黃鳴東，吳 浩，王立娟，劉 成

(中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司，北京 102200)

鋁合金熱沖壓冷模具淬火技術(shù)是結(jié)合成形與成性的一體化工藝，其工藝過程是：首先將鋁合金板材進行充分的固溶處理，然后迅速轉(zhuǎn)移至冷模具中進行沖壓成形，隨即保壓淬火，最后對零件進行人工時效處理，獲得高強度零件[1-4]。相比于鋁合金冷沖壓成形，鋁合金熱沖壓成形技術(shù)可解決鋁合金高成形性與高強度不能同時滿足的矛盾，同時零件回彈小，零件精度高[5-8]。AA6111鋁合金是中高強Al-Mg-Si合金，以Mg2Si為強化相，是一種可熱處理強化鋁合金[9-10]。由于其室溫下成形性能較差，較難應(yīng)用于車身復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件中。而采用鋁合金熱沖壓成形可有效解決成形困難問題。研究AA6111鋁合金熱變形行為并建立高溫本構(gòu)模型，可為后續(xù)熱沖壓有限元模擬提供數(shù)據(jù)和理論依據(jù)[11-12]。

本項目在Gleeble-3500熱模擬試驗機對AA6111鋁合金進行成形溫度為425 ℃～525 ℃及應(yīng)變速率0.01/s～1.0/s的高溫拉伸試驗，結(jié)合流變應(yīng)力曲線及微觀組織觀察，分析成形溫度及應(yīng)變速率對AA6111鋁合金的高溫成形性能的影響規(guī)律，并建立了高溫本構(gòu)模型，用于描述AA6111鋁合金的高溫變形行為。

1 試驗材料與方法

試驗所用材料為中鋁瑞閩公司提供的1.5 mm厚AA6111鋁合金板材，其化學(xué)成分如表1所示。單軸熱拉伸試樣的幾何形狀及尺寸如圖1所示。采用線切割機將板材切割制成拉伸樣，試樣長度方向與板材軋制方向相同，并采用400# SiC砂紙將試樣輪廓打磨光滑。

表1 AA6111合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Composition of AA6111 aluminum alloy(wt/%)

試驗設(shè)備為Gleeble-3500熱模擬試驗機。結(jié)合鋁合金熱沖壓工藝流程，設(shè)計單軸熱拉伸試驗方案如圖2所示。首先將試樣以20 ℃/s的速率加熱到500 ℃，然后以5 ℃/s的速率加熱到固溶溫度555 ℃，保溫10 min。將試樣以10 ℃/s的速率降至變形溫度，保溫2 s使試樣溫度均勻。在恒定溫度和應(yīng)變速率下進行拉伸，試樣拉斷后快速冷卻處理，以保存其高溫狀態(tài)下的微觀組織。變形溫度為425 ℃、475 ℃和525 ℃，應(yīng)變速率為0.01 s-1、0.1 s-1和1.0 s-1。

圖2 熱模擬拉伸試驗方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of the thermal simulation tensile test

拉伸試樣變形后的微觀組織觀察與分析對于研究材料變形過程微觀組織演化與材料變形行為之間的內(nèi)在關(guān)系具有重要作用。微觀組織的觀察位置如圖3所示。

圖3 微觀組織觀察位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of observation position of microstructure

試樣經(jīng)過砂紙磨平、光亮之后，采用機械拋光方法對試樣表面進行拋光，直至表面無明顯劃痕。拋光好的試樣，采用keller′s試劑(2.5 mL HNO3+1.5 mL HCl+1 mL HF+95 mL H2O)進行腐蝕。然后用酒精擦拭干凈，吹干，分別對圖3所示試樣上A，B，C三位置進行組織觀察。其中A處為斷口附近的組織，B處為距離A處約4 mm左右的組織，該位置的變形量較大；C處為距離A處8 mm處的組織，該位置變形量較小。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

為了獲取真應(yīng)力-應(yīng)變曲線，將獲得的拉伸載荷-位移曲線分別采用如下公式進行處理。

ε=ln(1+ΔL/L0)

