6066鋁合金熱擠壓變形行為研究*

強(qiáng) 華，徐尊平

(1.重慶人文科技學(xué)院機(jī)電與信息工程學(xué)院，重慶401524；2.西南大學(xué)材料與能源學(xué)部，重慶400715)

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6066鋁合金熱擠壓變形行為研究*

強(qiáng) 華1，徐尊平2

(1.重慶人文科技學(xué)院機(jī)電與信息工程學(xué)院，重慶401524；2.西南大學(xué)材料與能源學(xué)部，重慶400715)

采用有限元技術(shù)模擬了6066鋁合金熱擠壓過(guò)程，系統(tǒng)分析了擠壓比和摩擦系數(shù)對(duì)鋁合金變形區(qū)的流動(dòng)行為、應(yīng)變分布及擠壓載荷的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了擠壓參數(shù)對(duì)鋁合金的組織及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：擠壓比對(duì)材料變形區(qū)的應(yīng)變的影響較大，隨擠壓比的增大，材料的塑性應(yīng)變很快增大，晶粒細(xì)化越明顯，合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率也顯著提高。隨摩擦系數(shù)的增大，材料的塑性應(yīng)變及擠壓載荷越大，應(yīng)變分布的均勻性變差。

6066鋁合金 熱擠壓 組織 力學(xué)性能

0 引言

6066鋁合金屬于Al-Mg-Si系合金，具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性，在工程結(jié)構(gòu)中具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著高速列車(chē)的快速發(fā)展，對(duì)車(chē)體材料的性能要求也越來(lái)越苛刻， 如何提高鋁合金的綜合力學(xué)性能已成為研究的熱點(diǎn)。已有研究表明，經(jīng)熱塑性變形后，材料的晶粒得到細(xì)化，使材料的綜合力學(xué)性能得到大大提高[1-3]。然而影響擠壓變形過(guò)程的因素較多，不同的變形工藝對(duì)樣品性能的影響也很大[4-6]。利用有限元模擬技術(shù)，模擬6066鋁合金在不同的擠壓比和不同的摩擦系數(shù)時(shí)材料的變形行為，分析擠壓參數(shù)對(duì)材料的應(yīng)變及擠壓載荷的影響規(guī)律，然后通過(guò)組織觀察及拉伸試驗(yàn)研究擠壓對(duì)鋁合金的微觀組織及力學(xué)性能的影響關(guān)系[7-9]。

1 有限元模擬參數(shù)的設(shè)定

假設(shè)材料屈服后的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系為等向非線性強(qiáng)化模型，其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系為：

(1)

擠壓溫度設(shè)為360℃，坯料尺寸為φ20 mm×25 mm，擠壓比分別取4∶1、25∶1和50∶1三種情況，凸模擠壓速度為2.5 mm/s，摩擦系數(shù)f分別取0.05、0.1和0.2。對(duì)各種情況下鋁合金的變形行為及擠壓載荷進(jìn)行了系統(tǒng)分析，得出了它們之間的影響規(guī)律。

在擠壓過(guò)程中，考慮到有些區(qū)域變形很大，網(wǎng)格變形嚴(yán)重，所以需要對(duì)此部位劃分較細(xì)的網(wǎng)格。在擠壓過(guò)程模擬中不考慮應(yīng)變速率及摩擦生熱對(duì)材料性能的影響。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 擠壓比的影響

在摩擦系數(shù)f= 0.05時(shí)，擠壓比對(duì)合金變形區(qū)的等效塑性應(yīng)變?nèi)鐖D1所示。從圖中可以看出，鋁合金坯料在模具出口附近的等效塑性應(yīng)變值最大，這是由于受模具內(nèi)壁的摩擦阻礙及模具底部的形狀的限制，坯料外側(cè)的流動(dòng)速度明顯低于坯料中部的流動(dòng)速度。在靠近模具出口的端面處，擠壓坯料具有明顯的材料靜止區(qū)域(死區(qū))?？梢酝ㄟ^(guò)優(yōu)化模具幾何形狀及選擇恰當(dāng)?shù)臄D壓速度來(lái)控制材料的靜止區(qū)域，從而提高材料的擠壓效果。擠壓比從4∶1增大到25∶1，坯料的最大等效塑性應(yīng)變值從2.664增大到4.621且坯料的等效塑性應(yīng)變呈現(xiàn)不均勻地增大。

