6014铝合金板材温拉伸本构方程.pdf

第42卷第12期Vol． 42 No． 12FORGING 2．北京机电研究所,北京100083)摘要:采用DDL50高温电子万能试验机,在变形温度为298 ~573 K、应变速率为0． 0001 ~0． 01 s -1时,针对6014铝合金薄板进行温拉伸实验研究,基于Fields 温拉伸;本构方程;流变应力;韧性断裂;脆性断裂DOI: 10． 13330/ j． issn． 1000-3940． 2017． 12． 027中图分类号: TG146． 21 文献标识码: A 文章编号: 1000-3940 (2017) 12-0144-06Constitutive equations of aluminum alloy 6014 sheet under warm tensionShen Zhi1 ,2, Xie Tan2, Liang Peixin2(1． Mechanical and Electrical Engineering College, Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330029, China;2． Beijing Research Institute of Mechanical and Electrical Technology, Beijing 100083, China)Abstract: The warm tension tensile tests of aluminum alloy 6014 sheet were performed at deformation temperatures of 298 -573 K withstrain rate of 0． 0001 -0． 01 s -1 on DDL50 high temperature electronic universal testing machine, and a constitutive equation modified byFields warm tension; constitutive equation; flow stress; ductile fracture; britle fracture收稿日期: 2017 -03 -28;修订日期: 2017 -07 -15基金项目:国家重大科技专项“高档数控机床与基础制造装备”(2014ZX04002 -071)作者简介:沈 智(1980 - ),男,博士,工程师,讲师E-mail: nickshen009@163． com随着汽车产业对节能环保的要求越来越高,轻量化发展趋势已成为业界共识[1 -2],世界各国均投入大量人力物力进行了相关研究,铝合金由于具有比强度高、耐腐蚀性好、吸能性好、储量丰富等特点,在汽车上的应用日益受到重视[3]。目前,部分5系与6系铝合金已被应用在汽车覆盖件上,但由于铝合金在常温下塑性很差,成形困难,且回弹较大,对产品形状尺寸的设计有很高的要求,限制了铝合金的广泛运用。王孟君、郎利辉等通过温热单向拉伸实验分别对部分5系与7系铝合金进行了温成形研究,建立了温拉伸本构方程来描述其流变行为[4 -8]; Bai Q, Mohamed M等则针对5754铝合金的温热成形极限进行了实验与模拟研究[9 -10];陈婕尔等通过极限拉深实验与数值模拟研究了5182铝合金板的成形性能[11]。这些研究结果表明,随着温度的升高,其塑性与成形性能均有着明显地提升,并随之运用于部分工业生产中。但对于6系铝合金来说,其研究主要集中于冷成形方面。近些年来,随着热成形-淬火工艺在高强钢上的成熟应用,有学者针对6系铝合金进行了热成形方面的研究。 Wang N等研究了6181 H18铝合金的热成形本构方程[12]; Zhou J等建立了6111铝合金的热拉伸本构方程,并对车门防撞梁的热冲压工艺进行万方数据了模拟与实验研究[13]; Fan X B等利用圆筒拉深与杯突实验对6061铝合金的热成形性能进行了研究[14];李文科等研究了热冲压工艺对6061铝合金U型件成形质量的影响[15]。但目前,针对温成形工艺的研究,尤其是温拉伸时的流变行为研究很少。6014铝合金是近年来新开发出的一种6系铝镁硅合金,尚未见有相关研究文献。本文通过对6014铝合金薄板进行单向拉伸实验,获得其在不同温度、不同应变速率下的真实应力-应变曲线,研究了温度与应变速率对其拉伸性能的影响,并基于Fileds而应变速率对伸长率的影响则较小,随着应变速率的提高,断后伸长率呈下降趋势,温度为473 K时,随着应变速率从0． 0001 s -1升高到0． 01 s -1,其断后伸长率从32． 3%降低到28． 4%。3 材料的本构模型3． 1 模型的选择材料的本构模型用来表示材料变形过程中应力与应变之间的关系。合理准确的本构模型在有限元模拟中将起到至关重要的作用。