基于摩擦修正的6061鋁合金熱壓縮變形行為及有限元模擬

王曉溪，董蔚霞，何　敏

(徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州　221018)

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基于摩擦修正的6061鋁合金熱壓縮變形行為及有限元模擬

王曉溪，董蔚霞，何敏

(徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州221018)

摘要：在Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上對6061鋁合金進(jìn)行高溫?zé)釅嚎s變形實(shí)驗(yàn)，變形溫度為300~450 ℃，應(yīng)變速率為0.01~10/s，壓縮變形量為60%.對熱壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行摩擦修正，研究不同變形條件下6061鋁合金高溫?zé)釅嚎s流變行為，并將建立的本構(gòu)方程導(dǎo)入DEFORM-3D有限元分析軟件，自定義材料屬性，對6061鋁合金熱壓縮變形過程進(jìn)行有限元模擬.結(jié)果表明：6061鋁合金在本實(shí)驗(yàn)條件下具有正的應(yīng)變速率敏感性，流變應(yīng)力隨變形溫度的升高而減小，隨應(yīng)變速率的增加而增大；該合金的高溫流變行為可用包含Zener-Hollomon參數(shù)的雙曲正弦形式的修正Arrhenius方程來描述，熱變形激活能為314.304 kJ/mol；6061鋁合金的熱壓縮變形表現(xiàn)出了明顯的內(nèi)外不均勻性，中心部位變形程度最大，試樣內(nèi)部變形區(qū)的等效應(yīng)力模擬值與經(jīng)摩擦修正后的實(shí)驗(yàn)值較為吻合.

關(guān)鍵詞：6061鋁合金；熱壓縮變形；流變應(yīng)力；摩擦修正；有限元模擬

6061鋁合金屬于熱處理可強(qiáng)化、可析出硬化型的Al-Mg-Si系變形鋁合金，因具有較高的比強(qiáng)度、良好的可加工性和焊接性、優(yōu)良的耐蝕性能和耐高溫性能等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛地應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、工業(yè)建筑、家用電器等領(lǐng)域[1].尤其是在汽車制造行業(yè)，6xxx系鋁合金可部分替代傳統(tǒng)鋼材用于零部件生產(chǎn)加工，在實(shí)現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)輕量化、環(huán)保節(jié)能減排等方面扮演著十分重要的角色[2].然而，6xxx系鋁合金在室溫條件下成形性能較差，一般需經(jīng)過熱加工成形才能獲良好的塑性[3-4].因此，研究鋁合金的高溫成形性能對于促進(jìn)其在汽車領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用具有重要意義.金屬高溫塑性變形行為是其制定擠壓、軋制和鍛造等熱加工工藝的理論依據(jù)，而獲得準(zhǔn)確的流變應(yīng)力模型，有助于精確預(yù)測材料的高溫變形行為及微觀組織演變規(guī)律.近年來，國內(nèi)外學(xué)者對鋁合金高溫流變行為的研究十分活躍，但重點(diǎn)多集中在2xxx系[5-7]和7xxx系[8-10]等硬鋁合金，對于6xxx系鋁合金高溫流變行為的深入研究還較少見.

本文在Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上對6061鋁合金進(jìn)行高溫?zé)釅嚎s變形實(shí)驗(yàn)，在對熱壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行摩擦修正的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析變形溫度和應(yīng)變速率對合金流變應(yīng)力的影響規(guī)律，建立了6061鋁合金的高溫流變應(yīng)力本構(gòu)方程，利用DEFORM-3D有限元分析軟件，對合金的熱壓縮變形過程進(jìn)行有限元模擬與分析，以期為6061鋁合金熱加工工藝方案的制定及成形工藝參數(shù)的優(yōu)化提供理論參考.

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為經(jīng)均勻化處理后的6061鋁合金鑄錠，化學(xué)成分如表1所示.實(shí)驗(yàn)前，從鋁合金鑄錠上切取若干個φ10 mm×15 mm的圓柱體，制成高溫?zé)釅嚎s實(shí)驗(yàn)用試樣.

