高應變速率下鋁合金增塑降彈效應研究

摘要：

針對高強輕質(zhì)材料復雜薄壁構件在室溫成形過程中存在的因低塑性導致的破裂和因大回彈導致的尺寸偏差等問題，以航空領域廣泛應用的2024鋁合金作為研究對象，分別開展低/高應變速率下的單向拉伸試驗，以探究應變速率對2024鋁合金塑性的影響規(guī)律。通過對比分析普通沖壓、高速沖壓和沖擊液壓三種加載方式下不同角度的板材彎曲成形，解耦分析了高應變速率和液體介質(zhì)對板材回彈的影響規(guī)律。結果表明，高應變速率加載下2024鋁合金表現(xiàn)出明顯的“增塑”特性，其伸長率最大增幅可達到112.92%；在兼具高速加載特性和液壓加載特性的沖擊液壓加載方式下，2024鋁合金表現(xiàn)出明顯的“降彈”特性，回彈角最大降幅達到110.25%，出現(xiàn)負回彈現(xiàn)象。

關鍵詞：鋁合金；高應變速率；沖擊液壓成形；增塑；降彈

中圖分類號：TB31

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2024.12.010

Study on Formability Enhancements and Springback Reduction Effects of

Aluminum Alloys under High Strain Rate

XIA Liangliang1 XU Yong2 LI Jie3 XIE Wenlong2 LIU Xuefei3 ZHANG Shihong2

1.College of Transportation，Ludong University，Yantai，Shandong，264000

2.Shi-changxu Innovation Center for Advanced Materials，Institute of Metal Research，Chinese

Academy of Sciences，Shenyang，110016

3.Chongqing Jiangdong Machinery Co.，Ltd.，Chongqing，404120

Abstract： Aiming at the problems of ruptures due to low formability and dimensional deviations due to large rebound of complex thin-walled components of high-strength and lightweight materials during room temperature forming， 2024 aluminum alloy which was widely used in the aerospace field， was used as the object of the study， and the unidirectional tensile tests were carried out respectively at low and high strain rates to investigate the effects of strain rate on the plasticity of 2024 aluminum alloys. By comparing and analyzing the bending forming of sheet at different angles under traditional stamping， high-speed stamping and impact hydroforming， the study decoupled into the effects of high strain rate and liquid medium on sheet springback. The results suggest that under high strain rate loading， the 2024 aluminum alloys demonstrate a significant enhancement in formability， with a maximum elongation increase of up to 112.92%. Under the impact hydroforming mode， which combined the characteristics of high-strain-rate and liquid medium loading， the 2024 aluminum alloys exhibit a significant reduction in springback， with a maximum reduction in springback angle of up to 110.25%， even leading to a negative springback phenomenon.

Key words： aluminum alloy; high strain rate; impact hydroforming; formability enhancement effect; springback reduction effect

收稿日期：2024-05-29

基金項目：重慶市自然科學基金創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金（面上）（CSTB2023NSCQ-LMX0001）；中國科學院國際伙伴計劃（172GJHZ2022096FN）；山東省自然科學基金（ZR2024QE380）

0 引言

采用高強輕質(zhì)材料和復雜結構進行成形成性一體化整體制造是實現(xiàn)汽車、航空航天、國防軍工等領域裝備中復雜薄壁構件高性能、輕量化、高精度和高可靠性制造目標的重要途徑［1-3］。2系鋁合金很好地契合了“高強-輕質(zhì)”的選材特性，是制造復雜薄壁構件的理想材料之一，但是，高強鋁合金室溫塑性差，零件破裂風險高，復雜結構中小圓角、薄壁、深腔、曲面等多特征耦合，成形難度大，卸載后易回彈，成形精度難控制，因此，開發(fā)兼具塑性增強和回彈降低的鋁合金材料成形新技術以實現(xiàn)高強輕質(zhì)合金復雜薄壁構件形性一體化制造至關重要。

