2219鋁合金熱壓縮時的流變應力本構方程

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(中南大學1.輕合金研究院，2.高性能復雜制造國家重點實驗室，長沙 410083)

0 引 言

2219鋁合金屬于Al-Cu-Mn 系可熱處理強化合金，具有良好的低溫和高溫力學性能、斷裂韌性、焊接性能以及抗應力腐蝕能力等，廣泛應用于航空、航天等領域[1]，主要用于制造火箭箭體結構件和燃料貯箱封頭件。目前，我國主要采取冷旋壓技術對火箭燃料貯箱封頭進行整體加工成形，但成形后封頭容易出現起皺、開裂等變形不協調的現象。熱旋壓加工技術在降低材料變形抗力和提高材料塑性等方面具有獨特的優勢[2]，因此有必要研發制造大型鋁合金封頭件的熱旋壓加工工藝。

目前，國內外學者對2219鋁合金的研究主要集中在攪拌摩擦焊[3-4]、熱處理后的機械加工性能[5]、穩態蠕變本構方程[6]等方面，對其熱變形時的流變應力本構方程研究較少。當熱旋壓溫度超過350 ℃時，鋁合金板材軟化太嚴重，不利于對其進行加工。因此，作者對O態2219鋁合金在350 ℃及以下溫度進行高溫壓縮試驗，研究了該鋁合金在不同應變速率和變形溫度下的流變行為，建立了熱壓縮時的流變應力本構方程，為制定2219鋁合金的熱旋壓加工工藝提供理論依據。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為O態2219鋁合金板，由廣西南南鋁加工有限公司提供，其化學成分如表1所示。在鋁合金板上截取尺寸為φ7 mm×10.5 mm的圓柱體試樣，在Gleeble-3180型熱模擬試驗機上進行單道次熱壓縮試驗。試驗前將熱電偶焊接在試樣側面測試樣的溫度，以確保其溫度在試驗過程中保持不變；以5 ℃·s-1的升溫速率將試樣加熱到變形溫度(200，250，300，350 ℃)，保溫5 min后，分別以0.1，1.0，10.0 s-1的應變速率進行壓縮變形，總變形量為30%，總應變為0.36，壓縮變形結束后立即水冷到室溫。

表1 2219鋁合金的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical composition of 2219 aluminumalloy (mass) %

2 試驗結果與討論

由圖1可以看出：當應變速率相同時，2219鋁合金的流變應力隨著變形溫度的升高而減小，同時該鋁合金的壓縮屈服強度和抗壓強度降低，這是因為變形溫度越高，鋁合金抵抗變形的能力越弱；當變形溫度相同時，2219鋁合金的流變應力隨著應變速率的增大而增大，同時該鋁合金的壓縮屈服強度和抗壓強度也升高。在較大的應變速率下，晶粒無法在短時間內滑移，只能在原地做彈性擺動，且其擺動幅度隨應變速率的增大而增大[7]，而擺動幅度與應力、屈服強度和抗壓強度成正比；同時應變速率的增大使應變時間縮短，材料來不及軟化，從而產生應變速率硬化效應；另外，隨著壓縮的不斷進行，2219鋁合金產生應變硬化效應：因此，流變應力、屈服強度、抗壓強度均隨應變速率的增大而增大。

圖1 不同應變速率和變形溫度下2219鋁合金的真應力-真應變曲線Fig.1 Ture stress-true strain curves of 2219 aluminium alloy at different strain rates and deformation temperatures

3 流變應力本構方程的建立

由于2219鋁合金在熱壓縮過程中存在應變硬化和應變速率硬化現象，因此選用Fields-Backofen方程來描述其流變行為，其表達式為

(1)

式(1)中n的大小表明材料均勻變形能力的強弱，n越大，則材料的硬化效應越明顯，成形極限越高。對式(1)兩邊分別取自然對數，得到

(2)

圖2 不同變形溫度下n與的擬合曲線Fig.2 Fitting curves of n vs at different deformation temperatures

(3)

式中：A為應變速率對n的影響系數；B為變形溫度對n的影響系數。A，B的擬合結果如表2所示。

表2 不同變形溫度下A，B的擬合結果Tab.2 Fitting results of A and B at differentdeformation temperatures

由表2可以看出：不同變形溫度下的A相差不大，這表明應變速率對n的影響較小，因此A可取不同變形溫度下的平均值，即0.034。用Origin軟件擬合可知，B與溫度T呈近似線性關系，關系式為

B=-4.568e-4T+0.251

(4)

將A,B代入式(3),得到參數n的表達式為

(5)

圖3 不同變形溫度下lnσ與的擬合曲線Fig.3 Fitting curves of lnσ vs at different deformation temperatures

圖4 m和變形溫度間的關系曲線Fig.4 Relation curve of m vs deformation temperature

由圖4可以看出，m與變形溫度基本呈二次函數的變化規律，擬合得到m的表達式為

m=-2.35e-6T2+0.001 65T-0.216 57

(6)

由式(1)可推導出C的表達式為

(7)

(8)

式中：C1為應變速率對C的影響系數；C2為變形溫度對C的影響系數。

圖5 不同變形溫度下C和的擬合曲線Fig.5 Fitting curves of C vs at different deformation temperatures

擬合得到的C1，C2如表3所示。由表3可以看出，不同變形溫度下的C1相差較小。為簡化模型，C1取不同變形溫度下的平均值，即-7.48。用Origin軟件擬合得到C2與變形溫度基本呈線性關系，可以得到C2的表達式為

C2=-0.676 59T+316.276

綜上所述，2219鋁合金熱壓縮時的Fields-Backofen本構方程的3個參數的表達式分別為

(10)

m=-2.35e-6T2+0.001 65T-0.216 57

(11)

(12)

4 本構模型的驗證

將擬合得到的相關參數代入Fields-Backofen本構方程，計算得到應變速率分別為0.1，1.0，10.0 s-1和變形溫度分別為200，250，300，350 ℃下2219鋁合金的真應力-真應變曲線。由圖6可以看出，通過本構方程計算得到的應力的變化規律與試驗得到的相同。

圖6 計算得到2219鋁合金在不同應變速率和變形溫度下的真應力-真應變曲線Fig.6 Calculated true stress-true strain curves of 2219 aluminium alloy at different strain rates and deformation temperatures

為進一步驗證2219鋁合金熱壓縮本構方程的準確性，將試驗測得的應變速率為0.5 s-1、不同溫度下的真應力-真應變曲線與計算所得曲線進行對比。由圖7可以看出，應力計算值與試驗值的相對誤差小于5%，這說明該本構方程具有較高的準確性。

圖7 2219鋁合金在應變速率0.5 s-1和不同變形溫度下真應力-真應變曲線的計算結果和試驗結果的對比Fig.7 Comparison of calculated results and experimental results of true stress-true strain curves of 2219 aluminium alloy at different deformation temperatures and strain rate of 0.5 s-1

5 結 論

(1) 當應變速率相同時，變形溫度越高，2219鋁合金的流變應力、屈服強度、抗壓強度越低；當變形溫度相同時，應變速率越大，2219鋁合金的流變應力、屈服強度、抗壓強度越高。

(2) 由Fields-Backofen本構方程計算得到的2219鋁合金應力的變化規律與試驗得到的相同，且應力計算值與試驗值的相對誤差小于5%，該本構方程具有較高的精度。