表1　6061鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　%

1.2實(shí)驗(yàn)方法

在Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行6061鋁合金等溫?zé)釅嚎s變形實(shí)驗(yàn)，變形溫度為300，350，400，450 ℃，應(yīng)變速率為0.01，0.1，1，10 /s，壓縮變形量為60%.為減小摩擦對壓縮試樣應(yīng)力狀態(tài)的影響，實(shí)驗(yàn)前在試樣兩端貼上鉭片，并均勻涂抹潤滑劑(石墨+機(jī)油).

加熱階段試樣的升溫速率為1 ℃/s，達(dá)到預(yù)定變形溫度后，保溫5 min，以消除試樣內(nèi)部的溫度梯度.熱壓縮變形實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對壓縮試樣立即進(jìn)行噴水淬火，以保留其高溫?zé)嶙冃谓M織.實(shí)驗(yàn)過程中，由Gleeble-3500熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)自動采集真應(yīng)力、真應(yīng)變、壓力、位移、溫度、時間等數(shù)據(jù)，最終輸出不同變形條件下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線.

2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的摩擦修正

熱壓縮變形過程中，由于試樣端面與壓頭接觸面間不可避免地存在著接觸摩擦，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定值后，試樣將會產(chǎn)生不均勻變形，從而破壞了變形的真實(shí)性[11].實(shí)驗(yàn)結(jié)束后發(fā)現(xiàn)，熱壓縮試樣腰部出現(xiàn)了明顯的“鼓肚”現(xiàn)象(圖1).

圖1　熱壓縮變形試樣

為真實(shí)地反映材料在熱態(tài)變形過程中的動態(tài)響應(yīng)，采用一種簡便方法對熱壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行摩擦修正，即根據(jù)變形功法推導(dǎo)的鐓粗變形力來計(jì)算真實(shí)流變應(yīng)力[12]：

(1)

式中：σf為真實(shí)流變應(yīng)力(MPa)，D、l、Fi分別為熱壓縮變形過程中某時刻試樣的瞬時直徑(mm)、瞬時高度(mm)和瞬時載荷(N)，m為摩擦因子.

摩擦因子m的計(jì)算采用Ebrahimi等[13]提出的能量法：

(2)

式中：ΔR為熱壓縮變形后試樣最大半徑RM與端部半徑RT之差(mm)，ΔH為熱壓縮變形前后圓柱體試樣高度的減小量(mm)，R0、H0分別為試樣的原始半徑和原始高度(mm)，H為熱壓縮變形后試樣的高度(mm).

3結(jié)果與分析

3.1真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

圖2為不同變形條件下，摩擦修正前后的6061鋁合金熱壓縮變形真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線.可以看出，流變應(yīng)力達(dá)到峰值之前，摩擦對流變應(yīng)力的影響很??；隨著應(yīng)變量的不斷增加，當(dāng)流變應(yīng)力達(dá)到峰值之后，摩擦對流變應(yīng)力的影響越來越大，各變形條件下流變應(yīng)力的修正值均小于實(shí)驗(yàn)所測值.

圖2　6061鋁合金熱壓縮變形真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

進(jìn)一步觀察可以看出，在變形溫度為300~450 ℃和應(yīng)變速率為0.01~10/s條件下，流變應(yīng)力在變形初期隨真應(yīng)變的增加而迅速增大，當(dāng)真應(yīng)變達(dá)到一定值時，流變應(yīng)力的增長趨勢變緩并逐漸趨于穩(wěn)定，材料表現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)流變的特征[14].這是由于合金在高溫塑性變形過程中，加工硬化和動態(tài)軟化兩種機(jī)制同時存在，相互制約.變形初始階段，外加應(yīng)力使得合金中的位錯密度不斷上升，材料加工硬化明顯，因而流變應(yīng)力急劇升高；隨著應(yīng)變量的進(jìn)一步增大，晶內(nèi)儲存能越來越多，動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶的驅(qū)動力增大，材料動態(tài)軟化程度逐漸提高，并部分與加工硬化相抵消，因此應(yīng)力增長趨勢變緩；當(dāng)加工硬化與動態(tài)軟化兩者達(dá)到動態(tài)平衡時，變形進(jìn)入穩(wěn)定流變階段，最終表現(xiàn)為真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線近似水平.