圖1 坯料的等效塑性應(yīng)變

2.2 摩擦系數(shù)的影響

圖2 摩擦系數(shù)對(duì)擠壓載荷和應(yīng)變的影響

擠壓比為25∶1時(shí)，摩擦系數(shù)對(duì)擠壓載荷的影響如圖2所示。由圖2可以看出，隨摩擦系數(shù)的增加，擠壓載荷和坯料的塑性應(yīng)變均呈增大趨勢(shì)。由于摩擦的存在，坯料與模具接觸的邊緣部分受到阻礙，坯料邊緣與中部的相對(duì)流動(dòng)速度增大，使得材料中的最大應(yīng)變值增大且變形增大呈現(xiàn)不均勻性?？赏ㄟ^(guò)降低材料與模具之間的摩擦來(lái)減小擠壓載荷，延長(zhǎng)模具的壽命并獲得均勻的塑性變形。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 金相組織

圖3為鋁合金擠壓前后的金相組織，從圖中可以看出，擠壓比越大鋁合金晶粒的細(xì)化程度越大。擠壓前，鑄態(tài)鋁合金的晶粒尺寸約為100 μm～200 μm(圖3(a))，隨擠壓比的增大，晶粒尺寸呈減小趨勢(shì)且晶粒大小更為均勻。在擠壓比為50∶1時(shí)，平均晶粒尺寸約為3 μm。這是由于在熱擠壓過(guò)程中發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶而導(dǎo)致晶粒細(xì)化，晶粒細(xì)化的趨勢(shì)與仿真模擬的結(jié)果一致。

圖3 鋁合金的金相組織

3.2 拉伸斷口

圖4 拉伸斷口

在擠壓比為25∶1時(shí)，6066鋁合金拉伸斷口形貌如圖4所示。從圖中可以看出，斷口上有大小不等的橢圓形韌窩，可以判斷其斷裂方式為微孔聚集斷裂，因此該狀態(tài)下鋁合金具有較大的延伸率。

3.3 力學(xué)性能

圖5 擠壓比對(duì)6066鋁合金力學(xué)性能的影響

圖5為擠壓前后鋁合金的力學(xué)性能。從圖中可以看出，熱擠壓顯著提高了合金的力學(xué)性能。隨擠壓比的增加，坯料的變形程度越大，晶粒更加細(xì)化且晶粒大小更為均勻，同時(shí)擠壓也增加了材料的位錯(cuò)密度，從而提高了材料的強(qiáng)度。此外，當(dāng)晶界滑移現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，小尺寸晶粒的滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能更好地協(xié)調(diào)變形，從而提高了材料的變形能力，使得其塑性也得到提高。

4 結(jié)論

基于ANSYS軟件對(duì)6066鋁合金的熱擠壓過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬，并通過(guò)金相觀察和拉伸性能分析得出以下結(jié)論：

1)熱擠壓細(xì)化了鋁合金的晶粒尺寸，顯著提高了其力學(xué)性能。

2)6066鋁合金對(duì)擠壓比較敏感，隨擠壓比的增大，鋁合金的變形程度大大提高，晶粒明顯細(xì)化且大小更為均勻，合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率都得到顯著提高。

3)摩擦系數(shù)對(duì)6066鋁合金的變形行為也有較大的影響，隨摩擦系數(shù)的增大，鋁合金的等效塑性應(yīng)變和擠壓載荷都呈增大趨勢(shì)，且應(yīng)變的均勻性變差。

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Hot extrusion deformation of 6066 aluminum alloy

QIANG Hua, XU Zunping

In this study, we simulated the hot extrusion process of 6066 aluminum alloy with finite element method, and analyzed the influence of extrusion ratio and friction factor on the flow, the strain distribution and the extrusion load of the deformation area. Through metallographic structure observation and tensile property analysis, we studied the influence of extrusion parameters on the structure and mechanical properties of aluminum alloy. The results showed that the extrusion ratio had greater influence on the deformation area. With the increase of the extrusion ratio, the plastic strain increased, the grains became more refined, and the tensile strength and the elongation of the alloy improved significantly. With the increase of the friction factor, the plastic strain and the extrusion load increased, and the strain distribution became less even.

6066 aluminum alloy, hot extrusion, structure, mechanical properties

TG397

A

1002-6886(2016)05-0088-03

重慶市教委科學(xué)技術(shù)資助項(xiàng)目(KJ1501601)。

強(qiáng)華(1976-)，女，陜西寶雞人，副教授，碩士，研究方向：機(jī)械制造。

2016-03-25