5083鋁合金的高溫應(yīng)變速率循環(huán)超塑性

葛永成，徐雪峰，張杰剛

（1.東南大學(xué)成賢學(xué)院，南京 210088；2.南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，南昌 330063；3.首都航天機(jī)械公司，北京 100076）

0 引 言

鋁合金具有密度低、比強(qiáng)度高、成形性好、資源豐富、成本低廉等特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。其中，5083鋁合金因具有中等強(qiáng)度和良好的加工性能、焊接性能及耐腐蝕性能而大量用于航空航天、汽車、輪船等的構(gòu)件［1－4］。然而，由于這些構(gòu)件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成形精度高，采用常規(guī)塑性成形方法難以達(dá)到要求；若能對其超塑性加以利用，則有可能克服其在低溫下成形難的缺點(diǎn)，同時(shí)可以擴(kuò)大其應(yīng)用范圍并且降低制造成本。徐雪峰等［5－6］采用恒應(yīng)變速率、恒速度等拉伸方法研究了5083鋁合金在不同溫度下的超塑性，但目前還未見采用應(yīng)變速率循環(huán)法研究其超塑性的報(bào)道。另外，拉伸試樣的表面粗糙度對其超塑性也有一定的影響，鑒于此，作者分別采用應(yīng)變速率循環(huán)法［7－9］、恒速度法和恒應(yīng)變速率法對具有不同粗糙度的5083鋁合金進(jìn)行了高溫拉伸試驗(yàn)，研究了溫度、拉伸方式以及表面粗糙度對其超塑性的影響，為以后制定5083鋁合金的加工工藝與有限元模擬提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用5083鋁合金板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為4.7%Mg，1.86%Mn，0.04%Cu，0.09%Si，0.21%Fe，0.05%Zn，余 Al。

在450，475，500 ℃下，在 SANS-CMT4104型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上分別采用應(yīng)變速率循環(huán)法、恒速度法、恒應(yīng)變速率法進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。電子萬能試驗(yàn)機(jī)主要由計(jì)算機(jī)、加熱爐、拉伸機(jī)和溫度控制儀4部分組成，高溫電爐為垂直對開型，發(fā)熱體為電熱絲，加熱范圍為330～1 200℃，采用五段控溫，爐體為不銹鋼雙壁結(jié)構(gòu)，其中通入循環(huán)水冷卻，以保證爐殼的溫度不超過80℃，采用控溫儀精確測溫和控溫，控溫精度為±2℃；拉伸機(jī)的有效拉伸長度為400mm。試樣的形狀及尺寸如圖1所示，采用線切割機(jī)將板料沿軋制方向加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣，部分試樣經(jīng)過打磨制成光滑試樣，其粗糙度Ra＝0.2μm，其余為線切割面粗糙的試樣，切割面粗糙度Ra＝0.8μm，試樣的厚度為2.5mm。夾持部分可方便固定于拉伸機(jī)夾頭上，并自動調(diào)整對中。

拉伸試驗(yàn)前先將爐溫升至指定溫度，待爐溫達(dá)到后將試樣放入爐中，保溫8min使試樣均勻受熱。拉伸前，賦予試樣一定的預(yù)緊力，以避免夾頭在拉伸初始階段出現(xiàn)空載情況，試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下。

（1）應(yīng)變速率循環(huán)法：開始階段以初始速率0.8mm·min－1拉伸，運(yùn)行10s后以最大應(yīng)變速率（1×10－2s－1）進(jìn)行拉伸，應(yīng)變速率每隔2s減小Δ˙ε、運(yùn)行半周期（半周期為5min）至最小應(yīng)變速率（1×10－4s－1）；然后又以 Δ˙ε增大，運(yùn)行半周期至最大應(yīng)變速率，就這樣往復(fù)循環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)直到試樣拉斷。將應(yīng)變速率區(qū)間轉(zhuǎn)換為對數(shù)數(shù)據(jù)后，根據(jù)需要進(jìn)行處理（在半個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，可以采集151個(gè)數(shù)據(jù)），此過程由設(shè)計(jì)好的計(jì)算機(jī)程序控制。

（2）恒速度法：拉伸速度分別為0.5，1.0，1.5，2.0mm·min－1。

（3）恒應(yīng)變速率法：應(yīng)變速率分別為1×10－4，5×10－4，1×10－3，5×10－3，1×10－2s－1。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 溫度對伸長率的影響

圖1 拉伸試樣的形狀和尺寸Fig.1 Shape and size of the tensile samples

由表1可知，試樣經(jīng)應(yīng)變速率循環(huán)法拉伸后的最佳變形溫度為475℃，最大伸長率為131%；經(jīng)恒速度法和恒應(yīng)變速率法拉伸后的最佳變形溫度均為500℃，其最大伸長率分別為108%和149%。試樣在三種拉伸方式下均呈現(xiàn)出了一定的超塑性。此外，雖然經(jīng)應(yīng)變速率循環(huán)法拉伸后試樣的伸長率介于恒速度法和恒應(yīng)變速率法之間，但其最佳變形溫度卻比它們的都低，這提高了應(yīng)變速率循環(huán)法在實(shí)際中應(yīng)用的可能性。

表1 表面粗糙試樣在不同拉伸方式下的伸長率Tab.1 Elongation of the surface coarse samples in different tensile methods %