從圖2還可以發(fā)現(xiàn)，在同一應(yīng)變速率下，隨著變形溫度的升高，6061鋁合金流變應(yīng)力大幅降低；在同一變形溫度下，隨著應(yīng)變速率的增加，流變應(yīng)力顯著增大.這說明6061鋁合金在本實(shí)驗(yàn)條件下具有正的應(yīng)變速率敏感性.這是由于溫度升高使得熱激活作用增強(qiáng)，原子間動能增大[15]，位錯等缺陷發(fā)生交滑移和攀移的概率顯著增加，動態(tài)軟化機(jī)制作用增強(qiáng)，在真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為流變應(yīng)力水平的下降.而隨著應(yīng)變速率的增加，單位時間內(nèi)的變形量逐漸增大，位錯大量增殖，導(dǎo)致運(yùn)動阻力增大.由于變形時間較短，金屬高溫動態(tài)軟化作用進(jìn)行不充分，加工硬化作用趨于主導(dǎo)地位，進(jìn)而導(dǎo)致合金流變應(yīng)力大幅增加.

3.2高溫流變應(yīng)力方程

σ=σ(Z,ε),

(3)

式中Z為Zener-Hollomon參數(shù)，其物理意義是溫度補(bǔ)償變形速率因子，表達(dá)式為

(4)

研究表明[17]，Z和σ之間服從以下關(guān)系：

Z=A[sinh(ασ)]n,

(5)

式中：A為結(jié)構(gòu)因子(/s)，α為應(yīng)力水平參數(shù)(/MPa)，n為應(yīng)力指數(shù).

上式在較寬的應(yīng)變速率和溫度范圍內(nèi)與實(shí)驗(yàn)相符.聯(lián)立式(4)和式(5)可得

(6)

研究表明，式(6)能夠較好地描述常規(guī)熱加工變形，這一關(guān)系是由Sellars和Tagart提出的一種包含熱變形激活能Q和變形溫度T在內(nèi)的雙曲正弦形式的修正Arrhenius關(guān)系，常用于描述熱激活穩(wěn)態(tài)變形行為.

對式(5)和式(6)中sinh(ασ)進(jìn)行泰勒級數(shù)展開，可分別得到在低應(yīng)力水平下(ασ<0.8)兩式的近似表達(dá)式：

Z=A1σn,

(7)

(8)

在高應(yīng)力水平下(ασ>1.2)，式(5)和式(6)可近似地表示為

Z=A2exp(β σ),

(9)

(10)

當(dāng)應(yīng)變速率為常數(shù)時，假定一定溫度范圍內(nèi)的熱激活能Q保持不變，聯(lián)立式(4)和式(5)，并對等式兩邊分別取自然對數(shù)，得

(11)

進(jìn)一步化簡上式，得

ln[sinh(ασ)]=A3+B(1000/T),

(12)

對式(6)兩邊同取自然對數(shù)，并假定式中熱變形激活能Q與變形溫度T無關(guān)，得

(13)

由上兩式可以確定

(14)

圖4　不同應(yīng)變速率下流變應(yīng)力與變形溫度的關(guān)系　　圖與ln[sin h(ασ)]之間的關(guān)系

將熱變形激活能Q值代入式(4)中，得

(15)

進(jìn)一步對式(5)、式(7)和式(9)兩邊分別取自然對數(shù)，得

lnZ=lnA+nln[sinh(ασ)],

(16)

lnZ=lnA1+nlnσ,

(17)

lnZ=lnA2+βσ.

(18)

將不同變形條件下的Z值與相應(yīng)的峰值應(yīng)力一起分別代入式(16)、式(17)和式(18)中，并進(jìn)行線性回歸，繪制相應(yīng)的lnZ-ln[sinh(ασ)]、lnZ-lnσ、lnZ-σ關(guān)系圖，如圖6所示.

