航天用6005A鋁合金熱變形行為研究

王勝龍 秦中環(huán) 周小京 劉建峰 張海超 董 陽 郭曉琳

航天用6005A鋁合金熱變形行為研究

王勝龍1秦中環(huán)1周小京1劉建峰2張海超2董 陽3郭曉琳1

(1. 北京航星機器制造有限公司，北京 100013；2. 山東大學(xué)，濟南 250014；3. 山東兗礦輕合金有限公司，鄒城 273515）

通過Gleeble-3800熱模擬試驗機對6005A鋁合金在623～823K溫度和0.01～10s-1應(yīng)變速率下進(jìn)行熱壓縮試驗，研究了6005A鋁合金熱變形行為。基于試驗真實應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，進(jìn)行了溫度修正和摩擦修正，建立了考慮應(yīng)變補償且能夠準(zhǔn)確描述6005A鋁合金材料熱變形過程中流變應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變速率和變形溫度之間關(guān)系的Arrhenius本構(gòu)關(guān)系模型，相關(guān)系數(shù)為0.9985315，平均相對誤差為2.56%。

6005A鋁合金；熱變形行為；真應(yīng)力-應(yīng)變曲線；本構(gòu)方程

1 引言

6005A鋁合金是一種中等強度的Al-Mg-Si系鋁合金，具有密度低、擠壓性好、焊接性好、力學(xué)性能好等優(yōu)點，在民用型材擠壓中得到廣泛應(yīng)用，尤其是在大型薄壁、空心型材等方面的應(yīng)用[1，2]。近年來，隨著我國航天武器裝備事業(yè)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品型號結(jié)構(gòu)功能一體設(shè)計對6005A鋁合金型材提出諸如截面復(fù)雜、內(nèi)孔多、筋板多、壁厚差大、成形性優(yōu)越、尺寸精度高、綜合性能好等更高的要求，而要達(dá)到這些要求需要科學(xué)合理的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計和精確的熱變形參數(shù)保證。因此，研究航天用6005A鋁合金在一系列變形條件下的熱變形行為，探究合金的本構(gòu)關(guān)系模型、顯微組織變化規(guī)律和加工性能對指導(dǎo)6005A鋁合金熱塑性加工具有十分重要的作用。

熱變形中的材料流動行為十分復(fù)雜，受到材料動態(tài)軟化和加工硬化的綜合影響，建立溫度同流變應(yīng)力、應(yīng)變之間的本構(gòu)模型對于預(yù)測流動應(yīng)力十分重要。目前一些學(xué)者對其它牌號的鋁合金本構(gòu)模型構(gòu)建方面進(jìn)行了大量的研究。Chen等[3]研究了6026鋁合金在應(yīng)變速率范圍為0.001～10s-1和變形溫度范圍為673～823K條件下的流動應(yīng)力行為，并且建立了考慮應(yīng)變補償?shù)腁rrhenius本構(gòu)模型。Liu等[4]對6063鋁合金在應(yīng)變速率范圍為0.01～10s?-1和變形溫度范圍為573～723K條件下進(jìn)行了熱壓縮試驗，建立了考慮應(yīng)變補償?shù)谋緲?gòu)方程模擬熱變形行為。

雖然目前對鋁合金熱變形行為的研究已有一定的基礎(chǔ)，但是不同熱變形參數(shù)下航天用6005A鋁合金的流變行為卻鮮有報道。本研究通過Gleeble-3800熱模擬試驗機進(jìn)行等溫、等應(yīng)變速率的熱壓縮試驗，分析材料的流變應(yīng)力行為，對真應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行溫度和摩擦修正，建立6005A鋁合金材料考慮應(yīng)變補償?shù)谋緲?gòu)模型。

2 熱壓縮試驗

熱壓縮試驗在熱模擬試驗機（Gleeble-3800）上開展，本研究所用材料為均勻化處理后的鑄態(tài)航天用6005A鋁合金，在均勻化處理后的鑄錠1/2半徑處，通過線切割獲取直徑為10mm、高度為15mm的圓柱形光滑試樣。變形溫度分別為設(shè)置為623K、673K、723K、773K、823K，應(yīng)熱變速率分別為0.001s-1、0.01s-1、0.1s-1、1s-1、10s-1，試驗總壓下量為60%，應(yīng)變量為0.916。在試樣兩端面涂抹潤滑膏并貼上石墨片以減小試樣與壓頭之間的摩擦。樣品采用熱模擬機電阻加熱，以10K/s的升溫速率加熱至熱壓縮溫度后保溫3min，然后進(jìn)行恒定應(yīng)變速率的熱壓縮試驗。壓縮完畢后，立刻取下試樣并對試樣噴水處理，保留金屬變形組織。壓縮過程中由Gleeble-3800熱模擬機的計算機系統(tǒng)自動采集真應(yīng)力、真應(yīng)變、實時溫度、實時壓縮高度、實時應(yīng)變量等數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 真應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

