7475系列鋁合金超塑性流變學(xué)研究

楊建

摘要：在特定成形條件下，鋁合金可表現(xiàn)出超塑性：（1）成形溫度接近熔點(diǎn)溫度（約600℃）;（2）應(yīng)變控制在相當(dāng)?shù)偷乃剑ㄒ话愕陀?0^-3s^-1）。該種性能使得材料在破壞前承受較大的變形量，可用來(lái)成形復(fù)雜的零部件。超塑性成形工藝可用來(lái)生產(chǎn)機(jī)身壁板等零件。然而，超塑性成形工藝的過(guò)程難以控制，事實(shí)上，主要存在的問(wèn)題為預(yù)測(cè)最終成形零件的厚度分布以及確定成形氣壓規(guī)律，以便成形過(guò)程中不出現(xiàn)裂紋等缺陷。為了解決上述問(wèn)題，一般采用有限元模擬的方法，同時(shí)需要具備良好的超塑性材料的性能知識(shí)。本文研究了7475鋁合金的超塑性性能和該性能在成形中的運(yùn)用。采用對(duì)稱拉伸試樣的結(jié)果確定了經(jīng)典冪次方程的參數(shù)，采用最小二乘法減小試驗(yàn)和模擬誤差確定了響應(yīng)曲面，該曲面的結(jié)果與試驗(yàn)的誤差小于10%。通過(guò)上述分析，采用Abaqus模擬復(fù)雜零件的超塑性成形過(guò)程，模擬的結(jié)果在關(guān)鍵區(qū)域未產(chǎn)生損傷，最后通過(guò)充氣壓試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證了數(shù)值模擬的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：鋁合金;超塑性;流變學(xué);試驗(yàn);數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TG146 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

超塑性是某型材料在特定的成形溫度和應(yīng)變速率下，在破壞前承受大變形的能力[1]。利用該種性能，可將薄板材料在隨時(shí)間變化的氣壓下成形為復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件。然而，對(duì)工業(yè)零部件來(lái)說(shuō)，成形時(shí)間可能超過(guò)幾小時(shí)，常采用數(shù)值模擬的方式來(lái)得到好的成形條件。因此，材料參數(shù)如本構(gòu)方程等應(yīng)準(zhǔn)確確定[1，2]。

Norton-Hoff冪次方程常用來(lái)描述材料的超塑性力學(xué)性能[3]，該方程的參數(shù)較易確定，同時(shí)還可通過(guò)Arrhenius方程將溫度的影響集成至經(jīng)典Norton-Hoff方程中，相應(yīng)的方程如下[4]：

式中：σ為等效應(yīng)力，單位為MPa;ε為等效應(yīng)變;ε為等效應(yīng)變速率，單位為s^-1;K為材料常數(shù)，單位為MPa·s^-m;m為應(yīng)變速率敏感系數(shù);n為應(yīng)變硬化系數(shù);Q為材料的激活能，J;R為氣體常數(shù)，單位為J/（K·mol）;T為成形溫度，單位為K。

1 試驗(yàn)過(guò)程

為確定本構(gòu)方程參數(shù)，對(duì)稱試件的單軸拉伸試驗(yàn)在LAMPA實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)如圖1所示。試件在密封的熱成形腔中受到受控的單軸拉伸載荷，該載荷確保試件的拉伸速率控制在1×10^-5～1×10^-3s^-1且為穩(wěn)定值。成形溫度通過(guò)焊接在試件中央的K形熱電偶控制。密封腔中充人氮?dú)庖韵g效應(yīng)。通過(guò)1kN的載荷傳感器測(cè)量所施加的載荷。

2 本構(gòu)方程的確定

開展了在三個(gè)成形溫度（477℃，497℃和517℃，即770K，780K和790K）和4個(gè)應(yīng)變速率（1×10^-3s^-1，5×10^-4s^-1，2×10^-4s^-1和5×10^-5s^-1）下的試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行三次。試驗(yàn)的重復(fù)性較好。由于對(duì)7475鋁合金的力學(xué)性能影響較小，晶粒形態(tài)在本研究中不予考慮（如圖2所示）。

圖3為7475鋁合金材料的力學(xué)響應(yīng)面（ResponseSurface，RS）。在試驗(yàn)條件下，應(yīng)力快速增加，達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的水平，隨后較快下降，表明此時(shí)材料有損傷出現(xiàn)。在恒定的溫度下，當(dāng)應(yīng)變速率增加時(shí)（如圖3（a）所示），應(yīng)力隨之增加，而破壞應(yīng)變降低。在給定的應(yīng)變速率下，當(dāng)溫度上升時(shí)，應(yīng)力隨之下降，而破壞時(shí)的應(yīng)變變化不大（如圖3（b）所示）。

上述試驗(yàn)可用非線性回歸算法確定本研究中用的Norton-Hoff公式中的參數(shù)相關(guān)參數(shù)取值見表1。試驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合的曲面對(duì)比如圖4所示，由圖4可見，該擬合方程的誤差在10%以內(nèi)。

3 超塑性成形過(guò)程數(shù)值模擬

采用Abaqus軟件建立如所圖5（a）示的有限元模型模擬負(fù)載形狀零件的成形過(guò)程。模型模擬了1/4的旋轉(zhuǎn)體零件，在直邊加載對(duì)稱條件，如圖5（b）所示。模型的翻邊劃分為薄殼元，模具用離散剛體建模，采用隱式算法，接觸模型定義為“硬接觸”，摩擦因數(shù)取為0.2。上文確定的材料性能參數(shù)通過(guò)自定義編制的用戶子程序輸入模型中。

超塑性模擬成形過(guò)程的數(shù)值模擬中，對(duì)成型結(jié)果取絕對(duì)影響作用的是生成成形氣壓曲線的算法，相關(guān)算法的對(duì)比可

參考文獻(xiàn)[5]。

Abaqus/Standard默認(rèn)采用Bellet提出的氣壓梯度控制算法[6]。該算法通過(guò)對(duì)實(shí)際應(yīng)變速率相對(duì)于參考應(yīng)變速率的比值的控制，生成相應(yīng)的氣壓控制曲線。該方法總體上模擬結(jié)果良好，在工業(yè)界被廣泛采用。唯一的限制是該方法需采用隱式算法且需采用Abaqus中的蠕變方程來(lái)描述材料的本構(gòu)關(guān)系。表2給出了算法的定義，其中是應(yīng)變速率比值，該數(shù)值由模型中的最大應(yīng)變速率除以事先給定的參考最佳應(yīng)變速率得到。

圖6對(duì)比了模擬得到的結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果。由圖6可知，模擬得到的應(yīng)變變化與試驗(yàn)得到的應(yīng)變值總體上符合，也與相關(guān)研究結(jié)果相符[7～9]。

4 結(jié)論

本研究給出了7475鋁合金的超塑性流變方程參數(shù)。通過(guò)模擬表明，Norton-Hof方程可在一定條件下用來(lái)比較準(zhǔn)確地模擬超塑性成形過(guò)程。在后續(xù)的工作中，上述數(shù)值擬合的方程參數(shù)將通過(guò)不同形狀零件的充氣壓試驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)考慮三次多項(xiàng)式的響應(yīng)面來(lái)描述材料流變關(guān)系。

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