圖6　Z參數(shù)和流變應(yīng)力的相關(guān)性

將圖6(a)斜率(n=7.232 09)、圖6(b)斜率(n=10.734 94)與圖5的平均斜率(n=7.300 592 5)進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，圖6(a)擬合直線的相關(guān)系數(shù)最大且誤差最小.這表明lnZ-ln[sinh(ασ)]關(guān)系較好地滿足線性關(guān)系，即6061鋁合金高溫變形時的流變應(yīng)力滿足Zener-Hollomon參數(shù)的雙曲正弦函數(shù)形式.將前面求得的A、α、n和Q等材料常數(shù)代入式(6)，進(jìn)而得到6061鋁合金熱壓縮變形時的流變應(yīng)力方程

(19)

3.3雙曲正弦模型的驗(yàn)證

將流變應(yīng)力σ表示成Zener-Hollomon參數(shù)Z值的函數(shù)，由式(5)可得

sinh(ασ)=(Z/A)1/n,

(20)

根據(jù)雙曲正弦函數(shù)的定義，有

sinh-1(ασ)=ln[ασ+(ασ2+1)1/2],

(21)

聯(lián)立上述兩式，得

(22)

將已求得的材料參數(shù)值代入式(22)，得到用Z參數(shù)表述的流變應(yīng)力方程為

σ=47.5285ln{[Z/(1.347 42×1023)]1/7.232 09+{[Z/(1.347 42×1023)]2/7.232 09+1}1/2}.

(23)

將不同變形條件下的變形溫度值和應(yīng)變速率值代入式(23)，可計(jì)算出雙曲正弦模型下流變應(yīng)力的預(yù)測值，將其與修正后的流變應(yīng)力實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖7所示.可以看出，6061鋁合金高溫流變應(yīng)力的模型預(yù)測值與實(shí)測值具有較好的一致性.考慮不同變形條件下流變應(yīng)力的差值，計(jì)算出平均相對誤差約為3.8%.這充分表明采用包含Zener-Hollomon參數(shù)的雙曲正弦形式的修正Arrhenius方程來描述6061鋁合金高溫流變應(yīng)力是可行的.

圖7　不同變形條件下流變應(yīng)力預(yù)測值與實(shí)測值的對比圖

4熱壓縮變形過程的有限元模擬

4.1有限元模型的建立

金屬成形過程中，材料流變應(yīng)力對于有限元模型求解的準(zhǔn)確性具有重要影響.將上述建立的6061鋁合金高溫本構(gòu)方程導(dǎo)入DEFORM-3D軟件材料庫，自定義材料屬性，對試樣在某一變形條件下(本文選取變形溫度350 ℃，應(yīng)變速率0.1 /s，變形量60%)的等溫?zé)釅嚎s變形過程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，研究合金在熱壓縮變形過程中應(yīng)變及應(yīng)力場的變化規(guī)律.為提高有限元模擬運(yùn)算的效率，幾何模型按照1/4圓柱體熱壓縮實(shí)驗(yàn)試樣進(jìn)行建模.有限元模擬時，壓縮砧頭速度設(shè)為1 mm/s，摩擦因子設(shè)為0.3.最終建立起的熱壓縮有限元分析模型如圖8所示.

4.2模擬結(jié)果分析

圖9給出了熱壓縮變形后試樣內(nèi)部網(wǎng)格的變化情況.從圖中可以發(fā)現(xiàn)，由于與壓縮砧頭之間存在接觸摩擦，6061鋁合金試樣在熱壓縮變形后側(cè)表面出現(xiàn)了鼓形；試樣內(nèi)部不同位置處網(wǎng)格的畸變程度呈現(xiàn)明顯差異，變形表現(xiàn)出了內(nèi)外不均勻性.按照變形程度不同，試樣在中心對稱面處的變形可分為3個區(qū)域，即端面難變形區(qū)、側(cè)表面小變形區(qū)以及心部大變形區(qū)[18].

圖8　熱壓縮變形有限元分析模型　　　　　　　圖9　熱壓縮變形后試樣內(nèi)部網(wǎng)格示意圖

6061鋁合金熱壓縮變形的不均勻性也直接導(dǎo)致了試樣內(nèi)部應(yīng)變的不均勻分布，其有限元模擬結(jié)果如圖10所示.熱壓縮變形后，受端面摩擦的影響，靠近試樣上下表面金屬流動阻力大，材料變形較為困難，應(yīng)變值最小(如P3點(diǎn)，應(yīng)變最大值僅為0.2)；試樣心部由于受摩擦影響最小，且處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，變形程度最大(如P1點(diǎn)，應(yīng)變值約為1.48)；而試樣的側(cè)表面出現(xiàn)了“鼓肚”現(xiàn)象，應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，變形程度相對較小(如P2點(diǎn)，應(yīng)變值約為0.65).