3.1.1 真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖1 6005A鋁合金在不同變形條件下實測真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖1為通過熱壓縮試驗數(shù)據(jù)計算得到的不同應(yīng)變速率和不同試驗溫度下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。圖1顯示，在相同的應(yīng)變速率和變形溫度下，真應(yīng)力隨著真應(yīng)變的增加先迅速增加，達(dá)到峰值之后略有下降或趨于穩(wěn)定，而后平緩變化，在變形最后階段有所增加。這是在塑性變形過程中動態(tài)軟化和加工硬化相互作用的結(jié)果，動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶產(chǎn)生動態(tài)軟化，位錯增殖以及位錯間的相互作用產(chǎn)生加工硬化。當(dāng)加工硬化作用大于動態(tài)軟化作用時，流變應(yīng)力呈上升趨勢；當(dāng)動態(tài)軟化作用大于加工硬化作用時，流變應(yīng)力呈下降趨勢；二者相當(dāng)時，流變應(yīng)力趨于穩(wěn)定而平緩變化[5，6]。在低應(yīng)變量階段，位錯迅速增加，位錯之間的相互作用強，加工硬化作用明顯，此時無足夠強的能量驅(qū)動動態(tài)軟化發(fā)生，從而流變應(yīng)力急劇上升。應(yīng)變量增加到一定程度后，晶體內(nèi)能量增加，驅(qū)動動態(tài)軟化發(fā)生，且軟化作用逐漸增強，加工硬化被抵消，直到二者作用趨于平衡，流變應(yīng)力在這個過程中趨于穩(wěn)定而平緩變化。隨著變形程度增加，熱模擬試驗機壓頭與圓柱形試樣端面接觸面積逐漸增大，摩擦力增大，金屬變形難度提高，導(dǎo)致流變應(yīng)力略有上升[7]。

由圖1還可看出，在同一變形溫度下，流變應(yīng)力會隨著應(yīng)變速率的增加而顯著增加，故6005A鋁合金是應(yīng)變速率敏感材料。隨著應(yīng)變速率增加，高密度位錯形成速度加快，加工硬化作用明顯增強，同時動態(tài)軟化時間變短，軟化不充分，因此流變應(yīng)力明顯提高[8]。在同一應(yīng)變速率下，隨著變形溫度升高，流變應(yīng)力顯著降低，主要是由于熱激活能增強[3]，位錯等缺陷活動能力提高，晶界遷移變化容易，動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶作用增強而導(dǎo)致的。

3.1.2 真應(yīng)力-應(yīng)變曲線的溫度和摩擦修正

在熱壓縮過程中，變形產(chǎn)熱和摩擦產(chǎn)熱會造成試樣溫度升高，但受熱壓縮機溫控裝置靈敏度限制，溫控裝置無法及時調(diào)整溫度變化，導(dǎo)致流變應(yīng)力曲線反映的溫度有所偏離設(shè)定的溫度。此外，熱壓縮過程中試樣兩個端面與熱壓縮機壓頭之間仍存在一定的摩擦，導(dǎo)致試樣腰部出現(xiàn)“鼓肚”現(xiàn)象，難以做到理論上軸向和橫向應(yīng)變相等的無“鼓肚”均勻變形。由于溫度和摩擦所帶來的誤差導(dǎo)致試驗結(jié)果不能精確反映試樣變形的真實情況，需要對試驗采集到的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

