熱處理參數(shù)對鋁合金塑性成形性能分析

馮超，徐家亮，劉二強

熱處理參數(shù)對鋁合金塑性成形性能分析

馮超1，徐家亮1，劉二強2

（1.臺州科技職業(yè)學院 機電與模具工程學院，浙江 臺州 318020；2.太原科技大學 應用科學學院，太原 030024）

研究溫度升高對鋁合金塑性成形性能的影響，分析高溫條件下鋁合金塑性成形性能。搭建鋁合金試樣試驗裝置并控制相應溫度，對鋁合金進行單向拉伸試驗和金相試驗，記錄鋁合金的變形溫度，分析其塑性成形性能。采集鋁合金試驗數(shù)據(jù)后，引用Zener–Hollomon參數(shù)模型，設置試驗流程以及參數(shù)，設置不同數(shù)值的高溫條件。當變形溫度大于250 ℃時，鋁合金的伸長率大于100%。當變形溫度為150～250 ℃時，5A02鋁合金的真實應力–應變變化過程屬于動態(tài)恢復型，而當變形溫度大于250 ℃時，流變應力過程存在明顯的軟化現(xiàn)象。在形變處理過程中，鋁合金試樣延伸過程產(chǎn)生了彈性變形、塑性變形、裂紋萌生擴展過程，鋁合金在高溫條件下變形時，應變速率和變形溫度對伸長率的影響較大。

高溫條件；鋁合金；塑性成形；單向拉伸試驗；金相試驗；應力?應變

鋁合金材料密度小，具有良好的耐沖擊性、耐疲勞性，被廣泛應用到多種制造領域中。加熱處理是鋁合金制作過程所必須的工藝，在鋁合金材料制備過程中，不同溫度下的制造工藝會產(chǎn)生不同物理性質(zhì)的鋁合金材料[1-3]。合金材料在不同的溫度環(huán)境下，屈服強度以及伸長率均不相同，且塑性變形量不同，塑性變形量影響了鋁合金在制作過程中的成形性能。大多數(shù)高溫環(huán)境承載構件的失效是由高溫、高壓作用引起的高溫塑性變形所致。不同金屬材料的組織、化學成分和熱物理性能都存在著較大的差異，因此其高溫塑性變形性能的高低也不盡相同。例如，低合金鋼和不銹鋼之間的高溫塑性變形性能存在很大的差異。鑒此，研究金屬材料的高溫塑性變形特性就顯得尤為重要。

鋁合金的比強度高、質(zhì)量輕、流動性好、充型能力強、耐蝕性好、熔點低，廣泛用于拖拉機、機車零部件、電子產(chǎn)品、醫(yī)療器械、建筑裝飾等行業(yè)。鋁合金有優(yōu)良的延展性，在日用品行業(yè)及食品行業(yè)得到大量使用。在輸送電力領域，鋁合金制作的導線成本低、質(zhì)量輕、抗腐蝕性能好、傳熱及導電性好、抗磨，因而越來越受到人們的重視[4-6]。國內(nèi)探析鋁合金塑性成形過程起步較晚，研究主要集中在利用金屬間產(chǎn)生的磁脈沖壓進行焊接，基于順序耦合的方式分析鋁合金沖壓處理數(shù)值變化的情況，通過實驗數(shù)據(jù)分析合金成形變換過程中產(chǎn)生的塑性變化等[7-9]。經(jīng)階段性的應用探索可知，高溫條件下塑性變化的鋁合金會受到外部環(huán)境的影響，成形性能分析過程可能會產(chǎn)生數(shù)值誤差。為此，分析高溫條件下鋁合金塑性成形性能具有一定的研究意義。

1 試驗

1.1 材料

采用熱處理狀態(tài)的鋁合金（5A02–O以及5A02–T4）作為研究對象，鋁合金的化學成分如表1所示。在表1所示的合金配料下，搭建鋁合金試樣試驗裝置，組裝熱模擬拉伸夾具。

表1 5A02–O及5A02–T4合金化學成分

1.2 搭建試驗裝置

試驗裝置選用Gleeble–3800熱成形模擬機對鋁合金進行熱處理，并在熱處理過程中維持恒溫狀態(tài)，組裝形成的熱拉伸夾具如圖1所示。

圖1 搭建的熱模擬單向拉伸裝置

考慮到合金試件會產(chǎn)生拉伸力，在圖1所示的模擬拉伸裝置內(nèi)放置一個電阻率最小的金屬導片，控制熱模擬拉伸裝置的輸出拉力恒定[10]。拉伸裝置安置完畢后，準備型號為Zwick 2030的電子萬能試驗機，利用其內(nèi)置的激光引伸計獲取鋁合金的金相，電子萬能實驗機如圖2所示。

圖2 電子萬能實驗機

1.3 設置試驗流程及參數(shù)

