分享:2219鋁合金熱壓縮時(shí)的流變應(yīng)力本構(gòu)方程
易兆祥1,李新和1,2,常士武1,曹 權(quán)1
(中南大學(xué)1.輕合金研究院,2.高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410083)
摘 要:采用 GleebleG3180型熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)2219鋁合金進(jìn)行單道次熱壓縮試驗(yàn),研究了該鋁合金在溫度為200~350℃、應(yīng)變速率為0.1~10.0s-1條件下的流變行為,建立了2219鋁合金熱壓縮時(shí)的流變應(yīng)力本構(gòu)方程,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證.結(jié)果表明:2219鋁合金的流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增大或變形溫度的降低而增加;由 FieldsGBackofen本構(gòu)方程計(jì)算得到的2219鋁合金應(yīng)力的變化規(guī)律與試驗(yàn)得到的相同,且應(yīng)力計(jì)算值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差小于5%,該本構(gòu)方程可以較準(zhǔn)確地描述2219鋁合金的高溫流變行為.
關(guān)鍵詞:鋁合金;熱壓縮;流變應(yīng)力;本構(gòu)方程
0 引 言
2219鋁合金屬于 AlGCuGMn 系可熱處理強(qiáng)化合金,具有良好的低溫和高溫力學(xué)性能、斷裂韌性、焊接性能以及抗應(yīng)力腐蝕能力等,廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域[1],主要用于制造火箭箭體結(jié)構(gòu)件和燃料貯箱封頭件.目前,我國(guó)主要采取冷旋壓技術(shù)對(duì)火箭燃料貯箱封頭進(jìn)行整體加工成形,但成形后封頭容易出現(xiàn)起皺、開(kāi)裂等變形不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象.熱旋壓加工技術(shù)在降低材料變形抗力和提高材料塑性等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[2],因此有必要研發(fā)制造大型鋁合金封頭件的熱旋壓加工工藝.
目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)2219鋁合金的研究主要集中在攪拌摩擦焊[3G4]、熱處理后的機(jī)械加工性能[5]、穩(wěn)態(tài)蠕變本構(gòu)方程[6]等方面,對(duì)其熱變形時(shí)的流變應(yīng)力本構(gòu)方程研究較少.當(dāng)熱旋壓溫度超過(guò)350℃時(shí),鋁合金板材軟化太嚴(yán)重,不利于對(duì)其進(jìn)行加工.因此,作者對(duì) O 態(tài)2219鋁合金在350 ℃及以下溫度進(jìn)行高溫壓縮試驗(yàn),研究了該鋁合金在不同應(yīng)變速率和變形溫度下的流變行為,建立了熱壓縮時(shí)的流變應(yīng)力本構(gòu)方程,為制定2219鋁合金的熱旋壓加工工藝提供理論依據(jù).
1 試樣制備與試驗(yàn)方法
試驗(yàn)材料為 O 態(tài)2219鋁合金板,由廣西南南鋁加工有限公司提供,其化學(xué)成分如表1所示.在鋁合金板上截取尺寸為?7mm×10.5mm 的圓柱體試樣,在 GleebleG3180型熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單道次熱壓縮試驗(yàn).試驗(yàn)前將熱電偶焊接在試樣側(cè)面測(cè)試樣的溫度,以確保其溫度在試驗(yàn)過(guò)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5min后,分別以0.1,1.0,10.0s-1 的應(yīng)變速率進(jìn)行壓縮變形,總變形量為30%,總應(yīng)變?yōu)椋埃常?壓縮變形結(jié)束后立即水冷到室溫
2 流變應(yīng)力本構(gòu)方程的建立
由于2219鋁合金在熱壓縮過(guò)程中存在應(yīng)變硬化和應(yīng)變速率硬化現(xiàn)象,因此選用 FieldsGBackofen方程來(lái)描述其流變行為,其表達(dá)式為
式中:σ為應(yīng)力;ε?? 為應(yīng)變速率;ε為應(yīng)變;C 為材料強(qiáng)度系數(shù);n 為應(yīng)變硬化系數(shù);m 為應(yīng)變速率敏感系數(shù).式(1)中n 的大小表明材料均勻變形能力的強(qiáng)弱,n 越大,則材料的硬化效應(yīng)越明顯,成形極限越高.對(duì)式(1)兩邊分別取自然對(duì)數(shù),得到
當(dāng)變形溫度與應(yīng)變速率一定時(shí),lnC 與mlnε?? 都為常數(shù),lnσ與lnε之間滿(mǎn)足線(xiàn)性關(guān)系,n 則為該直線(xiàn)的斜率.選取真應(yīng)力G應(yīng)變曲線(xiàn)中屈服應(yīng)力與峰值應(yīng)力之間的均勻變形段來(lái)計(jì)算n.由圖2可知,不同變形溫度下的n 與應(yīng)變速率的對(duì)數(shù)呈線(xiàn)性關(guān)系,因此n 可以表示為
式中:A 為應(yīng)變速率對(duì)n 的影響系數(shù);B 為變形溫度對(duì)n 的影響系數(shù).A,B 的擬合結(jié)果如表2所示.