3.1.2.1 真應(yīng)力-應(yīng)變曲線的溫度修正

采用式（1）[9]修正溫度對流變應(yīng)力的影響。

式中：T1為熱壓縮試驗的實測溫度；Tt為熱壓縮試驗設(shè)定的溫度；σ1為熱壓縮試驗的實測應(yīng)力；σt為溫度修正后的應(yīng)力。

在不同變形條件下實測真應(yīng)力-應(yīng)變曲線與溫度修正后真應(yīng)力-應(yīng)變曲線的比較如圖2所示。由圖2可看出，流變應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力之前的低應(yīng)變下，溫度修正作用較小，修正效果隨著應(yīng)變的增加而逐漸變好。隨著應(yīng)變速率增加，修正后的應(yīng)力值越大于實測值，隨著應(yīng)變速率越低，修正后的應(yīng)力值越接近實測值。在高應(yīng)變速率下材料變形劇烈，變形時間短，受熱壓縮機溫控設(shè)備靈敏度限制，對變形熱或者摩擦熱導(dǎo)致的溫差調(diào)控不夠及時，與設(shè)定溫度相比會出現(xiàn)一定的偏差。在低應(yīng)變速率下，變形時間長，熱壓縮機溫控設(shè)備可以及時反應(yīng)來調(diào)控由變形熱或者摩擦熱導(dǎo)致的溫差[10]。高應(yīng)變速率下，材料變形劇烈導(dǎo)致單位時間內(nèi)的產(chǎn)熱多，溫升大，大的溫升使材料軟化，提高了材料的塑性，降低了材料的流變抗力。溫度越低，溫度修正效果越明顯，由于同樣應(yīng)變速率下，單位時間內(nèi)溫升相似，溫升與設(shè)定溫度的比值越大，修正效果越明顯。

3.1.2.2 真應(yīng)力-應(yīng)變曲線的摩擦修正

采用Ebranhimi 和Najafizadeh提出的式（2）[11]修正摩擦因素對流變應(yīng)力的影響：

式中：σ為摩擦修正后的應(yīng)力；σ為溫度修正后的應(yīng)力；為摩擦修正率。

式中：為試樣的瞬時高度；為試樣的瞬時平均半徑；為摩擦接觸因子。

式中：0為試樣的初始高度；0為初始半徑。利用試驗結(jié)束后的試樣形狀尺寸計算摩擦接觸因子：

式中：1為試樣變形后的高度；Δ為試樣變形前后的高度變化值；1為試樣變形后的平均半徑；Δ為試樣變形后的最大鼓肚半徑r與試樣變形后的端面（和壓頭接觸位置）半徑r之差。

試樣壓縮前后變化如圖3所示。在不同變形條件下溫度和摩擦修正后真應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實測真應(yīng)力-應(yīng)變曲線的比較如圖4所示。

圖3 熱壓縮變形試樣

圖4 6005A鋁合金在不同變形條件下溫度和摩擦修正后真應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實測值曲線的比較

由圖4可見，流變應(yīng)力經(jīng)摩擦修正后均小于實測值。在同一溫度和應(yīng)變速率下，摩擦對流變應(yīng)力的影響作用隨著應(yīng)變量的增加逐漸增大，主要是因為隨著壓縮程度的增加，熱模擬試驗機壓頭與圓柱形試樣端面接觸面積明顯增大，摩擦力增加而導(dǎo)致的結(jié)果。

3.2 考慮應(yīng)變補償?shù)腁rrhenius模型

根據(jù)經(jīng)溫度和摩擦修正后的真應(yīng)力-真應(yīng)變數(shù)據(jù)，采用考慮應(yīng)變補償?shù)腁rrhenius本構(gòu)模型描述6005A鋁合金的應(yīng)力與應(yīng)變速率、溫度、應(yīng)變之間的關(guān)系。Arrhenius模型的本構(gòu)方程形式如式（7）所示。

式中：1是試驗中需要測得的材料常數(shù)，其中=1。

將式（8）帶入式（7）中，Arrhenius模型的本構(gòu)方程可以表示為：

對兩邊分別取自然對數(shù)，可得：

為了方便求解，做進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，可得：

根據(jù)上面的方程可知，在溫度一定時，、、關(guān)系曲線呈線性關(guān)系，如圖5a、圖5b、圖5c所示。n1、β、n可通過、、關(guān)系曲線斜率平均值的倒數(shù)求得，Q和A可通過ln[sinh(ασ)]-1/T關(guān)系曲線斜率的平均值和截距的平均值求得。

取應(yīng)變=0.6，與其對應(yīng)的應(yīng)變速率進(jìn)行線性擬合，如圖5所示。求1=8.0602268、=0.240916、=1=0.0298890、=5.954153、=164.648627kJ·mol-1、=6.6146847×1010s-1。

溫度與應(yīng)變速率的關(guān)系可用指數(shù)型zener-hollomon參數(shù)（一般稱作參數(shù)）表示[12]。式（9）的本構(gòu)方程可用參數(shù)表示如下：

根據(jù)雙曲函數(shù)定義，通過式（12），可將流變應(yīng)力寫成含參數(shù)的如下函數(shù)關(guān)系式：

將=0.6時求得的、和帶入式（13），6005A鋁合金流變應(yīng)力可以表示為：

由以上公式推導(dǎo)可看出，式（14）中的流變應(yīng)力只受到變形溫度和應(yīng)變速率的影響。然而材料參數(shù)、和的值受到應(yīng)變的影響，將式（13）中的各項材料參數(shù)、和構(gòu)建為含應(yīng)變的多項式函數(shù)，然后分別取應(yīng)變?yōu)?.05～0.85時的應(yīng)力值（每隔0.05取一個應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力值），計算得到對應(yīng)應(yīng)變下的各項參數(shù)值。為了提高計算的精度，減少誤差，本文使用六次多項式對各個材料參數(shù)進(jìn)行擬合，如式（15）所示，得到的擬合曲線如圖6所示，得到各個多項式函數(shù)的系數(shù)如表2所示。

