新型鋁鋰合金板材塑性流動與各向異性性能試驗研究

孫中剛，宋 楠，王 旭，陳 潔，李小強

(1.中國商飛上海飛機制造有限公司航空制造技術(shù)研究所，上海 200436;2.北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，北京 100191)

鋰是最輕的金屬元素，鋁中每添加1%的鋰，便可以降低合金密度3%［1］，提高彈性模量6%.相較于常規(guī)鋁合金，采用鋁鋰合金可使構(gòu)件的質(zhì)量減少15%～20%，剛度提高10%～20%［2］;相較于復(fù)合材料，鋁鋰合金的成本更低，可維修性更好.鋁鋰合金作為一種低密度、高比剛度、高比強度、高疲勞性能的合金材料，已引起航空航天領(lǐng)域?qū)＜业膹V泛關(guān)注，世界各國相繼將鋁鋰合金作為飛行器結(jié)構(gòu)材料的重點研究方向［3］.

以第三代鋁鋰合金為例，自20世紀90年代，西方各國在實施低成本發(fā)射裝置、超輕油箱計劃、重復(fù)使用的航天器核心計劃中，加強了對鋁鋰合金的研究，鋁鋰合金的發(fā)展進入了第三階段［4］.在這一階段，新型鋁鋰合金的研發(fā)目標不再是單純追求合金的全面性能，而是轉(zhuǎn)向開發(fā)具有某些特殊優(yōu)勢的新合金［5］.通過精確控制鋰含量、改善熱處理工藝、優(yōu)化化學(xué)成分等措施，解決了鋁鋰合金塑性和韌性低、高向性能差和各向異性嚴重等問題，提高了鋁鋰合金的耐蝕性和強韌性.開發(fā)出高強可焊的 1460、低各向異性的 AF/C489和AF/C458、高韌的2097和2179、高抗疲勞裂紋擴展的C-155系列合金等，這些統(tǒng)稱為第三代新型鋁鋰合金［6］.

本文研究的新型鋁鋰(Al-Li-Cu-Mg)合金，首次亮相于2011年巴黎航展［7］，可用于商業(yè)飛機蒙皮結(jié)構(gòu)件的制造，國內(nèi)外對其組織和性能報道的較少，因此，對新型Al-Li-Cu-Mg合金的研究主要依靠與之成分相近的鋁鋰合金推測出其基本性能以及成形性能［8］.本文將針對新型Al-Li-Cu-Mg合金材料基本成形性能以及各向異性進行研究.

1 常用本構(gòu)模型

1.1 本構(gòu)方程

本構(gòu)關(guān)系是材料的固有屬性，是材料變形過程中必須遵循的客觀規(guī)律，也是描述材料所遵循的與材料結(jié)構(gòu)屬性相關(guān)的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律的方程.典型經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭械膬绾瘮?shù)強化模型，應(yīng)力隨應(yīng)變增加表現(xiàn)為單調(diào)增加函數(shù)，可以較為快速、準確地描述常溫下鋁合金板材的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，如Ludwik方程、Hollomn 方程、Swift方程、Fields Backofen 方程［9］.本文選用Hollomn方程，表達式為

1.2 各向異性屈服準則

為了表征板材成形過程中的屈服行為，屈服準則的選取極為重要的.常用的Hill、Barlat系是否能夠適用于描述新型Al-Li-Cu-Mg合金的屈服行為需要進一步研究.本文將以Hill'48以及Barlat89屈服準則為例.

1.2.1 Hill'48屈服準則

1948年 R.Hill［10］首次將板料各向異性引入屈服方程，仿照Mises屈服準則提出了正交各向異性材料的屈服準則，建立合理描述板料各向異性塑性流動數(shù)學(xué)模型.

平面應(yīng)力狀態(tài)下的Hill'48屈服函數(shù)為

其各向異性特征參數(shù)F，G，H，N可根據(jù)不同的材料由實驗確定，計算公式為

式中，R0、R45、R90分別為與軋制方向分別成 0°、45°、90°方向的厚向異性指數(shù).

