7075鋁合金蠕變時效成形本構(gòu)模型

王 明 偉， 王 小 慶， 呂 艷， 陶 學(xué) 恒， 孫 先 偉

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院, 遼寧 大連 116034；2.中國華錄松下電子信息有限公司， 遼寧 大連 116023 )

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7075鋁合金蠕變時效成形本構(gòu)模型

王 明 偉1， 王 小 慶1， 呂 艷1， 陶 學(xué) 恒1， 孫 先 偉2

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院, 遼寧 大連 116034；2.中國華錄松下電子信息有限公司， 遼寧 大連 116023 )

基于金屬材料拉伸蠕變及持久性試驗方法，在時效溫度150～190 ℃、初始應(yīng)力100～200 MPa測得了蠕變試驗曲線。以雙曲正弦蠕變本構(gòu)模型為基礎(chǔ)，采用線性回歸方法建立了7075鋁合金蠕變時效本構(gòu)關(guān)系。結(jié)果表明，采用基于雙曲正弦函數(shù)的等溫蠕變本構(gòu)模型得到的擬合曲線與試驗值吻合較好，能準(zhǔn)確描述蠕變時效成形過程，為7075鋁合金蠕變時效成形過程數(shù)值模擬提供了基礎(chǔ)。

蠕變時效成形；鋁合金；本構(gòu)方程

0 引 言

蠕變時效成形技術(shù)是20世紀(jì)80年代針對大型飛機(jī)的整體壁板零件成型開發(fā)的技術(shù)，該技術(shù)是利用鋁合金材料在人工時效溫度下發(fā)生蠕變產(chǎn)生應(yīng)力松弛的特性，將成形與時效同步進(jìn)行，獲得一定的結(jié)構(gòu)形狀同時改善工件性能的工藝[1-3]。蠕變時效成形被認(rèn)作是下一代航空航天行業(yè)特別重要的金屬成形工藝之一，在我國大飛機(jī)項目的研制中具有廣闊的應(yīng)用前景[4]。

對于鋁合金的蠕變時效成形，有關(guān)學(xué)者做了大量的研究。HO等[5]根據(jù)“統(tǒng)一理論”和時效動力學(xué)提出了統(tǒng)一的蠕變時效本構(gòu)方程，并利用ABAQUS有限元軟件對鋁合金厚板蠕變時效成形過程進(jìn)行模擬。陳愿情等[6]對7050鋁合金板材蠕變時效與人工時效的微觀結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)成形應(yīng)力能使板材變形，為η′析出相提供了形核力，且使析出相尺寸更小。黃碩等[7-8]對7B04鋁合金厚板蠕變時效成形進(jìn)行了相應(yīng)研究，確定了蠕變本構(gòu)方程中的材料常數(shù)，并對蠕變時效成形過程進(jìn)行有限元分析，得出了等效蠕變應(yīng)變、屈服強(qiáng)度以及析出相尺寸和分布的變化規(guī)律。通過以上研究可以看出，由于對蠕變時效成形機(jī)理研究不足，沒有建立鋁合金蠕變時效成形的精確分析模型，就無法實現(xiàn)對蠕變時效成形的精確控制。

本文主要以7075鋁合金為研究對象，采用拉伸蠕變及持久性試驗方法，分別在不同時效溫度下進(jìn)行不同應(yīng)力水平的多組蠕變拉伸試驗。在試驗的基礎(chǔ)上，建立了7075鋁合金蠕變時效本構(gòu)方程，為7075鋁合金蠕變時效成形精確控形過程數(shù)值模擬提供理論基礎(chǔ)。

1 蠕變試驗

1.1 試驗材料

試驗材料采用7075鋁合金板材，7075鋁合金的化學(xué)成分見表1。按照GB/T 2039—1997，沿軋制方向切割3 mm厚的標(biāo)準(zhǔn)蠕變試樣，試樣的尺寸如圖1所示。

