基于DIC的鋁合金6016成形極限試驗研究

陳天明，嚴大偉，李娟

(南京航空航天大學，江蘇 南京 210016)

0 引言

汽車車身是汽車中用材量及質量最大的部件，約占汽車總質量的30%，所以汽車車身的輕量化對于減輕汽車自重具有重要意義[1-2]。鋁合金具有質輕、耐蝕、比強度高、易加工、表面美觀及回收成本低等諸多優點，汽車內外板用鋁合金板代替傳統使用的鋼板可使整車減重10%左右，可見其減重效果十分顯著[3]。系統研究鋁合金的成形性能，大規模應用鋁合金進行汽車覆蓋件的成形具有重要意義。Mahabunphachai等人[4]研究了鋁合金高溫成形性能的預測，并對結果進行了有限元模擬。盈亮等[5]對6016的烘烤性能進行了詳細的研究，總結出最佳烘烤強化的溫度和時間。葛麗麗等[6]研究了6016鋁合金的高溫力學性能和成形極限。李彥波等用多元回歸的方法對6016鋁合金的FLD0進行了擬合，建立了FLD0的新公式。以上研究為本文提供了有益的借鑒，但以上對成形極限和力學性能的測試都是通過傳統的網格坐標的方法測量的，精度和效率都不高。

數字圖像相關法(digital image correlation，DIC)是一種全場動態視覺測量方法，具有非接觸、精度高、受環境影響小、自動化程度高等優點，克服了坐標網格法的不足，并逐步在板料成形應變檢測中得到應用。Pires等[7]采用數字圖像相關法，對A5052鑄造鋁合金的成形性能進行了研究。Zhang[8]等在AA5086成形極限試驗中應用了DIC技術，并將試驗結果與基于M-K模型的有限元數值模擬結果進行了對比。DIC在金屬材料的成形性能研究的應用越來的越廣泛。

結合DIC設備對6016鋁合金的成形極限和力學性能進行精確測量，并與不同屈服條件下理論推導得到的成形極限進行對比，找出相對準確的預測方法。

1 AA6016-T4鋁合金基本力學性能

按照最新國家標準GB/T228.1-2010，分別沿板材 0°、45°及 90°軋制方向截取拉伸試樣。按照 GB/T5027—2007 和GB/T5028—2008 標準測定應變強化系數n、塑性應變比r，以上試驗均遵照 GB/T228—2002 金屬拉伸室溫試驗法進行單向拉伸試驗測定。AA6016-T4鋁合金的基本力學性能如表1所示。

表1 AA6016的力學性能

2 FLD的理論計算

2.1 Swift和Hill失穩極限

板材在沖壓成形的塑性變形過程中，由于塑性變形不能穩定地進行，往往會導致板材的起皺或者拉裂。拉伸失穩是板材成形失效的最主要方式，因此關于這方面的理論有很多，其中最有代表性的是Swift的分散性頸縮失穩理論和 Hill 的集中性頸縮失穩理論。

將在Hill48屈服準則下的等效應力式帶入Swift分散性失穩準則，得到在Hill48下的Swift失穩極限。

式中：ε1——主應變；

ε2——次應變；

r0——0°方向的各向異性指數；

r90——90°方向的各向異性指數；

n—— 硬化指數。

帶入Hill集中性失穩準則得到在Hill48下的Hill失穩極限。

2.2 基于Hill79屈服準則的極限計算

將Hill79屈服準則下的等效應力帶入到Hill集中性失穩準則，得到在Hill79下的失穩極限:

將Hill79屈服準則下的等效應力帶入到Swift分散性失穩準則，得到在Hill79下的失穩極限：

當σ1>σ2>0，m為大于1的材料參數可以通過以下求得：

式中：σ0為抗拉強度，MPa；σs為屈服強度，MPa。

2.3 基于keeler公式的成形極限計算

根據keeler公式：

t≤ 2.5時，FLD0=(23.3+14.13t)×n/0.2

2.5≤t≤5.5時，FLD0=(20+20.67t-1.94t2)×n/0.2

t>5.5時，FLD0=75.13×n/0.21

式中t為試樣厚度，mm。

3 FLD的實驗獲得

實驗室用的材料AA6016由西南鋁業提供，通過單向拉伸實驗得到其基本力學性能見表1。材料的厚度為1 mm。試件參考ISO 12004-2: 2008( GB /T 24171. 2-2009) 標準經線切割制備而成。試件表面噴涂黑、啞光白漆形成黑白相間的散板圖案，作為數字圖像相關法匹配和跟蹤被測件表面變形的特征。

板料成形采用Nakazima實驗法，即半球剛性凸模脹形實驗。通過改變試件的寬度使其側向約束改變，從而得到從單拉到等雙拉的成形極限。潤滑采用先在試件和沖頭之間涂上潤滑脂的方法，再給沖頭和試件之間貼上硅膠墊。將試件安裝到成形極限上，對中并夾緊后，啟動實驗機的同時開啟相機，采集不同寬度試件在成形過程不同時刻的圖像(不同變形狀態)。成形極限機的沖頭速度設為1mm/s，壓邊力設置為250kN，相機采集頻率為15幀。

通過aramis軟件的flc功能生成材料在不同寬度下的成形極限處的主應變，如圖1所示；通過flc功能生成對應的flc曲線如圖2所示。

圖1 不同寬度的AA6016試樣在ARAMIS 軟件上的極限應變云圖

圖2 服從Hill48屈服準則

4 理論計算和實驗的對比

將基本力學性能帶入到Hill和Swift失穩極限公式中，就可以求得材料的各種屈服準則和失穩準則下的極限應變值。計算出各種條件下的極限應變值后，將這些極限應變點(ε1，ε2)繪制在ε1-ε2坐標系中，并且擬合成一條光滑的曲線就得到6016鋁合金在常溫下的成形極限圖(FLD)。其中圖3是材料服從Hill48屈服準則，且分別服從Swift分散性失穩準則和Hill集中性失穩準則的相應FLD；圖4是材料服從Hill79屈服準則，且分別服從Swift分散性失穩準則和Hill集中性失穩準則的相應FLD。

圖3 服從Hill79屈服準則

在單向拉伸應力狀態和靠近單向拉伸的平面拉伸應力狀態時，運用Hill集中性失穩理論來求解極限問題；在等雙拉伸應力狀態和靠近等雙拉伸的平面拉伸應力狀態時，運用Swift分散性失穩理論來求解極限問題。因此將兩者合并而成形得到完整的FLD，如圖4所示。滿足keeler公式的FLD如圖5所示。由DIC設備測量得到的實驗的FLD曲線如圖6所示。將上述曲線在一張圖中描述，如圖7所示。

圖4 服從兩種屈服準則的完整FLD

圖5 滿足Keeler經驗公式的FLD

5 結語

1) DIC設備測量得到的6016鋁合金的FLC曲線位于由Keeler公式預測的FLC曲線的下方，并且有較大的誤差，左側的誤差率在16%左右，右側的誤差比較大，但總體趨勢大體一致。

2) DIC設備測量得到的6016鋁合金的FLC曲線位于由Hill48和Hill79預測的FLC曲線的上方，并且有較大的誤差，左側的誤差率分別是34%和36%,右側的誤差在18%左右，總體趨勢大體一致。

圖6 實驗測得的FLD

3) 在使用理論預測6016鋁合金的FLC時候，無論是Keeler還是Hill48或Hill79都無法做到準確預測，但是采用Hill48或Hill79預測的結果比較安全。

4) keeler公式得到的曲線相對更加接近實驗數據，但是其右側部分和實驗數據趨勢相差較大，表明keeler公式并不適用于鋁合金的預測。

參考文獻:

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