利用上述搭建的試驗裝置控制均勻溫度場，模擬設定鋁合金的熱處理溫度為250～350 ℃，控制鋁合金的試樣溫度不斷上升至設定溫度后，恒溫處理5 min[11-12]。設定的熱模擬試樣溫度及參數(shù)如表2所示。

以表2所示的實驗溫度及應變速率作為處理條件，控制鋁合金的拉伸時間為120 s，逐步加熱試樣至250 ℃，再持續(xù)加熱金屬試樣至300 ℃和350 ℃，之后持續(xù)保溫300 s，最大限度地調(diào)和金屬間的熔合過程。試樣制備完畢后，設置鋁合金試樣成形時的工藝參數(shù)，如表3所示。

表2 設定拉伸試樣的溫度及應變速率

Tab.2 Set the temperature and strain rate of the tensile specimen

表3 設置的試樣處理工藝參數(shù)

Tab.3 Set sample processing process parameters

根據(jù)表3所示的試樣處理工藝參數(shù)，結合鋁合金試樣的形成過程，構建鋁合金的應力–應變數(shù)值公式，數(shù)值關系可用式（1）表示。

式中：為鋁合金試樣的應力；為試樣的載荷；為試樣的伸長率；0為試樣拉伸前的橫截面積；為拉伸前的試樣長度；0為拉伸后的試樣長度。

使用準備的電子萬能試驗機觀察鋁合金金相，如圖3所示。

圖3 鋁合金金相圖像

由圖3可知，鋁合金試樣內(nèi)部結構均勻且并未產(chǎn)生明顯的塑性變形。施以拉伸應力后，將獲取了金相圖像后的試樣放入FLD裝置內(nèi)，并設置加熱溫度由100 ℃上升至500 ℃。為了保證獲取的鋁合金塑性數(shù)據(jù)的可靠性，將經(jīng)加熱處理的鋁合金控制在室溫，獲取各項塑性成形數(shù)據(jù)后，分析影響鋁合金塑性成形的因素。

2 結果及分析

2.1 試樣延伸產(chǎn)生的形變

在發(fā)生線性延伸時，鋁合金試樣經(jīng)歷了彈性變形、塑性變形、裂紋萌生擴展過程，對應試樣產(chǎn)生的延伸形變過程，合金沖裁曲線如圖4所示。

圖4 鋁合金沖裁曲線

由圖4可知，合金試樣上的載荷數(shù)值不斷升高，直至上升到點，鋁合金試樣產(chǎn)生彈性變化，試樣在處理面上形成凸模，鋁合金表面并未產(chǎn)生畸變，合金內(nèi)部受到的沖裁力較小。當載荷數(shù)值上升至點，此時鋁合金產(chǎn)生的彈性變化結束，形成了塑性變形，產(chǎn)生了部分網(wǎng)格畸變，合金內(nèi)部產(chǎn)生了較大的沖裁力。當鋁合金載荷數(shù)值由點下降至點時，鋁合金產(chǎn)生了部分裂化。當合金載荷數(shù)值由點下降至點時，合金試件內(nèi)的沖裁力不斷下降，合金上出現(xiàn)了較大的裂紋，合金內(nèi)部產(chǎn)生了裂紋萌生擴展過程，并在剪切作用下，合金坯料產(chǎn)生了翹曲，通過鋁合金的金相圖像可知，鋁合金內(nèi)部產(chǎn)生了類似毛刺的結構。

2.2 鋁合金應力–應變過程產(chǎn)生的形變

使用壓縮裝置調(diào)整塑性壓縮時的溫度，控制鋁合金壓縮時的外部溫度為20～300 ℃，結合拉伸過程中的尺寸參數(shù)和式（1），將其轉換為數(shù)值變換關系，數(shù)值關系可用式（2）表示。

式中：T為計算得到的應力數(shù)值；E為測量得到的塑性參數(shù)。此時各溫度數(shù)值下，鋁合金的力學性能如表4所示。

表4 不同溫度數(shù)值下的鋁合金力學數(shù)值

Tab.4 Mechanical values of aluminum alloy at different temperature values

在表4所示的力學數(shù)值下，鋁合金產(chǎn)生應力形變時，隨著拉伸溫度的不斷上升，合金的起始應力數(shù)值由208.6 MPa升高到331.8 MPa，當溫度上升至50 ℃時，鋁合金內(nèi)部應力快速上升，內(nèi)部金屬結構的應力與20 ℃相比增加了20 MPa，鋁合金成形時產(chǎn)生了加工硬化現(xiàn)象。溫度上升至300 ℃時，鋁合金試樣的形變不斷增加，材料的應力達到最大，鋁合金材料的應變率也到達極值點。調(diào)用Zener–Hollomon參數(shù)模型計算鋁合金產(chǎn)生的屈服強度，整理強度數(shù)值可知，鋁合金屈服強度由220 MPa逐漸減小至80 MPa，由此可知，鋁合金應變形成的強度變小，直至鋁合金試樣產(chǎn)生斷裂。