对于板料拉伸而言,常用的本构方程形式为Fields ε为流变应变; C为材料强度系数。通常在板料的冷成形工艺研究中, C, n, m均为常数,但在铝合金板温成形过程中,由于在不同温度与不同应变速率下, 3个参数值都在变化,需要对其进行修正以满足对板料温成形工艺的研究。3． 2 参数值的修正3． 2． 1 n值的修正不同温度与应变速率下的n值如图3所示,可知n值随温度的上升与应变速率的降低而下降,在同一温度下,与应变速率的自然对数值呈近似线性关系,因此n值可以表示为:n = Aln ε· + B (2)式中: A为应变速率的影响系数; B为温度的影响系数。图3 不同温度下n值与应变速率对数的关系Fig． 3 Relationships between n value and ln ε· atdifferent temperatures将n值与应变速率值代入,并拟合后得到A值与B值,如表2所示。从其数值可以看出,在不同温度下, A值波动较小,取其平均值0． 00988作为定值; B值与温度的关系由图4表示,其与温度T成近似二次函数关系,拟合后得到:B = 0． 22531 + 7． 89908 × 10-4T - 1． 40694 × 10-6T2(3)641锻 压 技 术 第42卷万方数据表2 A与B的拟合结果Table 2 Fitted results of A and BT/ K A B室温0． 01021 0． 3385373 0． 01021 0． 31783473 0． 00977 0． 28983573 0． 00934 0． 21417图4 B值与温度的关系Fig． 4 Relationship between B value and temperature3． 2． 2 m值的修正应变率敏感系数即应变速率的变化对材料拉伸过程的影响,根据多试样法[18]求得m值,如图5所示,使用Matlab进行拟合得到其与温度的三次函数关系式:m = - 0． 16232 + 0． 00139T - 3． 75575 × 10-6T2 +3． 35359 × 10-9T3 (4)图5 m值与温度的关系Fig． 5 Relationship between m value and temperature3． 2． 3 C值的修正使用前面所得n值与m值,以及应力应变值,代入Fileds 随着温度的升高,应力曲线趋于平缓,数据差距也随之减小。总体来看,修正后的模型计算结果能够准确地描述在低应变速率温拉伸过程中的应力应变变化趋势,同时鉴于温成形多在低速高温下进行,将其运用于生产工艺中的有限元模拟,进行流变应力的预测是有效的。图6 应变速率为0． 0001 s -1时真实应力的实验值与预测值比较Fig． 6 Comparison of true stress between experimented values andsimulated values at ε· =0． 0001 s -1741第12期沈 智等: 6014铝合金板材温拉伸本构方程 万方数据4 断口分析针对应变速率为0． 01 s -1,温度为473和573 K的拉伸试样断口进行了扫描电镜分析,得到拉伸断口SEM照片,如图7所示。可以清楚看到,在两种温度下,韧窝大小与深度有明显差别,而韧窝的大小、深浅则直接决定了材料的塑性变形能力。在473 K时,韧窝大且深,表现为典型的韧性断裂,在573 K时,韧窝小且浅,这与两种不同温度下伸长率的差别相符。 573 K时,由于温度较高,应变强化被回复作用所抵消,造成材料的承载能力无法得到有效提升,同时,拉伸过程中的缩颈程度增加,使得截面积迅速减小,承载能力迅速下降,提前发生破裂,整体伸长率下降[19]。图7 不同温度下的铝合金断口形貌(a) 473 K (b) 573 KFig． 7 Fracture morphologies of aluminum alloy at different temperatures5 结论(1)针对6014铝合金在不同温度与应变速率下进行了拉伸实验,其结果表明:在室温到573 K温度范围内,温度达到473 K时,材料的伸长率最高,其后随着温度的升高,伸长率迅速下降。(2)基于Fileds & Backofen本构方程进行了修正,获得了考虑温度与应变速率的n值、 m值与C值,计算结果数据与实验数据较为吻合。(3)利用扫描电镜分析6014铝合金在不同温度下的断口形貌,结果表明:温度为473 K时,韧窝大且深,表现为典型的韧性断裂,温度为573 K时,韧窝小且浅,这从微观角度解释了不同温度下伸长率的差异。参考文献:[1] 路洪洲,王智文,陈一龙,等.汽车轻量化评价[J].汽车工程学报, 2015, 5 (1): 1 -8.Lu H Z, Wang Z W, Chen Y L, et al. 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