QCr0.8銅合金動態(tài)力學性能研究

馬繼山，孟憲國，于海平，劉大衛(wèi)，王手龍

（1．西安航天發(fā)動機廠，陜西西安710100；2．哈爾濱工業(yè)大學材料科學與工程學院，黑龍江哈爾濱150001）

QCr0.8銅合金動態(tài)力學性能研究

馬繼山1，孟憲國1，于海平2，劉大衛(wèi)1，王手龍1

（1．西安航天發(fā)動機廠，陜西西安710100；2．哈爾濱工業(yè)大學材料科學與工程學院，黑龍江哈爾濱150001）

通過準靜態(tài)單向拉伸試驗和霍普金森拉桿試驗，對QCr0.8銅合金的動態(tài)力學性能進行了研究，得到了材料高速率下變形行為的Johnson-Cook材料模型，為開展QCr0.8銅合金產(chǎn)品電磁成形工藝研究打下基礎(chǔ)。

QCr0.8銅合金；Johnson-Cook模型；動態(tài)力學性能；電磁成形

0 引言

QCr0.8銅合金具有高強度、高導熱、冷熱態(tài)良好的塑性成形性、良好的焊接性、切削性等特點，在某型號發(fā)動機中廣泛應用。由于發(fā)動機性能提高，其結(jié)構(gòu)具有復雜性、緊湊性、異形化的特點，一些復雜產(chǎn)品采用常規(guī)的沖壓成形工藝無法成形出高質(zhì)量的合格產(chǎn)品。例如，某型號發(fā)動機半球形銅鋼夾層結(jié)構(gòu)的渦輪殼體，其球面?zhèn)缺谏戏ㄏ蚍厛A孔的結(jié)構(gòu)設計要求QCr0.8銅合金內(nèi)壁采用翻邊成形工藝貼合至不銹鋼外壁。由于翻邊孔壁過高，翻邊變形量已接近材料的成形極限，采用常規(guī)的鋼模翻邊成形工藝極易出現(xiàn)翻邊孔破裂，造成球殼產(chǎn)品報廢。尋找一種可靠的成形工藝，實現(xiàn)發(fā)動機特殊結(jié)構(gòu)下QCr0.8銅合金產(chǎn)品的可靠成形是發(fā)動機研制中的一個重要技術(shù)難題。

電磁成形是一種高能高速率的塑性加工方法，其原理是利用脈沖電容器突然釋放其儲存的能量，通過線圈產(chǎn)生強而短促的磁場，當金屬工件處于線圈產(chǎn)生的磁場中，就會在工件中產(chǎn)生感應磁場，利用磁場力使工件發(fā)生變形。與常規(guī)成形方法相比，電磁成形具有模具簡單、零件精度高、表面質(zhì)量好，可提高材料塑性變形能力，利于采用復合工藝等特點[1]。目前電磁成形技術(shù)已被廣泛用于航空、航天、汽車、電子、兵器等工業(yè)領(lǐng)域[2-3]。球殼組件QCr0.8銅合金翻邊采用電磁成形工藝，可提高銅合金材料的成形極限，提高球殼產(chǎn)品翻邊成形的可靠性。

很早以前人們就發(fā)現(xiàn)高速率成形能提高材料的成形性，如Balanethiram等人和Daehn等人就提出了3種導致材料成形性提高的機理[4-6]：①材料高速變形導致應變強化或者說應變速率敏感性的提高；②慣性效應有可能增強了對頸縮發(fā)展的抑制，提高了材料的延伸率；③工件與模具的高速沖擊導致材料放射性塑性展開。QCr0.8銅合金材料的電磁成形是在脈沖磁場力作用下的高速率變形過程，材料在高速率下的變形行為與準靜態(tài)下存在很大的區(qū)別，而高速率動態(tài)變形性能直接關(guān)系到變形參數(shù)研究及變形質(zhì)量控制。然而，高速率成形中材料本構(gòu)關(guān)系的研究仍然不夠完善，還缺乏高速率成形中不同材料的本構(gòu)方程，以指導高速率成形工藝[7]。為了給后續(xù)的研究提供準確的材料模型，本文對QCr0.8銅合金的動態(tài)力學性能開展試驗和研究，即材料高速率下變形行為的Johnson-Cook材料模型。該材料模型的建立需要同時考慮材料在準靜態(tài)下及不同應變速率下的應力應變行為。

