基于热冲压工艺的AA6111铝合金热变形行为及本构模型

2021-05-13黄鸣东王立娟

轻合金加工技术 2021年2期

黄鸣东，吴浩，王立娟，刘成

(中铝材料应用研究院有限公司，北京 102200)

铝合金热冲压冷模具淬火技术是结合成形与成性的一体化工艺，其工艺过程是：首先将铝合金板材进行充分的固溶处理，然后迅速转移至冷模具中进行冲压成形，随即保压淬火，最后对零件进行人工时效处理，获得高强度零件[1-4]。相比于铝合金冷冲压成形，铝合金热冲压成形技术可解决铝合金高成形性与高强度不能同时满足的矛盾，同时零件回弹小，零件精度高[5-8]。AA6111铝合金是中高强Al-Mg-Si合金，以Mg2Si为强化相，是一种可热处理强化铝合金[9-10]。由于其室温下成形性能较差，较难应用于车身复杂的结构件中。而采用铝合金热冲压成形可有效解决成形困难问题。研究AA6111铝合金热变形行为并建立高温本构模型，可为后续热冲压有限元模拟提供数据和理论依据[11-12]。

本项目在Gleeble-3500热模拟试验机对AA6111铝合金进行成形温度为425 ℃～525 ℃及应变速率0.01/s～1.0/s的高温拉伸试验，结合流变应力曲线及微观组织观察，分析成形温度及应变速率对AA6111铝合金的高温成形性能的影响规律，并建立了高温本构模型，用于描述AA6111铝合金的高温变形行为。

1 试验材料与方法

试验所用材料为中铝瑞闽公司提供的1.5 mm厚AA6111铝合金板材，其化学成分如表1所示。单轴热拉伸试样的几何形状及尺寸如图1所示。采用线切割机将板材切割制成拉伸样，试样长度方向与板材轧制方向相同，并采用400# SiC砂纸将试样轮廓打磨光滑。

表1 AA6111合金成分(质量分数/%)Table 1 Composition of AA6111 aluminum alloy(wt/%)

试验设备为Gleeble-3500热模拟试验机。结合铝合金热冲压工艺流程，设计单轴热拉伸试验方案如图2所示。首先将试样以20 ℃/s的速率加热到500 ℃，然后以5 ℃/s的速率加热到固溶温度555 ℃，保温10 min。将试样以10 ℃/s的速率降至变形温度，保温2 s使试样温度均匀。在恒定温度和应变速率下进行拉伸，试样拉断后快速冷却处理，以保存其高温状态下的微观组织。变形温度为425 ℃、475 ℃和525 ℃，应变速率为0.01 s-1、0.1 s-1和1.0 s-1。

图2 热模拟拉伸试验方案示意图Fig.2 Schematic diagram of the thermal simulation tensile test

拉伸试样变形后的微观组织观察与分析对于研究材料变形过程微观组织演化与材料变形行为之间的内在关系具有重要作用。微观组织的观察位置如图3所示。

图3 微观组织观察位置示意图Fig.3 Schematic diagram of observation position of microstructure

试样经过砂纸磨平、光亮之后，采用机械抛光方法对试样表面进行抛光，直至表面无明显划痕。抛光好的试样，采用keller′s试剂(2.5 mL HNO3+1.5 mL HCl+1 mL HF+95 mL H2O)进行腐蚀。然后用酒精擦拭干净，吹干，分别对图3所示试样上A，B，C三位置进行组织观察。其中A处为断口附近的组织，B处为距离A处约4 mm左右的组织，该位置的变形量较大；C处为距离A处8 mm处的组织，该位置变形量较小。

2 试验结果与分析

2.1 真应力-应变曲线

为了获取真应力-应变曲线，将获得的拉伸载荷-位移曲线分别采用如下公式进行处理。

ε=ln(1+ΔL/L0)

(1)

σ=σn(1+ΔL/L0)

(2)

式中：

ε—应变；

L0—试样原标距；

ΔL—试样伸长量；

σ—真实应力；

σn—工程应力。

获得AA6111板材在425 ℃、475 ℃、525 ℃和0.01 s-1、 0.1 s-1、 1.0 s-1条件下拉伸真应力-应变曲线，如图4所示。由图可以看出，变形初期由于位错的增值及其交错作用，真应力随真应变增加而迅速上升；达到峰值应力后，随着真应变的增加，晶体内回复软化机制的发生使真应力逐渐降低；当真应变达到一定值后，真应力接近定值，此时材料的加工硬化与动态软化达到了动态平衡。变形达到一定程度之后，材料发生颈缩，上述公式已不再试用，因此采用如图虚线对真应力-应变曲线进行顺延处理。