(1)

σ=σn(1+ΔL/L0)

(2)

式中：

ε—應(yīng)變；

L0—試樣原標(biāo)距；

ΔL—試樣伸長量；

σ—真實應(yīng)力；

σn—工程應(yīng)力。

獲得AA6111板材在425 ℃、475 ℃、525 ℃和0.01 s-1、 0.1 s-1、 1.0 s-1條件下拉伸真應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4所示。由圖可以看出，變形初期由于位錯的增值及其交錯作用，真應(yīng)力隨真應(yīng)變增加而迅速上升；達到峰值應(yīng)力后，隨著真應(yīng)變的增加，晶體內(nèi)回復(fù)軟化機制的發(fā)生使真應(yīng)力逐漸降低；當(dāng)真應(yīng)變達到一定值后，真應(yīng)力接近定值，此時材料的加工硬化與動態(tài)軟化達到了動態(tài)平衡。變形達到一定程度之后，材料發(fā)生頸縮，上述公式已不再試用，因此采用如圖虛線對真應(yīng)力-應(yīng)變曲線進行順延處理。

圖4 AA6111鋁合金板材不同溫度拉伸真應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 True stress-strain curves of AA6111 aluminum alloy sheet at different tensile temperatures

在同一變形溫度下，流變應(yīng)力的大小隨應(yīng)變速率的增大而明顯升高。分析其原因，認(rèn)為這是由于在高應(yīng)變速率下，材料內(nèi)部的位錯密度累積速率更高所致。由于位錯回復(fù)速率主要受溫度影響所致。同時還發(fā)現(xiàn)，在相同變形溫度下，試樣的失效應(yīng)變隨應(yīng)變速率增大而增大。

在同一應(yīng)變速率下，流動應(yīng)力隨變形溫度的升高而下降，表現(xiàn)為熱軟化現(xiàn)象。由圖還可以看出，在相同的應(yīng)變速率下，試樣的失效應(yīng)變隨變形溫度升高而略有降低。可見對于AA6111鋁合金，在較低成形溫度下以較高的應(yīng)變速率變形有利于提高材料的成形性。

2.2 微觀組織分析

圖5為成形溫度475 ℃、應(yīng)變速率0.01 s-1工藝條件下試樣不同位置的微觀組織。圖3所示試樣上的C處由于距離中心較遠，變形量較小，在固溶過程中發(fā)生了充分再結(jié)晶；B處組織為完全再結(jié)晶組織、在高溫下由于變形被拉長。從A處組織可以看出，AA6111鋁合金表現(xiàn)出良好的高溫成形性能，其斷口處材料被均勻拉伸，呈現(xiàn)纖維狀流線型組織，是典型的熱加工組織。

圖5 拉伸溫度475 ℃、應(yīng)變速率0.01 s-1工藝條件下試樣不同位置(圖3)的微觀組織Fig.5 Microstructure at different positions of samples (Fig.3) under tensile temperature of 475 ℃ and strain rate of 0.01 s-1

圖6為應(yīng)變速率為0.1 s-1，拉伸溫度分別為425 ℃、475 ℃、525 ℃下的試樣的B處微觀組織。從圖6可以看出，隨著變形溫度的升高，晶粒的拉長程度逐漸下降。采用Image Pro Plus軟件分別測量不同拉伸溫度下晶粒的長度方向尺寸。當(dāng)拉伸溫度為425 ℃時，晶粒的平均長度可達50.17 μm，且在拉伸方向上表現(xiàn)出明顯的均勻協(xié)調(diào)性；當(dāng)拉伸溫度升高至525 ℃時，晶粒的平均長度降低至35.10 μm，晶粒方向性沒有低拉伸溫度時的明顯。這與真應(yīng)力-應(yīng)變曲線結(jié)果相吻合，對于AA6111鋁合金，在較低的成形溫度下，具有較高的成形性能。