1.2.2 Barlat89屈服準則

Barlat和連建設(shè)［11-12］提出了在平面應(yīng)力條件下考慮面內(nèi)各向異性的屈服準則，能準確地描述采用Bishop和Hill晶體材料模型得到的屈服軌跡.該準則引入了正應(yīng)力分量和剪切應(yīng)力分量之間的耦合，表示的屈服面和基于結(jié)晶學(xué)計算的屈服面是一致的，并可以表示單軸和等雙軸拉伸狀態(tài)附近屈服面的小曲率半徑.屈服函數(shù)表達式為

式中:m為非二次屈服函數(shù)指數(shù)，對于體心立方材料m=6，對于面心立方晶體的鋁合金，根據(jù)建議取m=8;x、y分別為平行于軋制方向、垂直于軋制方向;表征各向異性的材料參數(shù)a、h可以根據(jù)厚向異性指數(shù) R0、R45、R90計算得出.

各向異性常數(shù)a、h的計算公式為

p的表達式不能顯式給出，當(dāng)a、h確定后，p值可由式(7)迭代解出.

2 基本成型性能試驗

2.1 試驗試件

為了獲得新型Al-Li-Cu-Mg合金材料的材料性能參數(shù)，按照GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》、GB/T 5027-1999《金屬薄板和薄帶塑性應(yīng)變比(r值)試驗方法》及GB/T 5028-1999《金屬薄板和薄帶拉伸應(yīng)變硬化指數(shù)(n值)試驗方法》標準，北京航空航天大學(xué)飛行器制造工程系對新型Al-Li-Cu-Mg合金金屬板材進行單向拉伸試驗，以掌握該類板材的材料性能數(shù)據(jù)［13-15］.

試驗所用板材為厚度2.2 mm的新型Al-Li-Cu-Mg合金，其化學(xué)成分如表1所示［5］.

表1 新型Al-Li-Cu-Mg合金化學(xué)成分［5］(質(zhì)量分數(shù)/%)

由于Al-Li-Cu-Mg合金各向異性比較顯著，因此，選用 7 個方向(與軋制方向成 0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°)的試樣進行單向拉伸試驗.同時，為了保證試驗數(shù)據(jù)準確，每個方向取樣3個，重復(fù)3次試驗.

2.2 試驗結(jié)果

根據(jù)試驗過程中實時記錄的載荷以及引伸計記錄的應(yīng)變數(shù)據(jù)，將常溫下7個方向試樣的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線繪制在同一張圖中，如圖1所示.

圖1 真實應(yīng)力-真實應(yīng)變曲線圖

由圖1可以看到，90°和0°方向的曲線最高，相對應(yīng)的屈服強度和抗拉強度最大，但延伸率相對較小;15°、30°和 75°方向的曲線略低于 0°方向的曲線，其中15°方向的延伸率最小;45°和60°方向的曲線最低，相應(yīng)的屈服強度和抗拉強度最小，同時，45°方向的延伸率最大.取樣方向?qū)?yīng)力應(yīng)變曲線的影響也印證了Al-Li-Cu-Mg合金各向異性顯著的特點，此特點也直接體現(xiàn)在各方向材料參數(shù)存在顯著差異.

3 本構(gòu)模型參數(shù)確定

3.1 本構(gòu)方程建立

根據(jù)試驗所得應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，選取典型的冪函數(shù)強化模型Hollomon公式為新型Al-Li-Cu-Mg合金本構(gòu)方程.K值和n值可以從與軋制方向成0°方向的單向拉伸真實應(yīng)力真實應(yīng)變曲線擬合得到.擬合了從屈服點到真實應(yīng)變0.10范圍內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線所得的本構(gòu)方程見式(8)，真實應(yīng)力應(yīng)變曲線及擬合應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示，其中彈性段根據(jù)彈性模量直接做線性擬合，塑性段根據(jù)式(8)擬合.由圖2可知，擬合曲線與試驗所得曲線吻合.