图4 AA6111铝合金板材不同温度拉伸真应力-应变曲线Fig.4 True stress-strain curves of AA6111 aluminum alloy sheet at different tensile temperatures

在同一变形温度下，流变应力的大小随应变速率的增大而明显升高。分析其原因，认为这是由于在高应变速率下，材料内部的位错密度累积速率更高所致。由于位错回复速率主要受温度影响所致。同时还发现，在相同变形温度下，试样的失效应变随应变速率增大而增大。

在同一应变速率下，流动应力随变形温度的升高而下降，表现为热软化现象。由图还可以看出，在相同的应变速率下，试样的失效应变随变形温度升高而略有降低。可见对于AA6111铝合金，在较低成形温度下以较高的应变速率变形有利于提高材料的成形性。

2.2 微观组织分析

图5为成形温度475 ℃、应变速率0.01 s-1工艺条件下试样不同位置的微观组织。图3所示试样上的C处由于距离中心较远，变形量较小，在固溶过程中发生了充分再结晶；B处组织为完全再结晶组织、在高温下由于变形被拉长。从A处组织可以看出，AA6111铝合金表现出良好的高温成形性能，其断口处材料被均匀拉伸，呈现纤维状流线型组织，是典型的热加工组织。

图5 拉伸温度475 ℃、应变速率0.01 s-1工艺条件下试样不同位置(图3)的微观组织Fig.5 Microstructure at different positions of samples (Fig.3) under tensile temperature of 475 ℃ and strain rate of 0.01 s-1

图6为应变速率为0.1 s-1，拉伸温度分别为425 ℃、475 ℃、525 ℃下的试样的B处微观组织。从图6可以看出，随着变形温度的升高，晶粒的拉长程度逐渐下降。采用Image Pro Plus软件分别测量不同拉伸温度下晶粒的长度方向尺寸。当拉伸温度为425 ℃时，晶粒的平均长度可达50.17 μm，且在拉伸方向上表现出明显的均匀协调性；当拉伸温度升高至525 ℃时，晶粒的平均长度降低至35.10 μm，晶粒方向性没有低拉伸温度时的明显。这与真应力-应变曲线结果相吻合，对于AA6111铝合金，在较低的成形温度下，具有较高的成形性能。

图6 不同拉伸温度下图3试样B位置的微观组织(应变速率0.1 s-1)Fig.6 Microstructure of position B of the specimen (Fig.3) at different tensile temperatures(strain rate 0.1 s-1)

3 本构模型的建立

金属中晶界滑移、位错运动及扩散的开动受到热激活能控制，高温流变应力受到应变速率、变形温度和应变量的共同影响。通常情况下，随着变形温度升高，热激活能力提高，扩散过程及位错滑移能力增强，促使位错的动态回复，减小流变应力；应变速率增大时，会导致位错密度的增大，材料变形抗力升高，使得材料的流变应力提高。目前常采用双曲正弦Arrhenius方程来描述高温变形过程中流动应力、应变速率及变形温度三者之间的关系：

(3)

式中：

σ—流变应力，MPa；

Q—热变形激活能，kJ/mol；

n—应力指数，是应变速率指数的倒数，1/m；

T—绝对温度，K；

R—气体常数8.31 J/(mol·K)；

A和α—材料常数。

Zener和Hollmon提出并证实高温变形过程中，应力与应变速率之间具有一定关系，即Z参数关系，用来表示温度补偿的应变速率参数：

(4)

依据上述公式和，可以得到Arrhenius类型本构方程最基本的方程，可以用来描述应变率、流动应力和温度的关系，其表达式：

(5)

图7 Arrhenius方程求解(真应变0.2)Fig.7 Solution of Arrhenius equation(true strain 0.2)

由于Arrhenius本构方程并没有考虑应变对应力的影响，需要建立材料参数与应变之间的关系，才能描述整套真应力-应变曲线。本文采用多项式拟合的方式来描述材料参数σ、n、Q、lnA与应变ε的关系，拟合效果及多项式公式如图8所示。

图8 材料参数的四阶多项式拟合Fig.8 Fourth order polynomial fitting of material parameters

根据求解的激活能对求解的n值进行优化，并求解材料常数A值。利用Arrhenius本构方程预测得到不同温度、应变速率的真应力-应变曲线，对比实验值，如图9所示。从图9可知，通过Arrhenius方程结合四阶多项式建立的本构方程能够很好地预测AA6111铝合金在温度425 ℃～525 ℃和应变速率0.01 s-1～1.0 s-1下的流变应力。