圖6 不同拉伸溫度下圖3試樣B位置的微觀組織(應(yīng)變速率0.1 s-1)Fig.6 Microstructure of position B of the specimen (Fig.3) at different tensile temperatures(strain rate 0.1 s-1)

3 本構(gòu)模型的建立

金屬中晶界滑移、位錯運動及擴散的開動受到熱激活能控制，高溫流變應(yīng)力受到應(yīng)變速率、變形溫度和應(yīng)變量的共同影響。通常情況下，隨著變形溫度升高，熱激活能力提高，擴散過程及位錯滑移能力增強，促使位錯的動態(tài)回復(fù)，減小流變應(yīng)力；應(yīng)變速率增大時，會導(dǎo)致位錯密度的增大，材料變形抗力升高，使得材料的流變應(yīng)力提高。目前常采用雙曲正弦Arrhenius方程來描述高溫變形過程中流動應(yīng)力、應(yīng)變速率及變形溫度三者之間的關(guān)系：

(3)

式中：

σ—流變應(yīng)力，MPa；

Q—熱變形激活能，kJ/mol；

n—應(yīng)力指數(shù)，是應(yīng)變速率指數(shù)的倒數(shù)，1/m；

T—絕對溫度，K；

R—氣體常數(shù)8.31 J/(mol·K)；

A和α—材料常數(shù)。

Zener和Hollmon提出并證實高溫變形過程中，應(yīng)力與應(yīng)變速率之間具有一定關(guān)系，即Z參數(shù)關(guān)系，用來表示溫度補償?shù)膽?yīng)變速率參數(shù)：

(4)

依據(jù)上述公式和，可以得到Arrhenius類型本構(gòu)方程最基本的方程，可以用來描述應(yīng)變率、流動應(yīng)力和溫度的關(guān)系，其表達式：

(5)

圖7 Arrhenius方程求解(真應(yīng)變0.2)Fig.7 Solution of Arrhenius equation(true strain 0.2)

由于Arrhenius本構(gòu)方程并沒有考慮應(yīng)變對應(yīng)力的影響，需要建立材料參數(shù)與應(yīng)變之間的關(guān)系，才能描述整套真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。本文采用多項式擬合的方式來描述材料參數(shù)σ、n、Q、lnA與應(yīng)變ε的關(guān)系，擬合效果及多項式公式如圖8所示。

圖8 材料參數(shù)的四階多項式擬合Fig.8 Fourth order polynomial fitting of material parameters

根據(jù)求解的激活能對求解的n值進行優(yōu)化，并求解材料常數(shù)A值。利用Arrhenius本構(gòu)方程預(yù)測得到不同溫度、應(yīng)變速率的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線，對比實驗值，如圖9所示。從圖9可知，通過Arrhenius方程結(jié)合四階多項式建立的本構(gòu)方程能夠很好地預(yù)測AA6111鋁合金在溫度425 ℃～525 ℃和應(yīng)變速率0.01 s-1～1.0 s-1下的流變應(yīng)力。

圖9 Arrhenius方程預(yù)測值(實線)與實驗值(符號)的對比Fig.9 Comparison of predicted values(solid line) and experimental values(symbol) of the Arrhenius equation

4 結(jié) 論

對AA6111鋁合金高溫變形行為進行研究并建立了高溫變形本構(gòu)模型，得到以下結(jié)論：

1)AA6111鋁合金具有良好的高溫成形性能，在較低成形溫度(如425 ℃)以較高的應(yīng)變速率(如1.0 s-1)下變形有利于提高材料的成形性。

2)AA6111鋁合金1.5 mm厚度板材在555 ℃保溫10 min內(nèi)可充分再結(jié)晶，在較低的成形溫度下再結(jié)晶組織表現(xiàn)出更加均勻的協(xié)調(diào)變形能力。

3)采用改進的Arrhenius方程及Zerilli-Armstrong模型構(gòu)建以溫度、應(yīng)變、應(yīng)變速率為變量的AA6111鋁合金流變應(yīng)力本構(gòu)模型，可較準(zhǔn)確描述AA6111鋁合金熱變形行為。