表1 7075鋁合金化學(xué)成分

1.2 試驗方法

蠕變時效試驗按照GB/T 2039—1997金屬材料高溫拉伸試驗法，在專用的RWS50型電子蠕變試驗機(jī)上進(jìn)行試驗。試驗試樣放置于恒溫加熱爐中，采用快速感應(yīng)加熱方法，在不同變形溫度、不同應(yīng)力條件下, 對試樣進(jìn)行恒應(yīng)力拉伸,由計算機(jī)自動控制,記錄時間、變形量。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)試驗試樣尺寸(單位:mm)

參照7075鋁合金的熱處理工藝規(guī)范，分別在150、175和190 ℃，蠕變時間20 h，應(yīng)力范圍在100～200 MPa條件下進(jìn)行蠕變拉伸試驗，試驗方案如表2所示。圖2顯示了通過試驗得到的這3種不同溫度的在不同應(yīng)力水平下的蠕變曲線。

1.3 結(jié)果與分析

從圖2中可以看出,材料的蠕變率隨著蠕變溫度、應(yīng)力的增加而上升，且蠕變曲線具有相似的特點(diǎn)，即蠕變曲線一般分為三個階段：第一階段為蠕變初期，蠕變應(yīng)變隨著時效時間的增加而增大，并迅速達(dá)到某一值，也稱為瞬態(tài)蠕變階段，其特點(diǎn)是應(yīng)變速率逐漸降低，且持續(xù)時間較短；第二階段為蠕變階段，蠕變應(yīng)變呈線性增加，此階段的應(yīng)變速率恒定不變，因此又稱之為穩(wěn)態(tài)蠕變階段，且此階段的蠕變應(yīng)變速率與應(yīng)力的關(guān)系較為復(fù)雜；第三階段為加速蠕變階段，它是蠕變成形的最后一個階段，其特點(diǎn)為蠕變速率迅速變大直至斷裂。

表2 蠕變試驗方案

材料在不同溫度、不同應(yīng)力作用下的蠕變速率的變化率是不同的，在較低的溫度和應(yīng)力條件下，蠕變速率較小，穩(wěn)態(tài)蠕變階段持續(xù)時間較長，隨著蠕變溫度和應(yīng)力的增大，蠕變速率也迅速增大，第二階段蠕變時間也相對較短，甚至沒有第二階段蠕變，直至斷裂。因此，要滿足實際生產(chǎn)則需要選擇相對較高的溫度和應(yīng)力水平，以獲得較多的蠕變變形。

(a) 150 ℃

(b) 175 ℃

(c) 190 ℃

圖2 蠕變試驗曲線

Fig.2 Curves of creep test

2 蠕變本構(gòu)方程的建立

2.1 蠕變本構(gòu)方程的提出

從圖2中可以看出，影響蠕變曲線的因素較多，蠕變應(yīng)變ε、應(yīng)力σ、時效時間t、時效溫度θ之間存在比較復(fù)雜的關(guān)系。在經(jīng)典的蠕變理論中，一定溫度條件下，一個受單向拉伸應(yīng)力的蠕變試樣的蠕變應(yīng)變ε隨時間的增加而增加的規(guī)律與溫度、應(yīng)力、時間和組織狀態(tài)有關(guān)[9]，一般表示為

ε=f(σ,θ,t,s)

(1)

式中：σ為應(yīng)力，MPa；θ為溫度，℃；t為時間，h；s為材料結(jié)構(gòu)因子。在一定的溫度和應(yīng)力條件下，相同的材料具有固定的材料結(jié)構(gòu)因子，因此，式(1)可表示為

ε=f1(σ)f2(θ)f3(t)

(2)

此種類型的本構(gòu)模型由于比較簡單、材料常數(shù)少，所以經(jīng)常被作為簡單模型使用。為了更好地表達(dá)更為復(fù)雜的蠕變第二階段，一般采用雙曲正弦模型。其典型函數(shù)表達(dá)式為

(3)

式中：A、B為材料常數(shù)；H為蠕變第一階段的蠕變應(yīng)變速率；R為普適氣體常數(shù)；θ0為絕對零度所在溫度。

基于雙曲正弦蠕變本構(gòu)模型，20世紀(jì)90年代，Kowalewski等[10]提出了單向受力條件下的蠕變本構(gòu)方程組

ε．c=Asinh{Bσ(1-H)(1-φ)(1-ω)}H=hσ[1-HH?]ε．cφ．=Kc3(1-φ)4ω=Dε．cì?í??????????

