張 鵬,陳明和,葉建華

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院,南京 ２１００１６)

摘 要:對室溫下分別時效１０,２０,３０min的９種尺寸新淬火狀態(tài)２A１２鋁合金試樣在３種潤滑(固體潤滑,液體潤滑和無潤滑)條件下進(jìn)行了脹形試驗(yàn),得到了該鋁合金的成形極限圖,分析了時效時間對成形性能的影響.結(jié)果表明:時效１０min時新淬火狀態(tài)２A１２鋁合金仍具備良好的成形性能,但隨時效時間的延長,成形極限曲線下移,鋁合金的塑性變差,成形安全區(qū)變小;２A１２鋁合金成形加工前的自然時效時間應(yīng)控制在１０min以內(nèi).

關(guān)鍵詞:２A１２鋁合金;新淬火;自然時效;成形極限

中圖分類號:V２５０．３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１８)０６Ｇ００５５Ｇ０４

淬火處理后的一段時間里所處的尚未發(fā)生或完成時效硬化的一種不穩(wěn)定狀態(tài),稱為新淬火狀態(tài).實(shí)際生產(chǎn)加工過程中,通常在鋁合金板料處于淬火狀態(tài)下進(jìn)行校形和加工.掌握板料在各種狀態(tài)下的成形性能,有利于對其進(jìn)行加工成形和有限元仿真模擬.目前,有關(guān)新淬火狀態(tài)下板料的成形性能及相關(guān)信息較少,在成形及有限元仿真模擬時均采用退火狀態(tài)下的工藝參數(shù)和成形極限來替代新淬火狀態(tài)下的,結(jié)果誤差較大.由成形極限圖(FLD)能得到變形時板料在平面內(nèi)的兩個主應(yīng)變聯(lián)合作用下,某一區(qū)域發(fā)生破裂或頸縮時的最大應(yīng)變.現(xiàn)階段實(shí)際生產(chǎn)中普遍采用的是由 KEELER等[３]和 GOODWIN[４]提出的以極限應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的成形極限圖,這些成形極限圖為評價板料的成形性能以及處理板料成形中的問題提供了技術(shù)基礎(chǔ)和判斷依據(jù).目前,我國研究人員已對鋁合金、鋼、高溫合金板料的成形性能進(jìn)行了研究并取得了一定的成果[５Ｇ８],例如對新淬火狀態(tài)的２D１２變形鋁合 金 板 料 進(jìn) 行 了 成 形 極 限 試 驗(yàn) 和 有 限 元 分析[９Ｇ１０];對不同溫度７０７５ＧT６鋁合金進(jìn)行了成形極限試驗(yàn)研究,并得到了溫度對鋁合金成形性能的影響規(guī)律[１１];從控制塑性變形能的角度,建立了板料的成形極限預(yù)測判據(jù)[１２].

然而,相關(guān)手冊資料中有關(guān)２A１２鋁合金的工藝數(shù)據(jù)僅局限于屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率,且數(shù)據(jù)大多是在退火狀態(tài)下測得的.為此,作者研究了新淬火狀態(tài)２A１２鋁合金的成形極限.

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法

１．１ 試樣制備

試驗(yàn)材料為哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限公司提供的自 然 時 效 狀 態(tài) 下 的 ２A１２ 鋁 合 金 板,厚 度 為１．０mm,化學(xué)成分如表１所示.

根據(jù) GB/T１５８２５．８－２００８,采用改變試樣寬度、時效時間和潤滑條件的方法進(jìn)行脹形試驗(yàn),繪制成形極限圖,試驗(yàn)步驟如下.

在數(shù)控銑床上沿軋制方向加工出如圖１所示的試樣,用粗、細(xì)砂紙打磨邊緣,保證過渡圓角處光滑、無毛刺.試樣的截面形狀有兩種,一種為中部稍窄、兩端稍寬的階梯形,另一種為長方形,長方形試樣的寬度b 分別為１００,１２０,１４０,１６０,１８０mm.

將不同形狀的試樣在溫度為(４９７±３)℃的硝鹽槽中進(jìn)行淬火處理,保溫２５ min,用溫度不高于３０ ℃的水冷卻.冷透后的試樣在４０~５０ ℃的熱水槽中清洗,再在(１００±５)℃的試片爐中保溫(１２０±１０)min,空 冷.所 有 試 樣 進(jìn) 行 校 形 處 理 后,置 于－１７ ℃冷藏箱內(nèi)恒溫保存.將試樣從冷藏箱中取出,用專用鋁合金電解液通電腐蝕２０s,從而在試樣表面印制出直徑為５mm的網(wǎng) 格 圓.試 樣 在 室 溫 下 分 別 自 然 時 效 １０,２０,３０min后,在ServoＧPress１５０型液壓伺服試驗(yàn)機(jī)上采用 LDH 凸模進(jìn)行脹形,凸模外徑為１００ mm,運(yùn)動速度為１．５mm??s－１;潤滑方式分別為聚乙烯薄膜固體潤滑,油液體潤滑和無潤滑;成形過程由計算機(jī)自動控制操作,試樣發(fā)生破裂或產(chǎn)生頸縮時設(shè)備自動停止.。