高應變速率加載為材料“增塑降彈”的實現(xiàn)提供了新思路。唐天宇等［4］探究了2219鋁合金高應變速率變形行為，發(fā)現(xiàn)應變速率達到1400 s-1時，其延伸率增加了約28.6%。LIU等［5］在研究中發(fā)現(xiàn)，6005-T5鋁合金在1200 s-1下拉伸后的伸長率可比準靜態(tài)下伸長率提高16.29%。ZHANG等［6］對6系高強鋁合金高應變速率下的拉伸行為進行分析發(fā)現(xiàn)，相比于準靜態(tài)加載，在3000 s-1應變速率下的斷后延伸率增加了約175%。SHAMCHI等［7］分別對2024鋁合金T3、T4兩種熱處理狀態(tài)的高應變速率下的拉伸性能進行測試，發(fā)現(xiàn)2024鋁合金的伸長率在1200 s-1和2500 s-1應變速率下分別得到了約30%和90%的提高。馬彥［8］對5A06鋁合金高應變速率下的成形極限進行了研究，測試結果發(fā)現(xiàn)，雙拉區(qū)的最大主應變增加了74.22%，而拉壓區(qū)的最大主應變增加了22.10%。ZHENG等［9-10］提出了一種靜-動復合加載方式，并發(fā)現(xiàn)，相比于準靜態(tài)加載，在靜-動復合加載下，DP600的極限應變提高了35%，總延伸率提高了25%。可見，在高應變速率下材料能夠“增塑”。另一方面，國內(nèi)外學者對高應變速率下的板材彎曲回彈行為也開展了大量的深入研究。劉大海等［11］以5052-O鋁合金和T3態(tài)純銅為研究對象，開展了磁脈沖輔助U形件回彈行為研究，發(fā)現(xiàn)板材回彈量隨著線圈放電能量和放電次數(shù)的增加而出現(xiàn)大幅度減小。CUI等［12-14］通過研究發(fā)現(xiàn)，在電磁成形加載方式下，7075-T6鋁合金板材的彎曲回彈量可減小約63%，其原因為成形過程中切向應力的高頻波動。GOLOVASHCHENKO［15］對鋁合金和不同牌號的高強鋼進行電磁成形試驗，發(fā)現(xiàn)回彈降低的原因是成形過程中釋放了約90%的內(nèi)應力。可見，高應變速率可實現(xiàn)板料的“降彈”。綜上，材料在高應變速率下具有“增塑降彈”特性。

沖擊液壓成形技術是近年來提出的一種新型塑性加工技術，其技術原理是，將高速沖擊體撞擊液體介質(zhì)表面，產(chǎn)生高幅值應力波，并經(jīng)由液體介質(zhì)傳遞至板材表面，通過一次或多次沖擊，使零件貼合模腔，實現(xiàn)成形［16-17］。由技術原理可知，沖擊液壓成形技術兼具高應變速率特性和液壓特性。盡管目前圍繞沖擊液壓成形技術特性、工藝開發(fā)、設備以及材料特性等方面開展了很多研究工作［18-21］，但對鋁合金在沖擊液壓成形技術下的“增塑降彈”特性，目前仍缺乏系統(tǒng)性的認識，這限制了該技術在汽車、航空航天、國防軍工等領域復雜薄壁構件精確成形方面的推廣應用。因此，本文以航空領域應用廣泛的2024鋁合金為研究對象，通過對2024鋁合金高應變速率加載下的力學特性和液壓加載下的回彈特性研究，闡明2024鋁合金在沖擊液壓加載下的“增塑降彈”規(guī)律，以期推動沖擊液壓成形技術的工程化應用。

1 材料及實驗方法

1.1 實驗材料介紹

本研究所用材料為1.4 mm厚度的2024鋁合金軋制板材，并經(jīng)完全退火處理，即最終狀態(tài)為O態(tài)，其微觀組織如圖1所示，可以看出，雖然材料存在一定的取向織構，但強度較弱，即各向異性較弱。表1為2024鋁合金的化學成分表，可知銅元素和鎂元素的質(zhì)量比約為3.25∶1。

1.2 力學性能測試

低應變速率拉伸試驗在Zwick Z150電子拉伸試驗機上進行，其載荷容量為150 kN，載荷精度為±1%。拉伸試樣沿板材軋制方向（RD）切取，試樣設計參照GB/T228.1—2010，平行段標距和寬度分別為60 mm和15 mm，具體尺寸見圖2a。

