陳婕 盧駿瑞 周法璀

摘要：鋁合金是一種強(qiáng)度高、密度低的輕合金材料，已經(jīng)被廣泛運(yùn)用到汽車制造、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域。鋁合金具有多種類型，經(jīng)過(guò)熱處理后呈現(xiàn)的狀態(tài)也存在差異，這就需要提高其塑性成形能力，諸多國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了相關(guān)研究。本文搜集了5052鋁合金應(yīng)變力的相關(guān)研究，對(duì)其在熱連軋、熱壓縮、熱拉伸實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下的流應(yīng)變力進(jìn)行研究、總結(jié)。

關(guān)鍵詞：5052鋁合金;流變應(yīng)力;研究綜述

隨著制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的推進(jìn)、科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，鋁合金的應(yīng)用價(jià)值不斷被發(fā)掘出來(lái)，使得鋁合金應(yīng)用領(lǐng)域得到了拓展。從材料屬性上看，鋁合金本質(zhì)強(qiáng)度較高、密度較低，且擁有良好的耐腐蝕、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能，十分便于加工成適用于不同領(lǐng)域的板材、管材和型材，如車輛交融、建筑設(shè)計(jì)等。5052鋁合金屬是形變鋁合金的一種，是非熱處理類的強(qiáng)化防銹鋁，是5xx系合金的典型代表。在鋁合金材料長(zhǎng)期推廣、應(yīng)用和發(fā)展下，由于5052鋁合金材料的優(yōu)良屬性，其被廣泛運(yùn)用于低溫容器制造、鋁制集裝箱的側(cè)板。相較于低碳鋼，其成型性能較差。在國(guó)內(nèi)外的研究中，諸多學(xué)者對(duì)處于熱軋、熱變形的組織特性進(jìn)行了深入研究，關(guān)于“高溫變形的流變應(yīng)力”的研究文獻(xiàn)較少。流變應(yīng)力，是某種金屬材料處于高溫變形狀態(tài)呈現(xiàn)出的基本特性，往往容易受到合金本身化學(xué)成分，以及變形程度和溫度的影響，反映了微觀角度下變形體內(nèi)部組織演變。當(dāng)下，金屬熱加工工藝、金屬塑性變形的相關(guān)研究都極為重要。本文立足塑性加工力學(xué)的需求，對(duì)流變應(yīng)力值的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)行梳理、分析和總結(jié)，為加工制造領(lǐng)域計(jì)算精度的提高提供參考。

一、鋁合金的研究發(fā)展

5xxx系鋁合金屬是變形鋁合金，其中主要添加了元素鎂，同時(shí)，為了提高其適應(yīng)不同生產(chǎn)場(chǎng)景的能力、各項(xiàng)性能，需要將少量的Cr、Mn金屬融入其中，根據(jù)不同加工任務(wù)的需求也會(huì)混合一定的雜質(zhì)，如Cu、Zn、Si、Fe等。從5xxx系鋁合金特點(diǎn)看，其作為變形鋁合金擁有中等強(qiáng)度，十分適用于航天、造船等行業(yè)領(lǐng)域，是船用的必備材料。伴隨鎂含量的增加，5xxx系鋁合金的強(qiáng)度也會(huì)不斷變大，但其耐蝕性能會(huì)被削弱。自從20世紀(jì)初，船艦制造中就引入了5xxx系鋁合金屬材料。隨著鋁合金技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)際上出現(xiàn)了不同型號(hào)的5xxx系鋁合金板材、鋁合金擠壓型材。當(dāng)前，關(guān)于5xxx系鋁合金流應(yīng)變力的研究較少，主要是通過(guò)采取不同實(shí)驗(yàn)方法研究成形過(guò)程中的流變應(yīng)力。

