7136鋁合金帶板擠壓有限元模擬

任大為,李 明,劉 杰,楊海琴,張 淼,莊大勇,魯 丹,張 雷

(龍江廣瀚燃氣輪機有限公司,黑龍江 哈爾濱 150001)

Al-Zn-Mg-Cu合金耐腐蝕性好、比強度高,廣泛應用于航空航天等領域。為了深入了解7×××系鋁合金的擠壓變形規(guī)律和優(yōu)化工藝參數(shù),采用模擬軟件擠壓速度、優(yōu)化擠壓溫度等工藝參數(shù),指導工業(yè)化大生產(chǎn),減少擠壓時間和降低成本。Zhang等人[1]研究擠壓速度對空心擠壓型材的影響,指出擠壓速度是擠壓過程中最重要的參數(shù)之一,它直接影響擠壓型材的質(zhì)量和擠壓設備的選擇。Lee等人研究腔室形狀和擠壓速度對焊合壓力和擠壓載荷等因素的影響[2]。陳等人研究了薄壁空心鋁型材擠壓過程的數(shù)值模擬和擠壓模具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,指出了二級焊合室和增設阻流坎的模具結(jié)構(gòu)設計可以進一步地優(yōu)化模具[3]。Lee等人研究AA3003鋁合金冷凝管擠壓,指出擠壓模擬結(jié)果與試驗很接近[4]。Hsiang等人研究管材的熱擠壓過程,指出數(shù)值模擬模型能夠很好地預測管材的熱擠壓過程[5]。Gattmah等人研究熱擠壓參數(shù)對空心管材的影響,指出摩擦因數(shù)的選擇對表面溫度和擠壓力有強烈的影響[6]。Hsu等人研究7075鋁合金非對稱孔擠壓過程,指出調(diào)整工作帶長度可使得金屬的流動更均勻[7]。這些人員的研究都集中在擠壓方面,特別是對模具的改造上,而對材料庫本構(gòu)方程的建立和擠壓參數(shù)的模擬還很少。

本研究通過測繪7136鋁合金的應力-應變曲線,建立7136鋁合金的本構(gòu)關系,將該本構(gòu)關系導入到deform軟件材料數(shù)據(jù)庫中,進行擠壓板材的有限元模擬,通過模擬擠壓過程的溫度場、應力場和速度場等確定最佳擠壓工藝參數(shù),以指導工業(yè)化大生產(chǎn)。

1 試驗材料及方法

試驗所用材料為東北輕合金有限責任公司生產(chǎn)的7136鋁合金圓鑄錠,熔煉配料采用高純鋁(99.99%),高純鋅(99.99%),高純鎂(99.99%),高純銅(99.99%),Al-5Zr中間合金等,晶粒細化劑采用Al-5Ti-B,在電阻爐中加熱、熔煉、攪拌、扒渣,并通過疊壩導爐,在靜止爐除氣,靜止30 min,再進行水冷連續(xù)鑄造,鑄造出φ360 mm×5 800 mm的圓鑄錠,然后車皮、鋸切成φ350 mm×1 000 mm的圓鑄錠,在50 MN擠壓機上擠壓成截面面積20 mm×180 mm的帶板。并在帶板上截取尺寸分別為140 mm×20 mm×20 mm和40 mm×30 mm×30 mm的壓縮試樣。

將加工好的試樣在Gleeble-1500熱模擬機上進行高溫等溫壓縮實驗,實驗溫度范圍為583 K～743 K,應變速率為0.001 s-1～1 s-1,最大總壓縮應變?yōu)?0%,熱模擬機升溫速率為2 ℃/s,保溫時間為10 min。由Gleeble-1500熱模擬機的計算機自動采集應力、應變、壓力、位移、溫度及時間等數(shù)據(jù),繪制真應力-真應變曲線。將繪制好的真應力-真應變曲線經(jīng)過一定的運算得到本構(gòu)關系模型,導入到Deform軟件數(shù)據(jù)庫中,進行不同模擬參數(shù)的數(shù)值模擬,得到相應的溫度場和應力場。

2 7136鋁合金應力-真應變曲線

圖1顯示的是7136鋁合金的應力-真應變曲線。

圖1 是7136鋁合金不同應變速率和不同變形溫度條件的高溫壓縮應力-真應變曲線Fig.1 High-temperature compression stress-true strain curves of 7136 aluminum alloy under different strain rates and deformation temperature conditions

從圖1可以看出,應變速率和溫度對于材料的應力有著極大的影響,一般隨著應變的增加或者溫度的降低,應力增加。這主要是因為在壓縮變形的過程中,發(fā)生了加工硬化、回復和再結(jié)晶過程。在變形的初期階段應力急速增長,這是加工硬化的結(jié)果;在變形的進程中,應力達到一個峰值,然后逐漸下降,在低溫和低應變的條件下容易達到加工硬化和動態(tài)軟化的平衡,使得材料發(fā)生不連續(xù)的動態(tài)再結(jié)晶過程;隨著應變速率和溫度的提高,材料得到大量的能量發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶導致材料發(fā)生軟化,最終應力快速下降。

3 7136鋁合金應力方程

根據(jù)Jiang[8],He[9],Deng[10],Chen[11],Li[12],Zhao[13]等人的研究鋁合金應力、應變速率和溫度之間的本構(gòu)關系能被寫成:

(1)

式中:

n,β,A,α,n—與溫度無關的材料常數(shù),且α=β/n;

ε—應變速率;

σ—應力;

R—氣體常數(shù);

T—熱力學溫度;

Q—變形激活能,即動態(tài)軟化激活能。

對式(1)兩邊取自然對數(shù),在整個應力區(qū)間可以得到

(2)

當ασ≤0.8時

(3)

當ασ≥1.2時

(4)

圖2 本構(gòu)關系圖Fig.2 Constitutive diagram

由圖2a可以發(fā)現(xiàn),各個溫度下的試驗數(shù)據(jù)的線性關系均吻合,取圖中四條直線斜率的平均值,得到n=6.143 678,取圖2b數(shù)據(jù)得到的β求平均值,得到β=0.109 248 MPa-1,則α=β/n=17.78×10-3MPa-1。

為了計算激活能,根據(jù)(2)假設變形激活能與變形溫度無關,可以得到:

(5)

將不同變形條件下的峰值應力、應變速率和α代入式(5)中繪制曲線, 見圖3c,在恒應變速率條件下變形時,假定一定溫度范圍內(nèi)Q值保持不變,根據(jù)ZenereHollomon參數(shù)關系

圖3 顯示的是7136鋁合金的功率耗散圖和熱加工圖Fig.3 Power dissipation diagram and hot working diagram of 7136 aluminum alloy

(6)

將不同變形條件下的峰值應力代入式(6)中,進行線性回歸,繪制相應的lnsinh(ασ)-1 000/T關系圖,見圖3d。可以看出,在相同應變速率條件下,流變應力的雙曲正弦的對數(shù)項和溫度的倒數(shù)之間滿足線性關系。表明σ與T比較好的符合線性關系,從而證實了7136鋁合金高溫變形時流變應力σ與變形溫度T之間滿足修正的Arrhenius本構(gòu)關系模型。因此研究合金的變形激活能Q是1.343 0×105J/mol,接近Jin[14]等人研究的7150鋁合金和Lin[15]等人研究的7075鋁合金的Q值。

對于7136鋁合金,其本構(gòu)方程:

(7)

4 7136鋁合金熱加工圖

利用A.Zarei-Hanzaki等人提出的完整高溫流變模型理論,通過計算得到7136鋁合金的熱加工圖見圖3。從圖3a中可以看出,材料在低溫和高應變速率下加工時容易發(fā)生失穩(wěn),隨著溫度的提高,失穩(wěn)區(qū)逐漸減小,但是溫度的提高在降低失穩(wěn)區(qū)的同時,也帶來性能的惡化,導致大量缺陷產(chǎn)生,所以最佳成形溫度區(qū)間控制在310 ℃～460 ℃之間。圖3b是當前實驗材料的熱加工圖。從圖3b可以看出,在310 ℃～460 ℃的區(qū)間里,在應變ε<1時,不容易發(fā)生失穩(wěn)和異常晶粒長大,以連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶為主。因此后期模擬過程中選擇的溫度參數(shù)390 ℃、420 ℃和460 ℃。

5 7136鋁合金擠壓有限元模擬

采用DEFORM-3D有限元模擬軟件進行7136鋁合金擠壓數(shù)值模擬,根據(jù)模擬結(jié)果分析金屬在變形過程中的流動變化規(guī)律、應力的分布狀態(tài),以及系統(tǒng)分析溫度對金屬塑性變形的影響。

5.1 溫度對擠壓力的影響

圖4顯示390 ℃、420 ℃和460 ℃不同擠壓溫度條件下得到的載荷-行程曲線圖。從圖4可以看出,隨著溫度的提高,所需的擠壓力逐漸降低。這主要是因為溫度的升高,降低了材料發(fā)生塑性變形的臨界應力。

圖4 不同溫度的擠壓力-行程曲線圖Fig.4 Extruded force-stroke curves map under different temperatures

5.2 溫度對應力、應變分布的影響

圖5顯示不同溫度條件下的等效應力場和徑向應力場分布云圖。

圖5 不同溫度條件下的等效應力場和徑向應力場分布云圖Fig.5 Cloud maps of equivalent stress field and radial stress field distribution under different temperature conditions

從圖5可以看出,同樣的180步階段,在390 ℃時,等效應力區(qū)紅色區(qū)域較多,溫度提升到420 ℃時,材料的紅色區(qū)域減少;繼續(xù)升溫到460 ℃,等效應力區(qū)藍色區(qū)域成為主要區(qū)域。這說明材料的應力隨著溫度的提高逐漸降低,從最初的217 MPa下降到46 MPa。

6 結(jié) 論

1)7136鋁合金鑄錠在高溫壓縮變形的初期以加工硬化為主,導致應力呈現(xiàn)指數(shù)增加,隨著變形的繼續(xù),加工硬化和動態(tài)軟化達到動態(tài)平衡,材料的應力不再增加。

2)7136鋁合金的高溫本構(gòu)方程:

3)7136鋁合金最佳加工成形的溫度范圍為390 ℃～460 ℃。

4)模擬結(jié)果顯示,在390 ℃～460 ℃范圍內(nèi)擠壓溫度越高,擠壓過程所需的擠壓力越小,越有利于材料變形。