高應變速率拉伸試驗采用Hopkinson拉桿測試系統(tǒng)，試樣設計沒有相關的國家標準，因此，本文遵循以下原則：在保證單拉應力狀態(tài)下盡可能縮短標距以獲得更高的應變速率，試樣尺寸及測試系統(tǒng)如圖2b、圖2c所示。

入射波、反射波和透射波所產(chǎn)生的電信號可通過粘貼在入射桿和透射桿上的應變片以及動態(tài)應變儀捕獲。假設應力波傳播滿足一維波動理論，則依據(jù)波形可計算得到試樣在單拉過程中的工程應變、工程應力和應變速率［22］：

ε（t）=-2C0l0∫t0εR（t）dt（1）

σ（t）=EA1A0εT（t）（2）

ε·（t）=-2C0l0εR（t）（3）

式中，εR（t）、εT（t）分別為反射波和透射波信號；C0為應力波在桿中的傳播速度；l0為試樣的標距；E為桿的彈性模量；A0、A1分別為試樣和桿的橫截面面積；t為變形時間。

本文計算所采用的參數(shù)值如表2所示。

1.3 回彈性能測試

回彈測試所采用的試樣尺寸為寬33 mm、長38 mm，如圖3a所示。彎曲半徑都為30 mm，彎曲角度α設置為90°、120°、150°。為了實現(xiàn)應變速率和液壓加載的解耦分析，設計了普通沖壓（QSR）、高速沖壓（HSR）和沖擊液壓（IHF）彎曲三種加載方式下的回彈測試，分別進行了相應的彎曲成形模具設計，如圖3b～圖3d所示。通過對比普通沖壓和高速沖壓可明確應變速率的影響，而對比高速沖壓和沖擊液壓則能探明液壓加載的影響。其中普通沖壓測試在萬能電子試驗機的壓縮模塊上進行，高速沖壓測試在Hopkinson壓桿系統(tǒng)上進行，而沖擊液壓彎曲測試在沖擊液壓成形專用設備上進行，液壓介質(zhì)為普通水介質(zhì)。此外，普通沖壓加載方式下的鋼沖頭加載速度為0.3 m/s，高速沖壓加載方式下的鋼沖頭加載速度為21 m/s，沖擊液壓加載方式下的沖擊體加載速度為34 m/s。

2 高應變速率下的“增塑”分析

2.1 不同應變速率下的伸長率變化規(guī)律

低應變速率拉伸測試分別在0.001，0.01，0.1 s-1下進行。高應變速率拉伸試驗是在Hopkinson拉桿上進行，其應變速率在試驗前無法準確獲知，需通過波形計算。圖4所示為不同氣壓p驅(qū)動下的波形曲線，并由此計算得出不同氣壓驅(qū)動下所得最高應變速率的具體數(shù)值為1838，2423，3306 s-1，如圖4d所示。

圖5所示為不同應變速率下的工程應力-應變曲線，可知，在0.001 s-1和0.01 s-1應變速率下，

試樣的伸長率變化不明顯，而當應變速率增加到0.1 s-1時，應變速率出現(xiàn)了一定程度的減小。當應變速率增加至高應變速率范疇后，伸長率出現(xiàn)了大幅的增大，且隨著應變速率的增大，伸長率增幅也隨之增大。

為更加清晰地對比不同應變速率下試樣的伸長率變化規(guī)律，以應變速率為0.001 s-1下的伸長率作為對照，進一步對不同應變速率下的伸長率相對增幅進行計算，計算公式如下：

Δδ=δi－Ag0.001Ag0.001（4）

式中，Δδ為伸長率的相對增幅；δi為第i應變速率下的伸長率值；Ag0.001為0.001 s-1應變速率下的伸長率值。

表3所示為相對增幅的計算結果，可以看出，在本文測試范圍內(nèi)，試樣的伸長率增幅最大達到了112.92%。這表明，在高應變速率的加載下，2024鋁合金表現(xiàn)出了明顯的室溫增塑效應，這為低塑性2024鋁合金的室溫成形所存在的破裂問題提供了一個解決思路。

2.2 應變硬化率分析

應變硬化率是真應力對真應變的導數(shù)，即dσ/dε，它表示的是單位真應變內(nèi)流變應力增幅的變化率，可從側(cè)面一定程度地反映材料的持續(xù)硬化能力。依據(jù)0.001 s-1和3306 s-1兩種應變速率下的真應力、真應變數(shù)據(jù)進行應變硬化率計算，結果如圖6所示。

