不同热处理状态铝合金在电磁成形条件下的成形性研究

2021-09-23肖昂颜子钦崔晓辉王世鹏林愈弘

精密成形工程 2021年5期

肖昂，颜子钦，崔晓辉,,c，王世鹏，林愈弘

（中南大学 a.机电工程学院；b.轻合金研究院；c.高性能复杂制造国家重点实验室，长沙 410083）

近年来，随着航空航天和汽车领域对轻量化的要求越来越迫切，轻质金属特别是铝合金的应用越来越广泛。传统加工技术下，铝合金的室温成形性能不高，无法满足成形要求。热成形又面临成本提高、组织性能难控和表面质量降低的问题。电磁成形（Electromagnetic forming，EMF）是一种利用洛伦兹力驱动工件变形的金属高速成形技术，研究表明电磁成形能够提高材料的成形极限，有效减少零件回弹并抑制材料起皱[1—4]。电磁成形还具有单次加工成本低廉、成形过程无生态污染等特点，节能环保。对于电磁成形提高材料成形性的原因，认为是多种效应的共同作用，如惯性效应抑制颈缩发展[4]、高应变率下本构模型的转变[5]、绝热温升带来的软化效应[6]和电磁体积力利于位错波滑移[7]等。

对于影响电磁成形提高材料成形极限的因素，国内外学者做了大量研究。Altynova[8]发现固溶态6061铝合金和6061-T6 铝合金电磁胀环过程的断裂应变比准静态下分别提高了 60%和 150%。Sánchez-Santana 等[9]对存在初始疲劳损伤的6061-T6 铝合金进行了动态拉伸试验，发现初始损伤可以略微提高材料的成形极限，而初始冲击速度对成形极限的影响不显著。国内金淳等[10]发现，电磁成形对于完全退火态和固溶淬火态2219 铝合金的成形极限均有提高的作用，但是电磁成形对固溶淬火态的效果比完全退火态的效果更好。刘大海等[11—12]研究了预变形对铝合金动态成形性能的影响，发现一定预变形能够提高动态拉伸伸长率，改善位错分布均匀度和减小位错胞尺寸，动态变形过程中，准静态预变形组织的存在更易诱发位错的多系滑移特征。Xu 等[13—14]设计了跑道线圈用于电磁单向拉伸，然而得到的试样存在不完全对称的问题。

文中通过有限元仿真研究了试样和线圈的相对位置对变形均匀性的影响，得到了试样和线圈的最佳成形位置。为了探究材料的初始状态对动态成形能力的影响，文中选用了完全退火态和加工硬化态的1060，3003，5052 铝合金，进行准静态拉伸和电磁拉伸。分析不同状态的试样在准静态拉伸和电磁拉伸下的成形性能，并探讨了电磁成形提高成形极限的机理。

1 有限元模拟

1.1 有限元建模

电磁单向拉伸成形装置如图1a 所示，装置包括凹模、单向拉伸试样、跑道线圈和底座。电磁成形装置的主要参数为25 kV 的额定电压和640 μF 的电容。准静态拉伸在WDW-100A 型力学性能测试机上进行，变形速度为 3 mm/min。图 1b 为 1060-O 和1060-H24 试样在准静态拉伸条件下的应力-应变曲线。文中以1060-H24 铝合金在动态拉伸下的变形行为为研究对象，进行了有限元仿真研究。

图1 动态拉伸装置和材料力学性能Fig.1 Dynamic tensile device and mechanical properties of materials

模型的具体参数如图2a 所示，试样参照准静态拉伸试验标准ISO 6892：1998 来制备，试样长为160 mm，标距段宽b为12.5 mm，厚度为1 mm，标距为50 mm，线圈横截面为3 mm×10 mm 的矩形。将试样放置在跑道线圈一侧的上方，试样与线圈距离1 mm，将试样的下平行段与线圈内侧的相对距离定义为h。仿真采用试验所得的实际电流数值，如图2b所示。1060-O 和1060-H24 试样在电磁单向拉伸中出现颈缩的电压分别为3.1 kV 和2.9 kV。文中采用顺序耦合法，首先在ANSYS/EMAG 模块中建立试样单向拉伸的电磁场模型，如图2c 所示，模型包括模具、板料、线圈、空气场和远场5 个部分。计算完电磁力后，在ANSYS/LSDYNA 模块中进行变形场建模并依次进行计算。图2d 为建立的变形场模型，将模具和支撑板定义为刚体。

