中的平面應(yīng)變狀態(tài),擬合得到的曲線見圖5。

        由圖5可以看出:ε1始終為正值,即試樣縱向始終為拉伸狀態(tài),ε2由負(fù)值逐漸變?yōu)檎?,說明試樣橫向由單向拉伸逐漸過渡到雙向拉伸狀態(tài);隨時(shí)效時(shí)間的延長,試樣的成形極限曲線保持形狀不變但向下移動(dòng),說明試樣的塑性逐漸降低,安全區(qū)越來越小。板料的加工成形應(yīng)在安全區(qū)內(nèi)進(jìn)行。淬火2A12鋁合金自然時(shí)效10 min時(shí)的塑性較好,因此其成形加工前的自然時(shí)效時(shí)間應(yīng)控制在10 min以內(nèi)。

        3 結(jié) 論

        (1) 對(duì)自然時(shí)效不同時(shí)間后得到的新淬火狀態(tài)2A12鋁合金在不同潤滑條件下進(jìn)行脹形試驗(yàn),得到不同時(shí)效時(shí)間下的成形極限圖;在脹形過程中試樣縱向始終為拉伸狀態(tài),橫向則由單向拉伸逐漸過渡到雙向拉伸狀態(tài)。

        (2) 隨時(shí)效時(shí)間的延長,試樣的成形極限曲線形狀基本保持不變,但曲線向下移動(dòng),說明試樣的塑性逐漸降低,成形安全區(qū)變小。

        (3) 試樣經(jīng)自然時(shí)效10 min時(shí)仍具有良好的成形性能,成形加工前的自然時(shí)效時(shí)間應(yīng)控制在10 min以內(nèi)。

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