可以看出，不論低應變速率還是高應變速率，在拉伸初期應變硬化率都是隨著真應變的增大而急速減小；然而隨著真應變的逐漸增大，低應變速率加載下，應變硬化率的下降趨勢變緩，但仍表現(xiàn)出持續(xù)下降的態(tài)勢。然而，與低應變速率下的變化趨勢所不同的是，在高應變速率加載下，應變硬化率出現(xiàn)了反常上升，表現(xiàn)出了明顯的“二次硬化”現(xiàn)象。且在二次硬化以后，應變硬化率出現(xiàn)小幅度下降以后存在一段平緩區(qū)，該平緩區(qū)能夠一直持續(xù)到材料的斷裂。這表明，在高應變速率下材料表現(xiàn)出很強的持續(xù)硬化能力，這造成了宏觀拉伸過程中的材料頸縮點后移，延遲了材料的斷裂，即材料的伸長率得到增大，出現(xiàn)“增塑”現(xiàn)象。

2.3 微觀增塑機理分析

為進一步探究高應變速率下“增塑”的微觀機理，分別針對0.001 s-1和3306 s-1兩種應變速率下拉伸后試樣的斷口附近微觀組織進行EBSD和TEM觀測。試樣經(jīng)機械磨拋、振動拋光和離子刻蝕處理后，在TESCAN MIRA3（ TESCAN MIRA3 Compact instrument）上進行EBSD實驗，加速電壓為20 kV、掃描步長為4 μm。在EBSD試樣的基礎上進一步制成TEM試樣，經(jīng)雙噴減薄與離子束清掃后，在FEI Talos F200X上開展TEM觀測。

圖7所示分別為0.001 s-1和3306 s-1下的施密特因子分布和幾何必須位錯（GND）分布。可以看出，在0.001 s-1應變速率下（圖7a、圖7b），施密特因子較小的硬取向晶粒內(nèi)部GND也較少，而施密特因子較大的軟取向晶粒內(nèi)部GND則較多。這表明，在該變形條件下，軟取向晶粒塑性變形較大而硬取向晶粒變形較小，二者之間存在變形不均勻性。結合圖8a和圖8b，在0.001 s-1應變速率下，位錯密度相對較低，且S相（Al2CuMg）對位錯運動有阻礙作用，位錯塞積于S相處，并在局部區(qū)域出現(xiàn)應變集中引起的滑移帶，最終由這種不均勻性變形引起宏觀上的過早斷裂。不同于低應變速率加載，在應變速率為3306 s-1條件下（圖7c、圖7d），軟取向晶粒和硬取向晶粒內(nèi)部都出現(xiàn)了較高的GND分布，這表明硬取向晶粒在高應變速率加載下也參與了塑性變形，從而協(xié)調(diào)了軟取向的變形，提高了整體的變形均勻性。該現(xiàn)象也在純鋁中得到了證實［23］。進一步結合圖8c可見，在應變速率為3306 s-1條件下位錯密度大幅度提升，且主要呈現(xiàn)出均勻的位錯墻形態(tài)分布，并未出現(xiàn)由應變集中引起的滑移帶形貌。圖8d所示為位錯與S相之間的交互作用，可以看出，在高應變速率下塞積于S相附近的位錯可繞過S相繼續(xù)運動，且在多個S相之間出現(xiàn)了“塞積—繞過—再塞積”的現(xiàn)象，這為位錯的增殖和運動提供了額外的空間，進而導致持續(xù)硬化能力的提升，宏觀上則表現(xiàn)出“增塑”。

3 沖擊液壓加載下的“降彈”分析

3.1 回彈角的表征

通過對不同加載方式下板料彎曲后的角度測量來實現(xiàn)對回彈的定量表征，如圖9所示。通過對彎曲回彈后試樣的長寬截面進行輪廓掃描，并將其導入三維建模軟件中，構造彎曲后板材兩側(cè)的切線AB、CD，則兩切線形成的夾角αi為回彈后的角度。由此，回彈角可定義為

