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)雜制造國家重點實驗室,長沙 ４１００８３)

摘 要:采用 GleebleＧ３１８０型熱模擬試驗機(jī)對２２１９鋁合金進(jìn)行單道次熱壓縮試驗,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鋁合金熱壓縮時的流變應(yīng)力本構(gòu)方程,并進(jìn)行了試驗驗證.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)方程計算得到的２２１９鋁合金應(yīng)力的變化規(guī)律與試驗得到的相同,且應(yīng)力計算值與試驗值的相對誤差小于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,我國主要采取冷旋壓技術(shù)對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特的優(yōu)勢[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,國內(nèi)外學(xué)者對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,對其熱變形時的流變應(yīng)力本構(gòu)方程研究較少.當(dāng)熱旋壓溫度超過３５０℃時,鋁合金板材軟化太嚴(yán)重,不利于對其進(jìn)行加工.因此,作者對 O 態(tài)２２１９鋁合金在３５０ ℃及以下溫度進(jìn)行高溫壓縮試驗,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 試樣制備與試驗方法

試驗材料為 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型熱模擬試驗機(jī)上進(jìn)行單道次熱壓縮試驗.試驗前將熱電偶焊接在試樣側(cè)面測試樣的溫度,以確保其溫度在試驗過程中保持不變;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.對式(１)兩邊分別取自然對數(shù),得到

當(dāng)變形溫度與應(yīng)變速率一定時,lnC 與mlnε?? 都為常數(shù),lnσ與lnε之間滿足線性關(guān)系,n 則為該直線的斜率.選取真應(yīng)力Ｇ應(yīng)變曲線中屈服應(yīng)力與峰值應(yīng)力之間的均勻變形段來計算n.由圖２可知,不同變形溫度下的n 與應(yīng)變速率的對數(shù)呈線性關(guān)系,因此n 可以表示為

式中:A 為應(yīng)變速率對n 的影響系數(shù);B 為變形溫度對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,nlnε為常數(shù),lnσ 與lnε?? 呈線性關(guān)系,直線的斜率即為m.當(dāng)ε為０． ２時,不同變形溫度下lnσ 與lnε?? 的關(guān)系如圖３所示,通過計算得到的m 值見圖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的流變應(yīng)力代入式(１),計算得到不同條件下的C.由圖５可知,變形溫度對C 的影響較大,應(yīng)變速率對C 的影響相對較小,C 與lnε?? 基本呈線性關(guān)系,因此C 可表示為

式中:C１ 為應(yīng)變速率對C 的影響系數(shù);C２ 為變形溫度對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 的 FieldsＧBackofen本構(gòu)方程的３個參數(shù)的表達(dá)式分別為

3. 本構(gòu)模型的驗證

將擬合得到的相關(guān)參數(shù)代入 FieldsＧBackofen本構(gòu)方程,計算得到應(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.由圖６可以看出,通過本構(gòu)方程計算得到的應(yīng)力的變化規(guī)律與試驗得到的相同.

為進(jìn)一步驗證２２１９鋁合金熱壓縮本構(gòu)方程的準(zhǔn)確性,將試驗測得的應(yīng)變速率為０．５s－１、不同溫度下的真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線與計算所得曲線進(jìn)行對比.由圖７可以看出,應(yīng)力計算值與試驗值的相對誤差小于５％,這說明該本構(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,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,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 算 得 到 的２２１９鋁合金應(yīng)力的變化規(guī)律與試驗得到的相同,且應(yīng)力計算值與試驗值的相對誤差小于５％,該本構(gòu)方程具有較高的精度.

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-機(jī)械工程材料>42卷>7期）