圖6 材料常數(shù)與應(yīng)變的關(guān)系曲線

表2 6005鋁合金材料常數(shù)α、Q、n和lnA多項式擬合的系數(shù)

將各個材料參數(shù)的多項式帶入式（13）中，得到考慮應(yīng)變補償?shù)谋緲?gòu)方程，如式（16）所示。

式中：()為關(guān)于應(yīng)變的多項式函數(shù)；()為關(guān)于應(yīng)變的多項式函數(shù)；()為關(guān)于應(yīng)變的多項式函數(shù)；()為關(guān)于應(yīng)變的多項式函數(shù)。

為了驗證考慮應(yīng)變補償?shù)谋緲?gòu)方程對流變應(yīng)力預(yù)測的準(zhǔn)確性，將通過本構(gòu)方程計算的預(yù)測值與溫度和摩擦修正后的修正值比較，如7所示。

圖7 6005A鋁合金在不同變形條件下的試驗修正流變應(yīng)力與預(yù)測流變應(yīng)力比較

由圖7可看出，通過本構(gòu)方程計算的預(yù)測結(jié)果與溫度和摩擦修正后的結(jié)果擬合良好。為了對考慮應(yīng)變補償?shù)谋緲?gòu)模型預(yù)測結(jié)果進(jìn)行量化，利用相關(guān)系數(shù)和平均相對誤差對擬合情況進(jìn)行評估。

圖8 預(yù)測應(yīng)力值與試驗修正應(yīng)力值相關(guān)性對比

在應(yīng)變?yōu)?.05～0.85的范圍內(nèi)，6005A鋁合金預(yù)測應(yīng)力值與試驗修正應(yīng)力值相關(guān)性對比如圖8所示，經(jīng)過計算，=0.9985315，=2.56%。因此，本文中考慮應(yīng)變補償?shù)谋緲?gòu)模型能夠準(zhǔn)確地描述6005A鋁合金熱變形過程中流變應(yīng)力與變形溫度、應(yīng)變速率、應(yīng)變之間的關(guān)系。

4 結(jié)束語

a. 6005A鋁合金的流變應(yīng)力行為與熱變形條件有關(guān)。由于加工硬化和動態(tài)軟化的相互作用，真應(yīng)力在相同的應(yīng)變速率和變形溫度下，隨著真應(yīng)變的增加先迅速增加，達(dá)到峰值之后，略有下降或者趨于穩(wěn)定，而后平緩變化，在變形最后階段有所增加。在同一變形溫度下，流變應(yīng)力會隨著應(yīng)變速率的增加而顯著增加，說明了6005A鋁合金是應(yīng)變速率敏感材料。

b. 基于應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)建立的考慮應(yīng)變補償?shù)腁rrhenius本構(gòu)模型為：

可以準(zhǔn)確地描述6005A鋁合金熱變形過程中流變應(yīng)力與變形溫度、應(yīng)變速率、應(yīng)變之間的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.9985315，平均相對誤差為2.56%。

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Research on Thermal Deformation Behavior of 6005A Aluminum Alloy Used in Aerospace

Wang Shenglong1Qin Zhonghuan1Zhou Xiaojing1Liu Jianfeng2Zhang Haichao2Dong Yang3Guo Xiaolin1

(1. Beijing Hangxing Machinery Manufacture Co., Ltd., Beijing 100013;2. Shandong University, Jinan 250014; 3. Shandong Yancon Light Alloy Co., Ltd., Zoucheng 273515)

The thermal compression test of 6005A aluminum alloy at 623～823K and 0.01～10s-1was carried out by Gleeble-3800 thermal simulation testing machine, and the thermal deformation behavior of 6005A aluminum alloy was studied. Based on the true stress and strain data of the experiment, temperature correction and friction correction were carried out, and the Arrhenius constitutive model of 6005A aluminum alloy considering strain compensation was established, which can accurately describe the relationship between flow stress and strain, strain rate and deformation temperature duringthermal deformation of 6005A aluminum alloy. The correlation coefficientis 0.9985315, and the average relative erroris 2.56%.

6005A aluminum alloy；thermal deformation behavior；true stress-strain curve；constitutive equation

TG146.2

A

國防基礎(chǔ)科研計劃資助項目（JCKY2018204B034）。

王勝龍（1988），博士，材料科學(xué)與工程專業(yè)；研究方向：輕合金熱加工成形技術(shù)。

2021-09-06