Δαi=αi－α（5）

式中，Δαi為彎曲回彈角；αi為回彈后的彎曲角度；α為模具設計的彎曲角度。

對每個測試條件下試樣進行3次重復測量，以降低測量誤差，并將平均值作為最終回彈角。

3.2 不同加載方式下的回彈結果分析

圖10所示為不同彎曲角度、不同加載方式下，回彈后試樣與彎曲模具的輪廓對比。通過對比普通沖壓和高速沖壓兩種加載方式可發(fā)現(xiàn)，在同為剛沖頭加載的前提下，不論彎曲角度多大，高速沖壓方式下的回彈均比普通沖壓方式下的小。而當加載方式轉(zhuǎn)變?yōu)闆_擊液壓方式后，可以看到試樣接近貼合模具，這表明沖擊液壓加載方式可以大幅度減小試樣的回彈。

圖11所示為不同條件下回彈角測試結果，可以看出，盡管不同彎曲角度下的回彈角數(shù)值變化存在差異，但總體的變化趨勢相同，即隨著加載方式從普通沖壓逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闆_擊液壓方式后，回彈角也依次減小。為進一步定量表征不同加載方式下回彈角變化情況，提出回彈角相對降幅Δθ，具體表達式如下：

Δθ=θR－θCθR（6）

式中，θC為任一條件下的回彈角；θR為參考回彈角，這里根據(jù)彎曲角度的不同，分別選取為QSR_90、HSR_90和IHF_90條件下所對應的回彈角值。

不同彎曲角度和加載方式下的回彈角相對降幅變化規(guī)律如圖12所示，可以看出，隨著彎曲角度的增大，回彈相對降幅也隨之增大，且在三種彎曲角度下，沖擊液壓方式的回彈相對降幅均大于高速沖壓方式的回彈相對降幅。此外，在彎曲角度為150°、沖擊液壓加載方式下，回彈角相對降幅達到了110.25%，這表明試樣出現(xiàn)了負回彈現(xiàn)象。綜上所述，在沖擊液壓方式下試樣的回彈得到了大幅度的降低，甚至達到了幾乎消除的效果，即存在明顯的“降彈”。造成這種“降彈”的一種機制解釋為［12-14， 24］：高速加載致使板料在彎曲過程中存在一定的高頻振動或往復運動，這降低了板料彎曲內(nèi)外側(cè)的應力差，釋放了一定的殘余應力。此外，沖擊液壓方式所特有的液體面域加載特性會使得板材整體上發(fā)生剪切變形，這也一定程度地擴大了板料厚度上的塑性變形區(qū)。在二者的綜合作用下，沖擊液壓方式能夠?qū)崿F(xiàn)2024鋁合金的彎曲回彈大幅降低。

4 結論

針對2024鋁合金室溫塑性差、彎曲回彈大的問題，開展了不同應變速率和不同加載方式下2024鋁合金的力學性能和回彈行為的研究，得到的具體結論如下：

（1）在高應變速率下2024鋁合金表現(xiàn)出明顯的“增塑”現(xiàn)象，且其伸長率隨著應變速率的增大而增大，伸長率最大增幅可達到112.92%。

（2）高應變速率和液體介質(zhì)下2024鋁合金都表現(xiàn)出“降彈”現(xiàn)象，但在兼具高應變速率和液體介質(zhì)耦合作用的沖擊液壓加載方式下回彈角相對降幅最大，可達110.25%，出現(xiàn)了負回彈現(xiàn)象。

（3）沖擊液壓加載方式所具有的高應變速率和液壓傳載特性，使得2024鋁合金在沖擊液壓加載方式下表現(xiàn)出明顯的“增塑降彈”現(xiàn)象，這為利用增塑控性和降彈控形的復雜薄壁構件形性一體化制造提供了一個新思路。

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XIA Liangliang.Study on Impact Hydroforming Characteristics and Mechanisms of Formability Improvement and Springback Reduction for AA2024 Aluminum Alloy Sheets［D］. Hefei：University of Science and Technology of China， 2022.

（編輯 王艷麗）

作者簡介：

夏亮亮，男，1993年生，博士、講師。研究方向為復雜薄壁構件的沖擊液壓成形技術及工藝開發(fā)。E-mail：mx_510@sina.com。

徐 勇（通信作者），男，1983年生，副研究員。研究方向為塑性加工先進技術。E-mail：yxu@imr.ac.cn。