6066鋁合金熱擠壓變形行為研究*

強 華，徐尊平

(1.重慶人文科技學院機電與信息工程學院，重慶401524；2.西南大學材料與能源學部，重慶400715)

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6066鋁合金熱擠壓變形行為研究*

強 華1，徐尊平2

(1.重慶人文科技學院機電與信息工程學院，重慶401524；2.西南大學材料與能源學部，重慶400715)

采用有限元技術模擬了6066鋁合金熱擠壓過程，系統分析了擠壓比和摩擦系數對鋁合金變形區的流動行為、應變分布及擠壓載荷的影響，并通過實驗研究了擠壓參數對鋁合金的組織及力學性能的影響。結果表明：擠壓比對材料變形區的應變的影響較大，隨擠壓比的增大，材料的塑性應變很快增大，晶粒細化越明顯，合金的抗拉強度和延伸率也顯著提高。隨摩擦系數的增大，材料的塑性應變及擠壓載荷越大，應變分布的均勻性變差。

6066鋁合金 熱擠壓 組織 力學性能

0 引言

6066鋁合金屬于Al-Mg-Si系合金，具有較高的強度和良好的塑性，在工程結構中具有廣泛的應用前景。隨著高速列車的快速發展，對車體材料的性能要求也越來越苛刻， 如何提高鋁合金的綜合力學性能已成為研究的熱點。已有研究表明，經熱塑性變形后，材料的晶粒得到細化，使材料的綜合力學性能得到大大提高[1-3]。然而影響擠壓變形過程的因素較多，不同的變形工藝對樣品性能的影響也很大[4-6]。利用有限元模擬技術，模擬6066鋁合金在不同的擠壓比和不同的摩擦系數時材料的變形行為，分析擠壓參數對材料的應變及擠壓載荷的影響規律，然后通過組織觀察及拉伸試驗研究擠壓對鋁合金的微觀組織及力學性能的影響關系[7-9]。

1 有限元模擬參數的設定

假設材料屈服后的應力—應變關系為等向非線性強化模型，其應力—應變關系為：

(1)

擠壓溫度設為360℃，坯料尺寸為φ20 mm×25 mm，擠壓比分別取4∶1、25∶1和50∶1三種情況，凸模擠壓速度為2.5 mm/s，摩擦系數f分別取0.05、0.1和0.2。對各種情況下鋁合金的變形行為及擠壓載荷進行了系統分析，得出了它們之間的影響規律。

在擠壓過程中，考慮到有些區域變形很大，網格變形嚴重，所以需要對此部位劃分較細的網格。在擠壓過程模擬中不考慮應變速率及摩擦生熱對材料性能的影響。

2 模擬結果與分析

2.1 擠壓比的影響

在摩擦系數f= 0.05時，擠壓比對合金變形區的等效塑性應變如圖1所示。從圖中可以看出，鋁合金坯料在模具出口附近的等效塑性應變值最大，這是由于受模具內壁的摩擦阻礙及模具底部的形狀的限制，坯料外側的流動速度明顯低于坯料中部的流動速度。在靠近模具出口的端面處，擠壓坯料具有明顯的材料靜止區域(死區)。可以通過優化模具幾何形狀及選擇恰當的擠壓速度來控制材料的靜止區域，從而提高材料的擠壓效果。擠壓比從4∶1增大到25∶1，坯料的最大等效塑性應變值從2.664增大到4.621且坯料的等效塑性應變呈現不均勻地增大。

圖1 坯料的等效塑性應變

2.2 摩擦系數的影響

圖2 摩擦系數對擠壓載荷和應變的影響

擠壓比為25∶1時，摩擦系數對擠壓載荷的影響如圖2所示。由圖2可以看出，隨摩擦系數的增加，擠壓載荷和坯料的塑性應變均呈增大趨勢。由于摩擦的存在，坯料與模具接觸的邊緣部分受到阻礙，坯料邊緣與中部的相對流動速度增大，使得材料中的最大應變值增大且變形增大呈現不均勻性。可通過降低材料與模具之間的摩擦來減小擠壓載荷，延長模具的壽命并獲得均勻的塑性變形。

3 實驗結果與分析

3.1 金相組織

圖3為鋁合金擠壓前后的金相組織，從圖中可以看出，擠壓比越大鋁合金晶粒的細化程度越大。擠壓前，鑄態鋁合金的晶粒尺寸約為100 μm～200 μm(圖3(a))，隨擠壓比的增大，晶粒尺寸呈減小趨勢且晶粒大小更為均勻。在擠壓比為50∶1時，平均晶粒尺寸約為3 μm。這是由于在熱擠壓過程中發生了動態再結晶而導致晶粒細化，晶粒細化的趨勢與仿真模擬的結果一致。

圖3 鋁合金的金相組織

3.2 拉伸斷口

圖4 拉伸斷口

在擠壓比為25∶1時，6066鋁合金拉伸斷口形貌如圖4所示。從圖中可以看出，斷口上有大小不等的橢圓形韌窩，可以判斷其斷裂方式為微孔聚集斷裂，因此該狀態下鋁合金具有較大的延伸率。

3.3 力學性能

圖5 擠壓比對6066鋁合金力學性能的影響

圖5為擠壓前后鋁合金的力學性能。從圖中可以看出，熱擠壓顯著提高了合金的力學性能。隨擠壓比的增加，坯料的變形程度越大，晶粒更加細化且晶粒大小更為均勻，同時擠壓也增加了材料的位錯密度，從而提高了材料的強度。此外，當晶界滑移現象發生時，小尺寸晶粒的滑動和轉動能更好地協調變形，從而提高了材料的變形能力，使得其塑性也得到提高。

4 結論

基于ANSYS軟件對6066鋁合金的熱擠壓過程進行了有限元模擬，并通過金相觀察和拉伸性能分析得出以下結論：

1)熱擠壓細化了鋁合金的晶粒尺寸，顯著提高了其力學性能。

2)6066鋁合金對擠壓比較敏感，隨擠壓比的增大，鋁合金的變形程度大大提高，晶粒明顯細化且大小更為均勻，合金的抗拉強度和延伸率都得到顯著提高。

3)摩擦系數對6066鋁合金的變形行為也有較大的影響，隨摩擦系數的增大，鋁合金的等效塑性應變和擠壓載荷都呈增大趨勢，且應變的均勻性變差。

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Hot extrusion deformation of 6066 aluminum alloy

QIANG Hua, XU Zunping

In this study, we simulated the hot extrusion process of 6066 aluminum alloy with finite element method, and analyzed the influence of extrusion ratio and friction factor on the flow, the strain distribution and the extrusion load of the deformation area. Through metallographic structure observation and tensile property analysis, we studied the influence of extrusion parameters on the structure and mechanical properties of aluminum alloy. The results showed that the extrusion ratio had greater influence on the deformation area. With the increase of the extrusion ratio, the plastic strain increased, the grains became more refined, and the tensile strength and the elongation of the alloy improved significantly. With the increase of the friction factor, the plastic strain and the extrusion load increased, and the strain distribution became less even.

6066 aluminum alloy, hot extrusion, structure, mechanical properties

TG397

A

1002-6886(2016)05-0088-03

重慶市教委科學技術資助項目(KJ1501601)。

強華(1976-)，女，陜西寶雞人，副教授，碩士，研究方向：機械制造。

2016-03-25