二、基于熱連軋的5052流應(yīng)變力

在王衛(wèi)衛(wèi)（2012）的研究中，其認(rèn)為影響鋁熱連軋工藝的重要參數(shù)是鋁板帶的溫度，主要體現(xiàn)在溫度分布均勻性上，會(huì)給鋁合金材料力學(xué)性能、微觀組織、尺寸精度，以及如何合理分配軋機(jī)負(fù)荷帶來(lái)影響。在國(guó)內(nèi)的熱連軋生產(chǎn)線上，很難精準(zhǔn)地把控軋件溫度計(jì)算等基礎(chǔ)部分。在具體生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)，主要運(yùn)用既定的解析法進(jìn)行建模，通過(guò)簡(jiǎn)化大量的真實(shí)軋制條件，在不同步驟的溫度計(jì)算上難以達(dá)到較高精度，十分容易在變工藝、變品種軋制中出現(xiàn)誤差。為了提高鋁板材自主制造水平、滿足工藝研究的需求，他圍繞軋制過(guò)程鋁板溫度的計(jì)算模型進(jìn)行研究。在采用的實(shí)驗(yàn)技術(shù)方法上，有仿真分析、有限元反算、實(shí)驗(yàn)研究、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證等，對(duì)經(jīng)過(guò)15道工序的軋件溫度場(chǎng)變化，以及軋件溫度場(chǎng)與不同傳熱方式的關(guān)系進(jìn)行了研究。其研究主要包括以下幾點(diǎn)：其一，利用熱脈沖法、DSC實(shí)驗(yàn)法，搜集了基于溫度變化狀態(tài)下5052鋁合金的熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱;接著，通過(guò)開展熱模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)處于不同工況下的5052鋁合金的流變應(yīng)力進(jìn)行研究，圍繞周紀(jì)華模型構(gòu)建流變應(yīng)力本構(gòu)模型，并對(duì)5052鋁合金變形抗力與應(yīng)變速率、變形溫度的相關(guān)性進(jìn)行分析。其二，其基于彈塑性學(xué)、傳熱學(xué)理論，通過(guò)使用Fortran語(yǔ)言二次開發(fā)MARC軟件，借此進(jìn)行了5052鋁合金熱連軋熱力耦合有限元模型的構(gòu)建。在經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)試后，引入有限元反算法，對(duì)接觸換熱系數(shù)中不同系數(shù)初始值進(jìn)行了明確;然后，通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練、正交試驗(yàn)對(duì)不同系數(shù)的數(shù)值進(jìn)行精確。其三，對(duì)乳化液、空冷、摩擦生熱、接觸傳熱、塑性變形與軋件溫度場(chǎng)的相關(guān)性規(guī)律進(jìn)行研究，并得出了實(shí)驗(yàn)結(jié)論，對(duì)溫度場(chǎng)影響程度最大的是塑性變形熱、接觸傳熱，乳化液冷卻次之，帶來(lái)影響最小的是空冷散熱和摩擦生熱。最后，學(xué)者在對(duì)5052鋁板熱連軋現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者在平均誤差、溫差分別為0.78%、3.74°C，達(dá)到了良好的吻合度。這一研究通過(guò)實(shí)證證明了此實(shí)驗(yàn)的建模方法、溫度計(jì)算模型可靠性較強(qiáng)，為其他鋁合金型號(hào)的熱連軋溫度預(yù)測(cè)提供了借鑒。

三、基于熱壓縮的5052流應(yīng)變力

在鄭玉林、陳文敬等（2007）的研究中，他們主要使用了Gleeble1500熱模擬機(jī)，開展基于高溫的圓柱體軸對(duì)稱單次壓縮試驗(yàn)，圍繞5052鋁鎂合金進(jìn)行流變應(yīng)力的系統(tǒng)化研究，主要是使其處于高溫變形狀態(tài)下，對(duì)流變應(yīng)力與變形速率、變形溫度的相關(guān)性進(jìn)行分析，對(duì)5052鋁合金材料的相關(guān)數(shù)值進(jìn)行求解，并總結(jié)回歸分變形抗力模型，為熱加工工藝向合理化發(fā)展提供借鑒。在具體研究中，他們主要使用的是自鑄的5052鋁合金，在化學(xué)成分構(gòu)成上為Al-2.2Mg-0.2Cu-0.09Mn（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）。將材料置于空氣爐中后，以480℃的溫度進(jìn)行均勻化熱處理，選取48小時(shí)的保溫時(shí)長(zhǎng)，在爐溫下降至100°C后，將其取出進(jìn)行室內(nèi)降溫。其后，對(duì)經(jīng)過(guò)均勻化處理的原材料，對(duì)其進(jìn)行加工壓縮，得到10mm×15mm尺寸精度的Rastegaev壓縮樣品，并運(yùn)用Gleeble1500熱模擬機(jī)進(jìn)行高溫壓縮實(shí)驗(yàn)，將速率保持在恒應(yīng)變狀態(tài)。在開展壓縮實(shí)驗(yàn)前，將75%石墨、5%硝酸三甲苯脂分別填充至圓柱材料的兩端的凹槽內(nèi)，對(duì)夾頭處的摩擦對(duì)應(yīng)力進(jìn)行控制。在實(shí)驗(yàn)中，將溫度保持在300—500℃，壓縮變形量、應(yīng)變速率分別為60%、0.001—10S-1，再利用內(nèi)電阻實(shí)現(xiàn)加熱功能，使得加熱速度達(dá)到1℃/s-1，在變形前使其保持5分鐘的保溫狀態(tài)。通過(guò)利用熱模擬機(jī)設(shè)備，結(jié)合位移速度、位移、自動(dòng)控制溫度等條件，對(duì)真應(yīng)力、真應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，將采集的數(shù)據(jù)繪制成真應(yīng)力一真應(yīng)變曲線。通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作后發(fā)現(xiàn)，在處于0.1s-1應(yīng)變速率時(shí)，應(yīng)變速率和變形溫度分別為0.01和0.001、420—500℃，在變形溫度處于300—500℃區(qū)間時(shí)，5052鋁合金的熱壓縮變形出的峰值應(yīng)力較為明顯，體現(xiàn)出連續(xù)性動(dòng)態(tài)再結(jié)晶特征;在其他變形工況下，則具有穩(wěn)態(tài)流變特點(diǎn)，在處于特定應(yīng)變速率和溫度下，在真應(yīng)變大于特定數(shù)值后，真應(yīng)力不會(huì)伴隨真應(yīng)變額增大出現(xiàn)明顯，變化，呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)回復(fù)特征;在等應(yīng)變速率狀態(tài)下，真應(yīng)力伴隨溫度升高和降低，在處于統(tǒng)一變形溫度時(shí)，真應(yīng)力程度升高，隨應(yīng)變速率增加。

