陳紀(jì)強(qiáng)，盤健進(jìn)，桑高峰

（廣西柳州銀海鋁業(yè)股份有限公司，廣西 柳州 545000）

熱壓縮變形試驗是一種被廣泛使用的試驗方法，主要用于在不同變形溫度、變形速率和變形量條件下利用熱力實驗?zāi)M裝置對小試樣的各種變形過程進(jìn)行模擬，可快速、準(zhǔn)確地獲得材料在試驗條件下性能和組織的變化規(guī)律，從而為實際生產(chǎn)中定制各種熱加工工藝提供準(zhǔn)確的參考依據(jù)[1，2]。目前，對5083 鋁合金熱壓縮模擬試驗的文章很多，但對熱壓縮試驗過程自身影響因素的研究較少[3]。本文通過采用DEFOM-3D 有限元模擬軟件模擬5083 鋁合金在變形溫度為400℃、應(yīng)變速率為0.13s-1、熱傳導(dǎo)時間分別為0s、0.5s、1s 以及1.5s 條件下的熱壓縮變形過程，研究了5083 鋁合金在熱壓縮時與壓縮模具之間的熱傳導(dǎo)對試樣形態(tài)、載荷力以及應(yīng)變分布的影響規(guī)律，為實際工業(yè)生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 試驗材料與方法

本試驗采用DEFORM-3D 數(shù)值模擬軟件進(jìn)行建模并對熱壓縮過程進(jìn)行有限元模擬。模擬試樣尺寸為Φ10×15mm，為減少計算量，選取圓柱體試樣的1/2 進(jìn)行模擬運算；兩端壓頭材料特征設(shè)定為剛性，壓縮試樣材料選用5083 鋁合金；試驗過程中一端固定，另一端以恒定應(yīng)變速率0.13s-1沿Z 向變形至50%（真應(yīng)變0.69）；分別選取均溫試樣與低溫模具接觸0s、0.5s、1s 以及1.5s 不同時間熱傳導(dǎo)后進(jìn)行熱壓縮模擬；為了使試驗更具有針對性，熱壓縮過程中不考慮摩擦因素的影響，且只考慮試樣與模具之間的熱傳導(dǎo)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 熱傳導(dǎo)時間對試樣形態(tài)的影響

如圖1 所示為5083 鋁合金在熱傳導(dǎo)時間分別為0s、0.5s、1s和1.5s 條件下以0.13s-1速度經(jīng)50%熱壓縮變形后試樣的最終形態(tài)。從圖1（a）可知，在最理想情況下，即不存在試樣與模具之間的熱傳導(dǎo)時，試樣熱壓縮變形均勻，無鼓肚現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)試樣與模具之間存在熱傳導(dǎo)時，試樣熱壓縮時產(chǎn)生變形不均勻，發(fā)生鼓肚現(xiàn)象。這是因為當(dāng)試樣與模具之間存在熱傳導(dǎo)時，試樣端面由于與模具接觸，形成端面低溫區(qū)，而此時心部溫度較高，使得試樣變形時兩端面被限制難于變形，也難以自由擴(kuò)展，而越靠近心部區(qū)域則限制越小，越容易發(fā)生變形，熱壓縮變形出現(xiàn)不均勻，同時由于變形時整個試樣體積不發(fā)生變化，這就必然導(dǎo)致中間尺寸大于兩端面，從而出現(xiàn)鼓肚現(xiàn)象[4，5]。隨著熱傳導(dǎo)時間的增加，試樣熱壓縮變形不均勻性減小，鼓肚現(xiàn)象越不明顯。這是因為隨著熱傳導(dǎo)時間的增加，試樣整體溫度均勻性趨于一致，端面溫度與中心溫度差逐漸減小，因此變形均勻性得到改善，鼓肚現(xiàn)象越不明顯。

圖1 不同熱傳導(dǎo)時間下試樣熱壓縮模擬結(jié)果

圖2 不同熱傳導(dǎo)時間對載荷力的影響

2.2 熱傳導(dǎo)時間對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響

如圖2 所示為5083 鋁合金在熱傳導(dǎo)時間分別為0s、0.5s、1s和1.5s 條件下載荷力隨模具行程的變化。從圖2 可知，隨著熱傳導(dǎo)時間的增加，載荷力也不斷增大，即熱傳導(dǎo)對載荷力影響較大，表明試樣與模具之間熱傳導(dǎo)時間越長，熱壓縮變形時應(yīng)力-應(yīng)變曲線結(jié)果越不準(zhǔn)確。這是因為當(dāng)試樣與模具之間存在熱傳導(dǎo)時，試樣溫度會不斷降低，而溫度越低，5083 鋁合金的變形抗力越大，對應(yīng)的模具載荷力也必須隨著增加。因此，在進(jìn)行熱壓縮模擬試驗時，需保證試樣與模具溫度的均勻性以減少對載荷力的影響。

2.3 熱傳導(dǎo)時間對應(yīng)變的影響

圖3 不同熱傳導(dǎo)時間下試樣的應(yīng)變分布圖

如圖3 所示為5083 鋁合金在熱傳導(dǎo)時間分別為0s、0.5s、1s和1.5s 條件下試樣縱截面的應(yīng)變分布圖。試樣與模具之間的熱傳導(dǎo)對應(yīng)變分布有很大的影響。從圖3（a）可知，在熱傳導(dǎo)為0的理想條件下，試樣各區(qū)域的應(yīng)變量都相同，且與初始設(shè)置的名義應(yīng)變量一致均為0.69，在圖中表示為青色區(qū)域。當(dāng)試樣與模具之間存在熱傳導(dǎo)時，應(yīng)變分布開始出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，從端面到心部逐漸變大，且名義應(yīng)變集中在1/4 高度區(qū)域，如圖3（b）所示。隨著熱傳導(dǎo)時間的增加，熱壓縮變形的不均勻性得到改善，試樣兩端部的低變形區(qū)域減小，名義區(qū)域增加。這是因為熱傳導(dǎo)時間較短時，試樣上下兩端面與模具接觸而溫度降低較快，此時心部溫度較高，熱壓縮變形主要發(fā)生在變形抗力較低的心部。隨著熱傳導(dǎo)時間的增加，試樣整體的溫度趨于一致，變形抗力也趨于一致，從而導(dǎo)致熱壓縮變形趨于均勻。

3 結(jié)論

（1）5083鋁合金熱壓縮時，當(dāng)試樣與模具之間存在熱傳導(dǎo)時，試樣熱壓縮時產(chǎn)生變形不均勻，發(fā)生鼓肚現(xiàn)象，隨著熱傳導(dǎo)時間的增加，試樣熱壓縮變形不均勻性減小，鼓肚現(xiàn)象越不明顯。

（2）5083 鋁合金熱壓縮時，熱傳導(dǎo)對載荷力影響較大，表明試樣與模具之間熱傳導(dǎo)時間越長，熱壓縮變形時應(yīng)力-應(yīng)變曲線結(jié)果越不準(zhǔn)確。

（3）5083 鋁合金熱壓縮時，當(dāng)試樣與模具之間存在熱傳導(dǎo)時，應(yīng)變分布開始出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，從端面到心部逐漸變大，且名義應(yīng)變速率和應(yīng)變集中在1/4 高度區(qū)域，隨著熱傳導(dǎo)時間的增加，熱壓縮變形的不均勻性得到改善，試樣兩端部的低變形區(qū)域減小，名義區(qū)域增加。