在脹形之后網(wǎng)格圓主要發(fā)生３種變形,如圖２所示,圖中d０ 為初始網(wǎng)格圓的直徑,５mm;d１,d２ 分別為變形后網(wǎng)格圓的長軸和短軸.在每個試樣破裂。區(qū)的周圍選?。硞€完整的、變形程度較大的網(wǎng)格圓,使用 Vispec影像測量儀測量網(wǎng)格圓的長軸和短軸,計算試樣的表面真實(shí)極限應(yīng)變,計算公式為

圖２ 網(wǎng)格圓的３種變形方式

Fig．２ Threedeformationmodesofthegridcircle

式中:ε１ 為沿長軸方向的表面真實(shí)極限主應(yīng)變;ε２ 為沿短軸方向的表面真實(shí)極限次應(yīng)變. 以ε１ 為橫坐標(biāo),ε２ 為縱坐標(biāo),繪制得到成形極限圖.

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１ 宏觀形貌

由圖３可知:在相同時效時間下,固體和液體潤滑條件下試樣的破裂或頸縮現(xiàn)象比無潤滑條件下的明顯;在相同潤滑條件下,時效時間短的試樣的破裂或頸縮現(xiàn)象更明顯.

２ 成形極限圖

在成形過程中,金屬薄板在達(dá)到分散性失穩(wěn)后,會持續(xù) 一 段 時 間 的 塑 性 變 形,再 發(fā) 生 集 中 性 失穩(wěn)[１３Ｇ１４].因此,可根據(jù)網(wǎng)格的分布將在一定條件下得到的成形極限圖分為安全區(qū)、臨界區(qū)和破裂區(qū)等３個區(qū)域.

作者采集了試樣破裂處附近(如圖４所示)應(yīng)變最大的網(wǎng)格圓數(shù)據(jù),將這些數(shù)據(jù)代入式(１)和式(２),計算得到試樣的表面真實(shí)極限應(yīng)變,繪制成成形極限圖,如圖５所示.圖５中由真實(shí)應(yīng)變數(shù)據(jù)點(diǎn)所構(gòu)成的條帶形區(qū)域?yàn)榕R界區(qū),條帶形區(qū)域外上方為破裂區(qū),下方為安全區(qū).

根據(jù)文獻(xiàn)[７Ｇ８,１１,１５],對新淬火狀態(tài)２A１２鋁合金成形極限圖中的左半部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,右半部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行二次函數(shù)擬合,擬合公式分別為式中:F０ 為成形極限圖中上部分曲線的最高點(diǎn);F１為成形極限圖中下部分曲線的最低點(diǎn);a,b 為系數(shù).式(３)和式(４)體現(xiàn)了板料成形過程中的平面應(yīng)變狀態(tài),擬合得到的曲線見圖５.

由圖５可以看出:ε１ 始終為正值,即試樣縱向始終為拉伸狀態(tài),ε２ 由負(fù)值逐漸變?yōu)檎?說明試樣橫向由單向拉伸逐漸過渡到雙向拉伸狀態(tài);隨時效時間的延長,試樣的成形極限曲線保持形狀不變但向下移動,說明試樣的塑性逐漸降低,安全區(qū)越來越小.板料的加工成形應(yīng)在安全區(qū)內(nèi)進(jìn)行.淬火２A１２鋁合金自然時效１０min時的塑性較好,因此其成形加工前的自然時效時間應(yīng)控制在１０min以內(nèi).

３ 結(jié) 論

(１)對自然時效不同時間后得到的新淬火狀態(tài)２A１２鋁合金在不同潤滑條件下進(jìn)行脹形試驗(yàn),得到不同時效時間下的成形極限圖;在脹形過程中試樣縱向始終為拉伸狀態(tài),橫向則由單向拉伸逐漸過渡到雙向拉伸狀態(tài).

(２)隨時效時間的延長,試樣的成形極限曲線形狀基本保持不變,但曲線向下移動,說明試樣的塑性逐漸降低,成形安全區(qū)變小.

(３)試樣經(jīng)自然時效１０ min時仍具有良好的成形性能,成 形 加 工 前 的 自 然 時 效 時 間 應(yīng) 控 制 在１０min以內(nèi).

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-機(jī)械工程材料 > 2018年 > 6期 > pp.55）