2219鋁合金熱壓縮時的流變應(yīng)力本構(gòu)方程

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(中南大學(xué)1.輕合金研究院，2.高性能復(fù)雜制造國家重點實驗室，長沙 410083)

0 引 言

2219鋁合金屬于Al-Cu-Mn 系可熱處理強化合金，具有良好的低溫和高溫力學(xué)性能、斷裂韌性、焊接性能以及抗應(yīng)力腐蝕能力等，廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域[1]，主要用于制造火箭箭體結(jié)構(gòu)件和燃料貯箱封頭件。目前，我國主要采取冷旋壓技術(shù)對火箭燃料貯箱封頭進行整體加工成形，但成形后封頭容易出現(xiàn)起皺、開裂等變形不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象。熱旋壓加工技術(shù)在降低材料變形抗力和提高材料塑性等方面具有獨特的優(yōu)勢[2]，因此有必要研發(fā)制造大型鋁合金封頭件的熱旋壓加工工藝。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對2219鋁合金的研究主要集中在攪拌摩擦焊[3-4]、熱處理后的機械加工性能[5]、穩(wěn)態(tài)蠕變本構(gòu)方程[6]等方面，對其熱變形時的流變應(yīng)力本構(gòu)方程研究較少。當(dāng)熱旋壓溫度超過350 ℃時，鋁合金板材軟化太嚴(yán)重，不利于對其進行加工。因此，作者對O態(tài)2219鋁合金在350 ℃及以下溫度進行高溫壓縮試驗，研究了該鋁合金在不同應(yīng)變速率和變形溫度下的流變行為，建立了熱壓縮時的流變應(yīng)力本構(gòu)方程，為制定2219鋁合金的熱旋壓加工工藝提供理論依據(jù)。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為O態(tài)2219鋁合金板，由廣西南南鋁加工有限公司提供，其化學(xué)成分如表1所示。在鋁合金板上截取尺寸為φ7 mm×10.5 mm的圓柱體試樣，在Gleeble-3180型熱模擬試驗機上進行單道次熱壓縮試驗。試驗前將熱電偶焊接在試樣側(cè)面測試樣的溫度，以確保其溫度在試驗過程中保持不變；以5 ℃·s-1的升溫速率將試樣加熱到變形溫度(200，250，300，350 ℃)，保溫5 min后，分別以0.1，1.0，10.0 s-1的應(yīng)變速率進行壓縮變形，總變形量為30%，總應(yīng)變?yōu)?.36，壓縮變形結(jié)束后立即水冷到室溫。

表1 2219鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of 2219 aluminumalloy (mass) %

2 試驗結(jié)果與討論

由圖1可以看出：當(dāng)應(yīng)變速率相同時，2219鋁合金的流變應(yīng)力隨著變形溫度的升高而減小，同時該鋁合金的壓縮屈服強度和抗壓強度降低，這是因為變形溫度越高，鋁合金抵抗變形的能力越弱；當(dāng)變形溫度相同時，2219鋁合金的流變應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的增大而增大，同時該鋁合金的壓縮屈服強度和抗壓強度也升高。在較大的應(yīng)變速率下，晶粒無法在短時間內(nèi)滑移，只能在原地做彈性擺動，且其擺動幅度隨應(yīng)變速率的增大而增大[7]，而擺動幅度與應(yīng)力、屈服強度和抗壓強度成正比；同時應(yīng)變速率的增大使應(yīng)變時間縮短，材料來不及軟化，從而產(chǎn)生應(yīng)變速率硬化效應(yīng)；另外，隨著壓縮的不斷進行，2219鋁合金產(chǎn)生應(yīng)變硬化效應(yīng)：因此，流變應(yīng)力、屈服強度、抗壓強度均隨應(yīng)變速率的增大而增大。

圖1 不同應(yīng)變速率和變形溫度下2219鋁合金的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.1 Ture stress-true strain curves of 2219 aluminium alloy at different strain rates and deformation temperatures

3 流變應(yīng)力本構(gòu)方程的建立

由于2219鋁合金在熱壓縮過程中存在應(yīng)變硬化和應(yīng)變速率硬化現(xiàn)象，因此選用Fields-Backofen方程來描述其流變行為，其表達(dá)式為

(1)