2.2 拉伸方式對拉伸曲線的影響

由圖2可知，在采用應(yīng)變速率循環(huán)法拉伸時(shí)，最大拉伸載荷隨著溫度的升高而下降，真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線呈鋸齒狀波動，這是由應(yīng)變速率在一定范圍內(nèi)循環(huán)變化造成的。在拉伸初始階段之后，試樣以最大應(yīng)變速率進(jìn)行拉伸，此時(shí)變形劇烈，晶體畸變造成的硬化作用明顯，導(dǎo)致拉伸載荷、流變應(yīng)力上升；隨著拉伸的進(jìn)行，應(yīng)變速率每隔一定的時(shí)間（2s）減小Δ˙ε，變形程度緩慢，晶體動態(tài)再結(jié)晶造成的軟化作用大于晶體畸變造成的硬化作用，拉伸載荷、流變應(yīng)力不斷下降；當(dāng)應(yīng)變速率達(dá)到最小值時(shí)，流變應(yīng)力出現(xiàn)應(yīng)力波谷；之后，應(yīng)變速率進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)周期，如此往復(fù)，直到試樣被拉斷。

另由圖2～4可以看出，與恒速度、恒應(yīng)變速率法相比，應(yīng)變速率循環(huán)法的拉伸曲線沒有應(yīng)變硬化與軟化動態(tài)平衡的階段。

2.3 線切割面粗糙度對伸長率的影響

圖2 應(yīng)變速率循環(huán)法拉伸曲線Fig.2 Tensile curves in the strain rate cycling method：（a）load-displacement curves and（b）true stress-true strain curves

圖3 恒速度法真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線Fig.3 True stress-true strain curves for through the constant velocity method

圖4 恒應(yīng)變速率法真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線Fig.4 True stress-true strain curves in the constant strain rate method

圖5 不同拉伸方式下的伸長率Fig.5 Elongation in different tensile methods：（a）the constant velocity method；（b）the constant strain rate method and（c）the strain rate cycling method

由圖5可知，在三種拉伸方式下，線切割面粗糙試樣的伸長率均遠(yuǎn)低于線切割面光滑試樣的；且隨著溫度的升高，兩種試樣伸長率之間的差異變大。這是因?yàn)榫€切割面粗糙試樣的應(yīng)力集中比較明顯，在拉伸過程中易產(chǎn)生裂紋，在高溫拉伸時(shí)，由于試樣原子更活躍，細(xì)小的裂紋即可使原子間裂紋迅速擴(kuò)散，從而使得它與光滑試樣在高溫區(qū)的伸長率差異較大。

2.4 顯微組織

由圖6可見，原始試樣中的初生α相呈粗大的長條狀，且在β基體上有許多細(xì)小的次生α相；在450℃和475℃拉伸后時(shí)，原始組織中初生的長條狀α相已經(jīng)開始消失并趨于變短、變粗，呈等軸球狀。因溫度升高使原始組織中條狀α相發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，晶粒出現(xiàn)細(xì)化、等軸化，在超塑性變形過程中產(chǎn)生應(yīng)力松弛，提高了超塑性。在500℃拉伸后，晶粒的等軸化更加明顯，這是其伸長率升高的重要原因。

3 結(jié) 論

（1）5083鋁合金采用應(yīng)變速率循環(huán)法、恒速度法、恒應(yīng)變速率法拉伸后，其最大伸長率分別為131%，108%，149%，分別對應(yīng)的最佳變形溫度為475℃，500℃，500℃；應(yīng)變速率循環(huán)法的最大伸長率介于恒速度法和恒應(yīng)變速率法之間，但其最佳變形溫度卻比這兩者的均低，提高了在其在實(shí)際中應(yīng)用的可能性。

圖6 原始試樣和不同溫度下應(yīng)變速率循環(huán)拉伸斷口的顯微組織Fig.6 Microstructure of the original sample（a）and the fracture of the samples after tension with strain rate cycling method at different temperatures（b－d）

（2）采用三種方式拉伸后，線切割面粗糙試樣的最大伸長率均遠(yuǎn)低于線切割面光滑試樣的。

（3）采用應(yīng)變速率循環(huán)法拉伸時(shí)，隨著變形溫度的升高，5083鋁合金的原始長條狀組織逐漸斷裂并變短，最后變成等軸組織。

［1］STALEY J T，LIU J，HUNT WH.Aluminum alloys for aerostructures［J］.Advanced Materials ＆Processes，1997，10：17-19.

［2］潘復(fù)生，張丁非.鋁合金及應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：366-367.

［3］劉靜安，周昆.航空航天用鋁合金材料的開發(fā)與應(yīng)用趨勢［J］.鋁加工，1977，20（6）：51-59.

［4］張海軍，錢兵羽，寧江利.不同變形方式對5083鋁合金組織的影響［J］.黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，17（4）：254-258.

［5］徐雪峰，童國權(quán).5083鋁合金400℃的超塑性變形行為和硬化特征［J］.機(jī)械工程材料，2009，33（7）：45-47

［6］徐雪峰，童國權(quán).AA5083合金不同溫度下拉伸流變行為的描述［J］.機(jī)械工程材料，2010，34（6）：89-96.

［7］王高潮，劉振華，杜忠權(quán).鈦合金的SRCI超塑性及其計(jì)算機(jī)優(yōu)化［J］.南昌航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1997（3）：26-32.

［8］耿啟東，王高潮，董洪波.TA15合金應(yīng)變速率循環(huán)超塑性研究［J］.熱加工工藝，2008，37（11）：43-48.

［9］王高潮，劉振華，杜忠權(quán).Ti-15-3合金超塑性最佳變形模式的研究［J］.航空材料學(xué)報(bào)，1998，18（3）：22-28.