圖2 真實應(yīng)力應(yīng)變曲線與擬合曲線

3.2 屈服軌跡

基于1.2節(jié)中所選取的不同各向異性屈服準則，根據(jù)單向拉伸試驗所得 0°、45°以及 90°取樣方向試件的材料參數(shù)，計算得到Hill48、Barlat89各屈服準則中的各向異性特征參數(shù)，并根據(jù)各屈服準則繪制新型Al-Li-Cu-Mg合金屈服軌跡，如圖3所示.理論計算得到的屈服軌跡在σ1=0以及σ2=0兩軸上重合，在橢圓軌跡長軸上存在一定差異.

4 各向異性分析

4.1 Al-Li-Cu-Mg合金各向異性

新型Al-Li-Cu-Mg合金的典型特點之一是各向異性顯著［16］，取樣方向不同，通過單拉試驗所得的真實應(yīng)力應(yīng)變曲線明顯不同，本節(jié)將針對材料性能參數(shù)隨取樣方向的變化趨勢，確定不同取樣方向?qū)π滦虯l-Li-Cu-Mg合金板材性能參數(shù)的影響.

4.1.1 屈服強度

在單向拉伸試驗中，材料從初始彈性狀態(tài)進入塑性狀態(tài)時的應(yīng)力值，是材料出現(xiàn)屈服現(xiàn)象時屈服點的應(yīng)力，為拉伸的初始屈服點，并作為初始彈性狀態(tài)的極限.圖4給出了新型Al-Li-Cu-Mg合金不同取樣方向?qū)Σ牧锨?yīng)力的影響.由圖4中曲線變化趨勢可知，取樣方向從0°到90°，屈服強度先減小后增大，0°和90°的屈服強度接近，15°、30°和 75°方向接近，45°和 60°方向接近最小值，與應(yīng)力應(yīng)變曲線規(guī)律相一致.

圖4 取樣方向?qū)η姸鹊挠绊?/p>

4.1.2 抗拉強度

抗拉強度是表征材料最大均勻塑性變形的抗力，拉伸試樣在承受最大拉應(yīng)力之前，變形是均勻一致的，但超出之后，金屬開始出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，即產(chǎn)生集中變形;對于沒有(或很小)均勻塑性變形的脆性材料，它反映了材料的斷裂抗力.由圖5中曲線的變化趨勢可知，新型Al-Li-Cu-Mg合金的抗拉強度隨取樣方向變化規(guī)律與屈服強度基本一致，與應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化規(guī)律相同.

圖5 取樣方向?qū)估瓘姸鹊挠绊?/p>

4.1.3 延伸率

延伸率是判斷材料塑性好壞的典型指標，延伸率越大，表征其塑性越好.圖6是新型Al-Li-Cu-Mg合金均勻延伸率及斷裂延伸率隨取樣方向的變化規(guī)律.45°方向的試樣延伸率最大，塑性最好;0°、15°和90°方向延伸率較小，塑性較差.

圖6 取樣方向?qū)ρ由炻实挠绊?/p>

4.1.4 厚向異性指數(shù)

試件拉伸時，長度延伸，寬度與厚度都要收縮(變窄、變薄).通常以寬度方向的應(yīng)變與厚度方向的應(yīng)變的比值R來表示兩個方向收縮的不同程度，稱為厚向異性指數(shù).R值越大，表示板料越不容易在厚向發(fā)展變形，即越不容易變薄或增厚.反之，R值越小，表示板料厚向變形越容易，即越易變薄或增厚.本試驗中取沿拉伸方向真實應(yīng)變?yōu)?%時寬度方向和厚度方向的應(yīng)變比作為厚向異性指數(shù).圖7所示為7個方向R值變化趨勢，可以看到，從0°到90°，R 值呈增長趨勢，其中45°方向的R值最大，且各個方向的R值都小于1，與一般鋁合金板材的R值相近.