由表2可以看出:不同變形溫度下的 A 相差不大,這表明應(yīng)變速率對(duì)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(xiàn)性關(guān)系,關(guān)系式為
將A,B 代入式(3),得到參數(shù)n 的表達(dá)式為
由式(2)可知,當(dāng)變形溫度與應(yīng)變一定時(shí),nlnε為常數(shù),lnσ 與lnε?? 呈線(xiàn)性關(guān)系,直線(xiàn)的斜率即為m.當(dāng)ε為0. 2時(shí),不同變形溫度下lnσ 與lnε?? 的關(guān)系如圖3所示,通過(guò)計(jì)算得到的m 值見(jiàn)圖4.
由圖4可以看出,m 與變形溫度基本呈二次函數(shù)的變化規(guī)律,擬合得到m 的表達(dá)式為
由式(1)可推導(dǎo)出C 的表達(dá)式為
將不同變形溫度下的 m,n 以及應(yīng)變?yōu)椋埃矔r(shí)的流變應(yīng)力代入式(1),計(jì)算得到不同條件下的C.由圖5可知,變形溫度對(duì)C 的影響較大,應(yīng)變速率對(duì)C 的影響相對(duì)較小,C 與lnε?? 基本呈線(xiàn)性關(guān)系,因此C 可表示為
式中:C1 為應(yīng)變速率對(duì)C 的影響系數(shù);C2 為變形溫度對(duì)C 的影響系數(shù).
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(jiǎn)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(xiàn)性關(guān)系,可以得到C2 的表達(dá)式為
綜 上 所 述,2219 鋁 合 金 熱 壓 縮 時(shí) 的 FieldsGBackofen本構(gòu)方程的3個(gè)參數(shù)的表達(dá)式分別為
3. 本構(gòu)模型的驗(yàn)證
將擬合得到的相關(guān)參數(shù)代入 FieldsGBackofen本構(gòu)方程,計(jì)算得到應(yīng)變速率分別為0.1,1.0,10.0s-1和變形溫度分別為200,250,300,350 ℃下2219鋁合金的真應(yīng)力G真應(yīng)變曲線(xiàn).由圖6可以看出,通過(guò)本構(gòu)方程計(jì)算得到的應(yīng)力的變化規(guī)律與試驗(yàn)得到的相同.
為進(jìn)一步驗(yàn)證2219鋁合金熱壓縮本構(gòu)方程的準(zhǔn)確性,將試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)變速率為0.5s-1、不同溫度下的真應(yīng)力G真應(yīng)變曲線(xiàn)與計(jì)算所得曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比.由圖7可以看出,應(yīng)力計(jì)算值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差小于5%,這說(shuō)明該本構(gòu)方程具有較高的準(zhǔn)確性.
4. 結(jié) 論
(1)當(dāng)應(yīng)變速率相同時(shí),變形溫度越高,2219鋁合金的流變應(yīng)力、屈服強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度越低;當(dāng)變形溫度相同時(shí),應(yīng)變速率越大,2219鋁合金的流變應(yīng)力、屈服強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度越高.
(2)由 FieldsGBackofen 本構(gòu)方程計(jì) 算 得 到 的2219鋁合金應(yīng)力的變化規(guī)律與試驗(yàn)得到的相同,且應(yīng)力計(jì)算值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差小于5%,該本構(gòu)方程具有較高的精度.
(文章來(lái)源:材料與測(cè)試網(wǎng)- 機(jī)械工程材料 > 42卷 > 7期 )
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