2.3 應變速率及變形溫度產(chǎn)生的形變

使用試驗階段獲取的各項數(shù)據(jù)構建塑性成形時各項參數(shù)數(shù)值關系，相關數(shù)值關系見式（3）。

式中：1、2分別為鋁合金的軋制角度；為試樣的屈服強度；1、2分別為鋁合金試樣的處理溫度；為實際發(fā)生形變的面積；為均勻延伸參數(shù)；為硬化指數(shù)。根據(jù)式（3）整理鋁合金在不同應變速率下的力學性能參數(shù)，參數(shù)結果如表5所示。

表5 不同應變速率鋁合金材料產(chǎn)生的力學參數(shù)

Tab.5 Mechanical parameters produced by aluminum alloy materials with different strain rates

由表5可知，隨著材料應變速率不斷增加，試樣屈服強度保持在110 MPa左右，試樣應變速率的變化并未引起屈服強度的變化。應變速率增加后，鋁合金產(chǎn)生了較大的拉伸強度，試樣的均勻伸長率也有了明顯增加，鋁合金材料的硬化指數(shù)也逐漸增長。由表5數(shù)據(jù)可知，硬化參數(shù)影響了鋁合金塑性成形的過程，以硬化數(shù)值作為處理對象，整理變形溫度影響下試樣的硬化參數(shù)變化，其結果如表6所示。

由表6可知，隨著變形溫度的上升，鋁合金試樣的抗拉強度發(fā)生均勻變化，當變形溫度為150～250 ℃時，鋁合金的硬化指數(shù)為0.1，鋁合金的形變處于動態(tài)變化過程。

表6 不同變形溫度形成的硬化參數(shù)

Tab.6 Hardening parameters formed at different deformation temperatures

2.4 流變應力產(chǎn)生的形變

在上述構建的溫度條件下，對應不同熱處理條件，整理鋁合金應力數(shù)值以及合金產(chǎn)生的塑性形變量，其結果如表7所示。

表7 不同溫度條件下產(chǎn)生的流變應力

Tab.7 Flow stress generated under different temperature conditions

由表7可知，在變形溫度不斷上升后，鋁合金試樣有效應力逐漸增加，當溫度上升至250～300 ℃后，鋁合金試樣形變量發(fā)生了較大變化。此時鋁合金試樣產(chǎn)生了較大的形變量，且形變量數(shù)值維持在1 mm左右，鋁合金試樣發(fā)生均勻延伸。當變形溫度上升至250～300 ℃后，鋁合金試樣的形變量發(fā)生較大變化，形變量增加至1.57 mm，鋁合金試樣產(chǎn)生了部分軟化。

3 結語

為了得到高質(zhì)量的鋁合金，需要對鋁合金塑性成形過程中的影響因素進行分析。通過搭建試驗裝置得到高溫環(huán)境下合金內(nèi)部的應力?應變、應變速率以及變形溫度、流變應力，這些均會對鋁合金塑性成形過程產(chǎn)生較大的影響。通過分析研究可以為鋁合金塑性成形過程中參數(shù)的控制提供一定的參考，對提升鋁合金加工質(zhì)量具有一定積極作用。

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Heat Treatment Parameters on Plastic Formability of Aluminum Alloy

FENG Chao1, XU Jia-liang1, LIU Er-qiang2

(1. Taizhou Vocational College of Science and Technology, College of Mechanical and Electrical Engineering and Mould Engineering, Zhejiang Taizhou 318020, China; 2. College of Applied Sciences, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

In order to study the effect of temperature increase on the plastic forming performance of aluminum alloy, the plastic forming performance of aluminum alloy under high temperature conditions is analyzed. An aluminum alloy experimental device is prepared, a high-temperature alloy treatment environment is set up, the uniaxial tensile test and metallographic test on the aluminum alloy are conducted, the deformation temperature of the aluminum alloy is recorded, and the plastic formability of the aluminum alloy is analyzed. After collecting aluminum alloy test data, reference the Zener-Hollomon parameter model, set the test process and parameters, and set high temperature conditions with different values. When the deformation temperature is greater than 250 ℃, the elongation of aluminum alloy is greater than 100%. When the deformation temperature is 150-250 ℃, the true stress-strain change process of 5A02 aluminum alloy belongs to the dynamic recovery type, and when the deformation temperature is greater than 250 ℃, the flow stress process has an obvious softening phenomenon. During the deformation treatment of aluminum alloy specimens, the extension process of aluminum alloy specimens produces elastic deformation, plastic deformation, and crack initiation and propagation processes. When the aluminum alloy is deformed under high temperature conditions, the strain rate and deformation temperature have a greater effect on the elongation rate.

high temperature condition; aluminium alloy; plastic forming; uniaxial tensile test; metallographic test; stress strain relationship

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.05.006

TG166.3

A

1674-6457(2022)05-0036-06

2021?06?28

國家自然科學基金（11702182）

馮超（1984—），男，碩士，實驗師，主要研究方向為塑性力學、精密制造。

責任編輯：蔣紅晨