式(1)中n的大小表明材料均勻變形能力的強弱，n越大，則材料的硬化效應(yīng)越明顯，成形極限越高。對式(1)兩邊分別取自然對數(shù)，得到

(2)

圖2 不同變形溫度下n與的擬合曲線Fig.2 Fitting curves of n vs at different deformation temperatures

(3)

式中：A為應(yīng)變速率對n的影響系數(shù)；B為變形溫度對n的影響系數(shù)。A，B的擬合結(jié)果如表2所示。

表2 不同變形溫度下A，B的擬合結(jié)果Tab.2 Fitting results of A and B at differentdeformation temperatures

由表2可以看出：不同變形溫度下的A相差不大，這表明應(yīng)變速率對n的影響較小，因此A可取不同變形溫度下的平均值，即0.034。用Origin軟件擬合可知，B與溫度T呈近似線性關(guān)系，關(guān)系式為

B=-4.568e-4T+0.251

(4)

將A,B代入式(3),得到參數(shù)n的表達(dá)式為

(5)

圖3 不同變形溫度下lnσ與的擬合曲線Fig.3 Fitting curves of lnσ vs at different deformation temperatures

圖4 m和變形溫度間的關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve of m vs deformation temperature

由圖4可以看出，m與變形溫度基本呈二次函數(shù)的變化規(guī)律，擬合得到m的表達(dá)式為

m=-2.35e-6T2+0.001 65T-0.216 57

(6)

由式(1)可推導(dǎo)出C的表達(dá)式為

(7)

(8)

式中：C1為應(yīng)變速率對C的影響系數(shù)；C2為變形溫度對C的影響系數(shù)。

圖5 不同變形溫度下C和的擬合曲線Fig.5 Fitting curves of C vs at different deformation temperatures

擬合得到的C1，C2如表3所示。由表3可以看出，不同變形溫度下的C1相差較小。為簡化模型，C1取不同變形溫度下的平均值，即-7.48。用Origin軟件擬合得到C2與變形溫度基本呈線性關(guān)系，可以得到C2的表達(dá)式為

C2=-0.676 59T+316.276

綜上所述，2219鋁合金熱壓縮時的Fields-Backofen本構(gòu)方程的3個參數(shù)的表達(dá)式分別為

(10)

m=-2.35e-6T2+0.001 65T-0.216 57

(11)

(12)

4 本構(gòu)模型的驗證

將擬合得到的相關(guān)參數(shù)代入Fields-Backofen本構(gòu)方程，計算得到應(yīng)變速率分別為0.1，1.0，10.0 s-1和變形溫度分別為200，250，300，350 ℃下2219鋁合金的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。由圖6可以看出，通過本構(gòu)方程計算得到的應(yīng)力的變化規(guī)律與試驗得到的相同。

圖6 計算得到2219鋁合金在不同應(yīng)變速率和變形溫度下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.6 Calculated true stress-true strain curves of 2219 aluminium alloy at different strain rates and deformation temperatures

為進一步驗證2219鋁合金熱壓縮本構(gòu)方程的準(zhǔn)確性，將試驗測得的應(yīng)變速率為0.5 s-1、不同溫度下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線與計算所得曲線進行對比。由圖7可以看出，應(yīng)力計算值與試驗值的相對誤差小于5%，這說明該本構(gòu)方程具有較高的準(zhǔn)確性。

圖7 2219鋁合金在應(yīng)變速率0.5 s-1和不同變形溫度下真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的計算結(jié)果和試驗結(jié)果的對比Fig.7 Comparison of calculated results and experimental results of true stress-true strain curves of 2219 aluminium alloy at different deformation temperatures and strain rate of 0.5 s-1

5 結(jié) 論

(1) 當(dāng)應(yīng)變速率相同時，變形溫度越高，2219鋁合金的流變應(yīng)力、屈服強度、抗壓強度越低；當(dāng)變形溫度相同時，應(yīng)變速率越大，2219鋁合金的流變應(yīng)力、屈服強度、抗壓強度越高。

(2) 由Fields-Backofen本構(gòu)方程計算得到的2219鋁合金應(yīng)力的變化規(guī)律與試驗得到的相同，且應(yīng)力計算值與試驗值的相對誤差小于5%，該本構(gòu)方程具有較高的精度。