四、基于熱拉伸的5052流應(yīng)變力

林啟權(quán)教授、王曉偉等（2019）對(duì)5052鋁合金板材進(jìn)行研究，他們使用了Instron3369電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，對(duì)板材的斷口形貌、力學(xué)性能，以及板鍛造成形工藝技術(shù)對(duì)有實(shí)心凸起結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)形件進(jìn)行深入研究。首先，為獲取不同溫度、應(yīng)變速率下的5052鋁合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線，選用了鋁合金薄板進(jìn)行熱拉伸實(shí)驗(yàn)，板材的厚度為2mm。在對(duì)處于不同工況、條件下的5052鋁合金板材進(jìn)行熱拉伸實(shí)驗(yàn)后得出應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過(guò)運(yùn)用以Zener-Hollomon為參數(shù)的Arrhenius雙曲正弦關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)5052鋁合金的熱拉伸流變應(yīng)力行為的描述，得到了162.72kJ/mol的變形激活能數(shù)值和流應(yīng)變力本構(gòu)方程。

其次，通過(guò)運(yùn)用SEM等手段實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀觀察，他們主要分析了在不同溫度指數(shù)、應(yīng)變速率下的5052鋁合金斷口形貌。通過(guò)實(shí)踐結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在低溫狀態(tài)下對(duì)材料進(jìn)行拉伸變形時(shí)，材料試樣上會(huì)出現(xiàn)深度較淺、尺寸較小的韌窩，出現(xiàn)在大量韌窩旁邊的是不規(guī)整的撕裂棱，在拉伸變形溫度上升的同時(shí)，各個(gè)韌窩的尺寸、深度也會(huì)向大面積擴(kuò)展。在對(duì)處于應(yīng)變速率為0.1s-1進(jìn)行拉伸時(shí)，表面的撕裂棱部分呈不規(guī)則、不平整狀態(tài)，且斷口處的韌窩較深，韌窩尺寸會(huì)伴隨應(yīng)變速率下降而增大。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在材料試樣處于低應(yīng)變速率、高溫狀態(tài)下，其韌窩長(zhǎng)大、聚集產(chǎn)生于拉伸斷裂前，這樣就形成了塑性強(qiáng)、較大的韌窩，使得成形能力得到了提高。由此表明，應(yīng)變速率和溫度對(duì)5052鋁合金形變具有一定影響。

再者，在搜集鋁合金熱拉伸的流變模型的相關(guān)參數(shù)后，他們將其輸入到DEFROM有限元軟件平臺(tái)，以軟件模擬形式分析帶有凸起結(jié)構(gòu)的圓筒件，對(duì)摩擦條件、成形溫度、工藝參數(shù)和凸起幾何結(jié)構(gòu)與成形性能的相關(guān)性進(jìn)行研究。得出的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，處于不同溫度狀態(tài)下，在板料和凸模間摩擦系數(shù)不斷提高的同時(shí)，凸起半徑和圓角半徑會(huì)不斷增大，且實(shí)心材料凸起的程度不斷變大，有效提高了凸起的成形性，實(shí)心凸起鍛造成形的最大凸起值出現(xiàn)在673K狀態(tài)下;在背壓邊力、壓載荷提高的同時(shí)，加快了材料在成形中的流動(dòng)性，凸起高度也隨之增大。

通過(guò)上述研究發(fā)現(xiàn)，其構(gòu)建的熱拉伸本構(gòu)方程，可以精準(zhǔn)地描述鍛造成形凸起過(guò)程，且十分符合5052鋁合金熱成性性能的仿真需要。在成功建構(gòu)5052鋁合金流變應(yīng)力模型的前提下，他們對(duì)板鍛造成形數(shù)值進(jìn)行有限元仿真處理，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)有限元仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，且處于673K條件下板鍛造成形的5052鋁合金實(shí)心凸起成形性能較強(qiáng)。

五、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)采用不同實(shí)驗(yàn)方法的5052鋁合金流應(yīng)變力進(jìn)行研究，能夠?yàn)橄嚓P(guān)行業(yè)提高工藝性能、計(jì)算精準(zhǔn)度，促進(jìn)加工制造領(lǐng)域獲得發(fā)展提供借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]林啟權(quán)，王曉偉，董文正，等.5052鋁合金熱拉伸流變應(yīng)力及實(shí)心凸起板鍛造成形研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，50（11）：2695-2702.

[2]王曉偉.5052鋁合金板熱拉伸流變應(yīng)力及實(shí)心凸起板鍛造成形性研究[D].湘潭大學(xué)，2019.