1 準靜態(tài)單向拉伸試驗

為了得到材料的Johnson-Cook材料模型，需要測得該材料準靜態(tài)的力學性能。取銅合金板材制成標準拉伸試樣，試樣數(shù)量3件，試樣的加工方式采用線切割，對切割出來的試樣進行打磨，消除拉伸試樣表面的氧化皮及劃痕等。應用電子萬能試驗機進行單向拉伸試驗，試驗執(zhí)行標準依據(jù)GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》，最后得到該材料在室溫下的應力應變數(shù)據(jù)，根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制該材料的真實應力應變曲線如圖1所示。從圖中可以得到該QCr0.8銅合金的屈服強度約為92 MPa左右，斷裂強度約為390 MPa左右，最大延伸率為46%左右。

2 動態(tài)霍普金森拉桿試驗

自1949年Kolsky發(fā)明分離式霍普金森壓桿裝置（SHPB）以來[8]，它一直被認為是測試材料在高應變率下的力學行為的最有效的試驗方法，SHPB能獲得材料在100～10 000 s-1應變速率下的應力應變曲線。采用分離式霍普金森拉桿試驗裝置 (SHTB)對QCr0.8銅合金的動態(tài)力學性能進行測試，試驗原理圖如圖2所示[9]。首先將試驗用試樣夾持在入射桿和透射桿之間，然后用高壓氣槍進行充氣。當達到一定氣壓時氣槍發(fā)射子彈，子彈會撞擊與入射桿相連的后座，產(chǎn)生一個沿桿傳播的一維應力波。該應力波通過與入射桿相連的過渡桿向前傳播，在到達與試樣相連處時，入射桿帶動在入射桿與透射桿之間的試樣產(chǎn)生伸長變形，同時由入射桿與透射桿上的應變片記錄試樣的變形信息。由于整個過程變形極快，試樣會在很高的應變速率下發(fā)生伸長變形，改變氣壓的大小會改變試樣的應變速率，從而可以得到試樣在不同應變速率下的應力應變行為。

為了得到在不同應變速率下該材料的應力應變曲線，選擇4組沖擊氣壓分別進行試驗，氣壓分別為0.4 MPa，0.5 MPa，0.6 MPa和0.7 MPa，每組氣壓下的試驗重復3次。由于試樣尺寸不可能做到完全一致，同時試驗過程中還存在一定的誤差，使得即使在相同的氣壓下所得到的應變速率也不盡相同，但相差不會很大。試驗過后，將數(shù)據(jù)導出并進行相關(guān)的處理，并對每組氣壓下的試驗曲線擬合，獲得不同應變速率下的應力-應變曲線如圖3。

從圖中可以看出，在相同氣壓下得到的材料的平均應變速率并不是完全一樣的，但是相差不明顯。上述曲線的未端表示在該應變速率下試樣達到的最大應變量，由于在試驗中試樣并未發(fā)生斷裂，所以無法得到在不同應變速率時材料的最大延伸率和斷裂強度，但是可以從中得到各個應變速率下材料的屈服強度。

取不同應變速率下該材料的真實應力應變曲線，并將其與準靜態(tài)下的應力應變曲線比較，如圖4所示。從圖中可看出，與準靜態(tài)相比，隨著應變速率的提高，材料的屈服強度得到了明顯的提高，體現(xiàn)了材料的應變速率強化效應。但在高應變速率條件下，隨著應變速率的提高，材料的屈服強度上升并不是很明顯，說明在高應變速率下，材料本身對應變速率的提高已經(jīng)不太敏感了。從圖3中可得到高應變速率下材料的屈服強度如表1所示。

3 材料本構(gòu)模型

由于電磁成形是一種高速率的成形方式，后續(xù)研究時模擬過程中所選用的材料模型需要考慮應變速率對其的影響。通過霍普金森拉桿試驗建立考慮應變速率的Johnson-Cook模型作為本研究所用的材料模型。模型的具體形式如下：

