熱傳導對5083 鋁合金熱壓縮試驗變形行為影響的有限元模擬研究

陳紀強，盤健進，桑高峰

（廣西柳州銀海鋁業股份有限公司，廣西 柳州 545000）

熱壓縮變形試驗是一種被廣泛使用的試驗方法，主要用于在不同變形溫度、變形速率和變形量條件下利用熱力實驗模擬裝置對小試樣的各種變形過程進行模擬，可快速、準確地獲得材料在試驗條件下性能和組織的變化規律，從而為實際生產中定制各種熱加工工藝提供準確的參考依據[1，2]。目前，對5083 鋁合金熱壓縮模擬試驗的文章很多，但對熱壓縮試驗過程自身影響因素的研究較少[3]。本文通過采用DEFOM-3D 有限元模擬軟件模擬5083 鋁合金在變形溫度為400℃、應變速率為0.13s-1、熱傳導時間分別為0s、0.5s、1s 以及1.5s 條件下的熱壓縮變形過程，研究了5083 鋁合金在熱壓縮時與壓縮模具之間的熱傳導對試樣形態、載荷力以及應變分布的影響規律，為實際工業生產提供參考依據。

1 試驗材料與方法

本試驗采用DEFORM-3D 數值模擬軟件進行建模并對熱壓縮過程進行有限元模擬。模擬試樣尺寸為Φ10×15mm，為減少計算量，選取圓柱體試樣的1/2 進行模擬運算；兩端壓頭材料特征設定為剛性，壓縮試樣材料選用5083 鋁合金；試驗過程中一端固定，另一端以恒定應變速率0.13s-1沿Z 向變形至50%（真應變0.69）；分別選取均溫試樣與低溫模具接觸0s、0.5s、1s 以及1.5s 不同時間熱傳導后進行熱壓縮模擬；為了使試驗更具有針對性，熱壓縮過程中不考慮摩擦因素的影響，且只考慮試樣與模具之間的熱傳導。

2 試驗結果與分析

2.1 熱傳導時間對試樣形態的影響

如圖1 所示為5083 鋁合金在熱傳導時間分別為0s、0.5s、1s和1.5s 條件下以0.13s-1速度經50%熱壓縮變形后試樣的最終形態。從圖1（a）可知，在最理想情況下，即不存在試樣與模具之間的熱傳導時，試樣熱壓縮變形均勻，無鼓肚現象發生。當試樣與模具之間存在熱傳導時，試樣熱壓縮時產生變形不均勻，發生鼓肚現象。這是因為當試樣與模具之間存在熱傳導時，試樣端面由于與模具接觸，形成端面低溫區，而此時心部溫度較高，使得試樣變形時兩端面被限制難于變形，也難以自由擴展，而越靠近心部區域則限制越小，越容易發生變形，熱壓縮變形出現不均勻，同時由于變形時整個試樣體積不發生變化，這就必然導致中間尺寸大于兩端面，從而出現鼓肚現象[4，5]。隨著熱傳導時間的增加，試樣熱壓縮變形不均勻性減小，鼓肚現象越不明顯。這是因為隨著熱傳導時間的增加，試樣整體溫度均勻性趨于一致，端面溫度與中心溫度差逐漸減小，因此變形均勻性得到改善，鼓肚現象越不明顯。

圖1 不同熱傳導時間下試樣熱壓縮模擬結果

圖2 不同熱傳導時間對載荷力的影響

2.2 熱傳導時間對應力-應變曲線的影響

如圖2 所示為5083 鋁合金在熱傳導時間分別為0s、0.5s、1s和1.5s 條件下載荷力隨模具行程的變化。從圖2 可知，隨著熱傳導時間的增加，載荷力也不斷增大，即熱傳導對載荷力影響較大，表明試樣與模具之間熱傳導時間越長，熱壓縮變形時應力-應變曲線結果越不準確。這是因為當試樣與模具之間存在熱傳導時，試樣溫度會不斷降低，而溫度越低，5083 鋁合金的變形抗力越大，對應的模具載荷力也必須隨著增加。因此，在進行熱壓縮模擬試驗時，需保證試樣與模具溫度的均勻性以減少對載荷力的影響。

2.3 熱傳導時間對應變的影響

圖3 不同熱傳導時間下試樣的應變分布圖

如圖3 所示為5083 鋁合金在熱傳導時間分別為0s、0.5s、1s和1.5s 條件下試樣縱截面的應變分布圖。試樣與模具之間的熱傳導對應變分布有很大的影響。從圖3（a）可知，在熱傳導為0的理想條件下，試樣各區域的應變量都相同，且與初始設置的名義應變量一致均為0.69，在圖中表示為青色區域。當試樣與模具之間存在熱傳導時，應變分布開始出現不均勻現象，從端面到心部逐漸變大，且名義應變集中在1/4 高度區域，如圖3（b）所示。隨著熱傳導時間的增加，熱壓縮變形的不均勻性得到改善，試樣兩端部的低變形區域減小，名義區域增加。這是因為熱傳導時間較短時，試樣上下兩端面與模具接觸而溫度降低較快，此時心部溫度較高，熱壓縮變形主要發生在變形抗力較低的心部。隨著熱傳導時間的增加，試樣整體的溫度趨于一致，變形抗力也趨于一致，從而導致熱壓縮變形趨于均勻。

3 結論

（1）5083鋁合金熱壓縮時，當試樣與模具之間存在熱傳導時，試樣熱壓縮時產生變形不均勻，發生鼓肚現象，隨著熱傳導時間的增加，試樣熱壓縮變形不均勻性減小，鼓肚現象越不明顯。

（2）5083 鋁合金熱壓縮時，熱傳導對載荷力影響較大，表明試樣與模具之間熱傳導時間越長，熱壓縮變形時應力-應變曲線結果越不準確。

（3）5083 鋁合金熱壓縮時，當試樣與模具之間存在熱傳導時，應變分布開始出現不均勻現象，從端面到心部逐漸變大，且名義應變速率和應變集中在1/4 高度區域，隨著熱傳導時間的增加，熱壓縮變形的不均勻性得到改善，試樣兩端部的低變形區域減小，名義區域增加。