(4)

式中：h、H*、Kc、D為材料常數(shù)；φ為損傷變量。

2.2 蠕變本構(gòu)方程的建立

通過試驗，獲得了7075鋁合金在150、175和190 ℃條件下20 h內(nèi)不同應(yīng)力水平的時間-蠕變應(yīng)變試驗數(shù)據(jù)。從試驗數(shù)據(jù)中可以看出，試驗所采用的蠕變應(yīng)力較低、蠕變時間相對較短，針對單向受力、恒溫條件的蠕變過程，考慮蠕變應(yīng)變速率與應(yīng)力的關(guān)系曲線的特點(diǎn)，結(jié)合式(4)構(gòu)建適用于本研究的蠕變本構(gòu)方程組：

ε．c=Asinh[B(σ-σ0)(1-H)]nH．=hσ[1-HH?]ε．cì?í????

(5)

采用線性回歸方法，對試驗曲線進(jìn)行處理，利用OriginPro數(shù)據(jù)處理軟件對該本構(gòu)模型進(jìn)行擬合，得到適合于式(5)蠕變本構(gòu)方程的材料常數(shù)，如表3所示。

表3 蠕變本構(gòu)方程材料參數(shù)

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和擬合結(jié)果繪出了蠕變應(yīng)變與時間的關(guān)系曲線，如圖3所示。從圖中可以看出，通過擬合所得的曲線與試驗結(jié)果曲線吻合較好，表明所建立的蠕變本構(gòu)方程能夠很好地描述7075鋁合金材料在此試驗溫度和應(yīng)力下的蠕變行為。

(a) 150 ℃

(b) 175 ℃

(c) 190 ℃

圖3 蠕變曲線與擬合曲線的比較

Fig.3 Comparison of creep curves with fitting curves

3 結(jié) 論

通過蠕變試驗獲得了7075鋁合金蠕變曲線，建立了材料蠕變行為本構(gòu)模型，能夠描述7075鋁合金蠕變時效成形行為，并通過對蠕變試驗曲線的擬合，得出適合該本構(gòu)方程的材料參數(shù)。

7075鋁合金的蠕變行為主要取決于溫度、時間和應(yīng)力參數(shù)影響。材料的蠕變速率會隨著蠕變溫度和應(yīng)力的增加而變大，不同溫度、不同應(yīng)力作用下的蠕變速率的變化率不同；在較低的溫度和應(yīng)力條件下，材料的蠕變速率較小，蠕變第二階段持續(xù)時間較長；隨著試驗溫度和應(yīng)力的增大，第二階段蠕變時間相對較短。

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Constitutive mold of creep age forming of 7075 aluminum alloy

WANG Mingwei1, WANG Xiaoqing1, LYU Yan1, TAO Xueheng1, SUN Xianwei2

( 1.School of Mechanical Engineering and Automation, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China； 2.China Hualu Panasonic AVC Networks Company Limited, Dalian 116023, China )

Based on the metal material creep and tensile test methods for durability, the creep experimental curves were measured at the aging temperature of 150-190 ℃ and the initial stress within 100-200 MPa. 7075 aluminum alloy creep aging constitutive relation was established by linear regression method based on the hyperbolic sine creep constitutive mode. The results showed that the fitting curves obtained from the isothermal creep deformation constitutive model based on the hyperbolic sine function were consistent with the experimental data, which could describe the creep aging forming process accurately and provide a basis for numerical simulation of creep age forming process.

creep age forming; aluminum alloy; constitutive equation

2015-05-28.

王明偉(1976-)，男，副教授.

TG306

A

1674-1404(2016)06-0490-04

WANG Mingwei, WANG Xiaoqing, LYU Yan, TAO Xueheng, SUN Xianwei. Constitutive mold of creep age forming of 7075 aluminum alloy[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2016, 35(6): 490-493.