圖7 取樣方向?qū)值影響

4.2 Al-Li-Cu-Mg合金斷口分析

單向拉伸試驗不同取樣方向試樣的斷裂結(jié)果如圖8所示.記錄每組試樣試驗斷裂后的斷口形貌，并對這些斷口形貌進行分析，分析的原則是:對于相同取樣方向試件所得的3組試樣，3組斷口形貌比較相似時，綜合3種斷口形貌分析;若有一組斷口形貌與其他相比偏差較大，取較為相似的兩組斷口形貌對比分析，從而排除單向拉伸試驗過程中的不確定因素.

圖8 不同取樣方向試樣的斷裂結(jié)果

從圖 8 可以看出，0°、15°和 90°取樣方向的試樣斷口與橫截面成0°方向，屬于最大拉應(yīng)力造成的破壞，與強度理論中最大拉應(yīng)力理論較為吻合，材料呈現(xiàn)部分脆性材料的特征;而 30°、45°、60°及75°取樣方向的試樣斷口與試樣橫截面成45°方向，為最大切應(yīng)力造成的破壞，和強度理論中最大切應(yīng)力理論吻合，材料的塑性特征較為明顯［17］.由真實應(yīng)力-真實應(yīng)變曲線圖(圖1)可知，0°、15°和90°的3個取樣方向的材料延伸率較低，與其呈現(xiàn)的脆性特征有一定的關(guān)系.

上述材料性能參數(shù)從宏觀上反應(yīng)了新型Al-Li-Cu-Mg合金板料的塑性成形性能，究其原因是由材料的微觀組織結(jié)構(gòu)決定的.通過掃描電鏡觀察每個試件經(jīng)過拉伸斷裂后的斷口，從微觀角度分析材料的塑性性能.

單拉試件的斷口主要以瞬間斷裂為主，其形貌為典型的韌窩特征，如圖9所示，韌窩的主要表現(xiàn)為凹坑，部分韌窩中可以看到第二相，如圖9(a)中右下角所示，通常韌窩越深、越大，證明金屬的塑性越好.凹坑呈現(xiàn)圓形，正對視野的為等軸韌窩，如圖9(a)所示，說明此處受等軸應(yīng)力作用，通常試件的宏觀斷口垂直于試件長度方向;凹坑呈現(xiàn)橢圓形，且看不到底部的韌窩為剪切韌窩，如圖9(b)所示，說明此處受剪切應(yīng)力，宏觀斷口面常與試件表面呈明顯銳角.

除韌窩特征外，各個方向的單拉試件斷口都存在帶狀特征，如圖10所示.

帶狀特征表明發(fā)生脆性斷裂、塑性差，以0°和15°方向的斷口較為明顯.從單拉試驗數(shù)據(jù)的對比可知，0°和15°方向的延伸率相對較小，塑性相對較差，與電鏡掃描結(jié)果較為吻合.

圖9 韌窩特征(掃描電鏡圖)

圖10 帶狀特征(掃描電鏡圖)

5 結(jié) 論

1)通過對不同取樣方向進行單向拉伸試驗，獲得了2.2 mm厚新型Al-Li-Cu-Mg合金板料的基本成形性能.

2)以單向拉伸試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，基于對本構(gòu)方程、各向異性屈服準則的研究及對比，建立了新型Al-Li-Cu-Mg合金的本構(gòu)模型，并繪制了其屈服軌跡.

3)新型Al-Li-Cu-Mg合金板料各向異性十分顯著，通過對單拉試驗結(jié)果分析，得到不同取樣方向材料參數(shù)的影響.對斷口形貌的分析表明，材料的塑性越好，其斷口的韌窩特征越大越明顯;反之，帶狀特征越明顯.從微觀角度印證了Al-Li-Cu-Mg合金板材存在的各向異性.

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