圖10　熱壓縮變形后試樣內(nèi)部的應(yīng)變分布

圖11為6061鋁合金熱壓縮變形后試樣內(nèi)部應(yīng)力場的分布.可以看出，試樣應(yīng)力場的不均勻分布特征與應(yīng)變場相似.在壓縮變形量為60%條件下，變形結(jié)束時3個典型區(qū)域P1~P3的等效應(yīng)力值分別為76.0,70.48，69.56 MPa，相差不大.這與該條件下熱壓縮實(shí)驗(yàn)所測得的穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力值(69.38 MPa)十分接近.由此可見，該有限元模型能夠準(zhǔn)確求解6061鋁合金熱壓縮變形后試樣變形區(qū)的參數(shù).因此，本文所建立的材料高溫本構(gòu)方程是合理的.

圖11　熱壓縮變形后試樣內(nèi)部的應(yīng)力分布

5結(jié)論

1)對6061鋁合金等溫?zé)釅嚎s實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行摩擦修正，獲得了合金在不同變形溫度和應(yīng)變速率下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線.結(jié)果表明：修正后的流變應(yīng)力值均小于實(shí)驗(yàn)所測值，當(dāng)流變應(yīng)力達(dá)到峰值后，摩擦對流變應(yīng)力的影響越來越大.

2)6061鋁合金高溫?zé)釅嚎s變形時，流變應(yīng)力強(qiáng)烈地取決于變形溫度和應(yīng)變速率兩個因素.流變應(yīng)力隨著變形溫度的升高而降低，隨著應(yīng)變速率的增加而增大.在本實(shí)驗(yàn)條件下，6061鋁合金具有正應(yīng)變速率敏感性.

3)6061鋁合金高溫變形時的流變應(yīng)力可用包含Zener-Hollomon參數(shù)的雙曲正弦形式的修正Arrhenius方程來進(jìn)行描述，其熱變形激活能為314.304 kJ/mol，且流變應(yīng)力的模型預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值具有較好的一致性.

4)6061鋁合金的高溫本構(gòu)方程可用于其高溫成形過程的有限元模擬.模擬結(jié)果表明：6061鋁合金高溫?zé)釅嚎s變形表現(xiàn)出了明顯的內(nèi)外不均勻性；試樣中心部位變形程度最大，試樣內(nèi)部變形區(qū)等效應(yīng)力的模擬值與實(shí)驗(yàn)值較為吻合.

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(編輯武峰)

Hot Deformation Behavior and FEM Simulation of 6061 Aluminum Alloy During Hot Compression Based on Friction Correction

WANG Xiaoxi,DONG Weixia,HE Min

(Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221018,China)

Abstract:Hot compression deformation test of 6061 aluminum alloy was performed on Gleeble-3500 thermal mechanical simulator at the deformation temperature range of 300~450 ℃,the strain rate range of 0.01~10/s and the height reduction of 60%.The errors in experimental data caused by friction were corrected and the flow behavior of 6061 aluminum alloy at elevated temperature under different hot deformation conditions was investigated.In addition, by applying the established constitutive equation into the finite element analysis software DEFORM-3D and creating user-defined material properties,the hot compression process of 6061 aluminum alloy was simulated.The results show that 6061 aluminum alloy has a positive strain rate sensitivity under the given experimental conditions,the flow stress decreases with increasing deformation temperature and increases with increasing the strain rate,which can be described by Zener-Hollomon parameter in the hyperbolic sine equation based on modified Arrhenius model with the hot deformation activation energy of 314.304 kJ/mol.During compression at elevated temperatures, the deformation of 6061 aluminum alloy is inhomogeneous,the largest deformation occurs at the central of specimen and the value of effective stress obtained from finite element simulation is very close to the obtained experimental value.

Key words:6061 aluminum alloy; hot compression deformation; flow stress; friction correction; FEM simulation

中圖分類號：TG146.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-358X(2016)01-0068-09

作者簡介：王曉溪(1985-)，女，講師，博士，主要從事先進(jìn)塑性成形新技術(shù)新工藝、材料成形過程中的數(shù)值模擬以及組織與性能控制等研究.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51401177)；江蘇省大型工程裝備檢測與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放性課題(JSKLEDC201309);

收稿日期：2016-01-05

徐州工程學(xué)院科研項(xiàng)目(XKY2015205)