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(duì)室溫下分別時(shí)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(rùn)滑(固體潤(rùn)滑,液體潤(rùn)滑和無潤(rùn)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(shí)效時(shí)間對(duì)成形性能的影響.結(jié)果表明:時(shí)效１０min時(shí)新淬火狀態(tài)２A１２鋁合金仍具備良好的成形性能,但隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng),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(shí)效時(shí)間應(yīng)控制在１０min以內(nèi).

關(guān)鍵詞:２A１２鋁合金;新淬火;自然時(shí)效;成形極限

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

淬火處理后的一段時(shí)間里所處的尚未發(fā)生或完成時(shí)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(duì)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(shí)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(shí)板料在平面內(nèi)的兩個(gè)主應(yīng)變聯(lián)合作用下,某一區(qū)域發(fā)生破裂或頸縮時(shí)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(píng)價(jià)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(guó)研究人員已對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)判據(jù)[１２].

然而,相關(guān)手冊(cè)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(zhǎng)率,且數(shù)據(jù)大多是在退火狀態(tài)下測(cè)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(shí) 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?cè)嚇訉挾取r(shí)效時(shí)間和潤(rùn)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(zhǎng)方形,長(zhǎng)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(shí) 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(dòng)速度為１．５mm??s－１;潤(rùn)滑方式分別為聚乙烯薄膜固體潤(rùn)滑,油液體潤(rùn)滑和無潤(rùn)滑;成形過程由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制操作,試樣發(fā)生破裂或產(chǎn)生頸縮時(shí)設(shè)備自動(dòng)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(zhǎng)軸和短軸.在每個(gè)試樣破裂。區(qū)的周圍選?。硞€(gè)完整的、變形程度較大的網(wǎng)格圓,使用 Vispec影像測(cè)量?jī)x測(cè)量網(wǎng)格圓的長(zhǎng)軸和短軸,計(jì)算試樣的表面真實(shí)極限應(yīng)變,計(jì)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(zhǎng)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(shí)效時(shí)間下,固體和液體潤(rùn)滑條件下試樣的破裂或頸縮現(xiàn)象比無潤(rùn)滑條件下的明顯;在相同潤(rùn)滑條件下,時(shí)效時(shí)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(huì)持續(xù) 一 段 時(shí) 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(gè)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(jì)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(duì)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(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng),試樣的成形極限曲線保持形狀不變但向下移動(dòng),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(shí)效１０min時(shí)的塑性較好,因此其成形加工前的自然時(shí)效時(shí)間應(yīng)控制在１０min以內(nèi).

３ 結(jié) 論

(１)對(duì)自然時(shí)效不同時(shí)間后得到的新淬火狀態(tài)２A１２鋁合金在不同潤(rùn)滑條件下進(jìn)行脹形試驗(yàn),得到不同時(shí)效時(shí)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(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng),試樣的成形極限曲線形狀基本保持不變,但曲線向下移動(dòng),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(shí)效１０ min時(shí)仍具有良好的成形性能,成 形 加 工 前 的 自 然 時(shí) 效 時(shí) 間 應(yīng) 控 制 在１０min以內(nèi).

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