A，B，C，m和n是與材料自身性質(zhì)相關(guān)的系數(shù)。其中，A為材料在準靜態(tài)下的屈服強度；B和n為與應變硬化相關(guān)的常數(shù)；C為應變率敏感指數(shù)；m為溫度軟化系數(shù)。

由于試驗在常溫下進行，所以可以不用考慮溫度項的影響，式（1）可簡化為

上述參數(shù)的確定過程中，A，B和n主要與材料在準靜態(tài)下的應力應變行為有關(guān)，由準靜態(tài)下的單向拉伸試驗確定；參數(shù)C主要與應變速率有關(guān)，由霍普金森桿試驗得到的相關(guān)數(shù)據(jù)確定。式中的參考應變速率取準靜態(tài)下的應變速率，即。當，即在準靜態(tài)下式（4） 可化簡為

當ε=0時，也即準靜態(tài)拉伸時的應變?yōu)榱?，則A=σ，A即為準靜態(tài)屈服強度。

對上式進行簡單的數(shù)學處理得：

準靜態(tài)拉伸所得的應力-應變數(shù)據(jù)點（lnε，ln（ σ- ）

A 滿足上式，對準靜態(tài)下材料的應力應變數(shù)據(jù)用最小二乘法在Origin軟件中擬合出成直線，其中n為直線斜率，lnB為直線截距，最終得到n=0.904，B=648.4。

為了擬合得到系數(shù)C，當塑性應變ε為0時，式（4）可簡化為式（7），此時對應的流動應力剛好是材料在該應變速率下的屈服強度。

4 結(jié)論

通過準靜態(tài)單向拉伸試驗和霍普金森拉桿試驗建立了考慮應變率的QCr0.8銅合金的Johnson-Cook本構(gòu)模型：

該本構(gòu)模型可用于發(fā)動機具有特殊結(jié)構(gòu)的QCr0.8銅合金產(chǎn)品及其他行業(yè)相同材料產(chǎn)品的電磁成形工藝研究。

[1]李春峰.高能率成形技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社, 2001.

[2]訾炳濤,巴啟先,崔建忠.電磁成形設備的國內(nèi)外概況[J].鍛壓機械,1998(3):8-10.

[3]PSY K,RISCH V,KINSEY D,et al.Electromagnetic forming-A review[J].Journal of materials processing technology,,2011,211(5):787-829.

[4]BALANETHIRAM V S,DAEHN G S.Hyperplasticity-increased forming limits at high workpiece velocity[J]. Scripta metall,1994(31):515-520.

[5]BALANETHIRAM V S,HU X,ALTYNOV M,DAEHN G S.Hyperplasticity:enhanced formability at high rates [J].Material processing technologies,1994,45(1/4):595-600.

[6]DAEHN G S,ALTYNOVA M,BALANETHIRAMV S,et al.High velocity metal forming-an old technology addresses new problems[J].JOM,1995,47(7):42-45.

[7]李風.高速率成形中材料本構(gòu)關(guān)系的研究進展[J].材料研究與應用,2008(3):165-168.

[8]KOLSKY H.An investigation of the mechanical properties of materials at very high rates of loading[J].Processings of the Physical Society of London,1949,B62:676-700.

[9]韓玉杰.5A02鋁合金板材磁脈沖成形流動規(guī)律研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2013.

（編輯：陳紅霞）

Research on dynamic mechanical properties of QCr0.8 copper alloy

MA Jishan1,MENG Xianguo1,YU Haiping2,LIU Dawei1,WANG Shoulong1
（1.Xi’an Space Engine Factory,Xi’an 710100,China; 2.College of Materials Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China）

The dynamic mechanical properties of QCr0.8 copper alloy were studied by means of the quasi static unidirectional tension test and the Hopkinson pull-rod test.The Johnson-Cook material model of the deformation behavior of the material at high speed was obtained,which laid a foundation for the research ofelectromagnetic formingtechnologyofQCr0.8 copper alloy.

QCr0.8 copper alloy;Johnson-Cook material model;dynamic mechanical property; electromagnetic forming

V434-34

A

1672-9374(2016)06-0057-05

2016-07-29；

2016-09-28

馬繼山（1970—），男，高級工程師，研究領(lǐng)域為液體火箭發(fā)動機鈑金成形