图2 有限元模型Fig.2 Finite element model

高速变形下材料的变形行为与准静态条件下大有不同，考虑到高应变速率对成形的影响，在ANSYS/LSDYNA 模块中采用Cowper-Symonds 本构模型进行建模。Cowper-Symonds 本构模型适用于高速成形，如式（1）所示：

式中：σ为流变应力；σs为准静态流变应力；为应变率；P和m为铝合金的常数参数，P=6500 s-1，m=0.25。

1.2 相对位置对感应电流密度的影响

由于板料与线圈的相对位置对板料宽度方向的受力均匀性有很大影响，设置了多组参数来探究板料的最佳位置。图3 为20 μs 时线圈板料相对位置对板料两侧电流密度的影响。在h=0.58b时，板料中心线与线圈左侧中心线重合，由于线圈右侧对板料也有影响，板料右侧的电流密度为1.86×109A/mm2，大于左侧电流密度1.36×109A/mm2，如图3a 所示。图3b 中将板料向左移动1 mm，此时h=0.66b。板料左侧电流密度增大至1.72×109A/mm2，右侧为1.85×109A/mm2，板料两侧电流密度差距减小，但仍然不均匀。当h增大到0.756b时，板料两侧电流密度达到一致，均为1.86×109A/mm2，板料内部电流密度分布均匀，如图3c 所示。当h继续增大到0.8b时，出现板料左侧电流密度大于右侧的情况，如图 3d所示。

1.3 位置对变形轮廓的影响

变形结束后，提取板料中间节点在z轴方向的位移并绘制曲线，节点路径如图2d 所示。图4 为位移结果。可以看出当h等于0.58b和0.66b时，曲线单调递减，靠近线圈内侧的一边位移小于外侧；当h为0.8b时，曲线呈上升趋势，此时外侧位移变小；当h等于0.756b时，曲线趋于平缓，且左右端点位置位移几乎一致，此时变形最为均匀。根据仿真结果可知，h=0.756b时是放置板料的最佳位置。

图4 不同位置对应的变形轮廓Fig.4 Deformation contours corresponding to different positions

2 结果与分析

2.1 伸长率与硬度

文中选用1060，3003，5052 这3 种铝合金材料，材料初始状态分别为H24，H24，H32 态。将上述3 种材料进行完全退火处理，得到1060-O，3003-O，5052-O 这3 组材料。将得到的6 组试样进行准静态拉伸和电磁单向拉伸。图5 为1060-H24 的原始试样和变形试样。试样原始标距为L0，变形后的标距为Lu。由于电磁成形后试样中间段为弧形，考虑到在电磁单向拉伸试验条件下，试样标距内宽度方向变形的均匀性和与准静态一致，可认定弧形段标距Lu范围内试样变形时为单向拉伸状态。伸长率的测定为标距段的变形长度与原始标距之比，如式（2）所示：

图5 变形试样对比Fig.5 Comparison of deformed samples

对于变形后的试样，选取颈缩或断裂附近的区域切下一块8 mm×8 mm 的小方块进行显微硬度分析。样品经过机械研磨表面后使用TMVS-1 维氏硬度计进行测试，加载力为5 N，保持时间为10 s。每个样品保证有5 个以上有效的硬度值。

图6—8 分别为1060，3003，5052 铝合金试样的伸长率和硬度结果。对于1060 铝合金：1060-O 试样准静态拉伸的伸长率（43.8%）和动态拉伸的伸长率（44.0%）相差无几，而1060-H24 铝合金动态拉伸伸长率（20.2%）为准静态拉伸（5.1%）的3.96 倍。对于3003 铝合金：退火态试样准静态拉伸的伸长率为31.0%，动态拉伸的伸长率为43.2%，相比准静态提高了 39.4%；H24 态试样准静态拉伸的伸长率为12.5%，动态拉伸的伸长率为27.5%，相比准静态提高了120%。对于5052 铝合金：退火态试样准静态拉伸的伸长率为28.3%，动态拉伸的伸长率为43.0%，相比准静态提高了51.9%；H32 态试样准静态拉伸的伸长率为10.9%，动态拉伸的伸长率为22.5%，相比准静态提高了106.4%。

图6 1060 铝合金力学性能Fig.6 Mechanical properties of 1060 aluminum alloy

图7 3003 铝合金力学性能Fig.7 Mechanical properties of 3003 aluminum alloy

图8 5052 铝合金力学性能Fig.8 Mechanical properties of 5052 aluminum alloy

对比图6—8 中伸长率的变化规律，可以发现加工硬化态试样电磁成形效果较完全退火态更好，在1060 铝合金中尤为明显。显微硬度的变化规律在3种材料中也是相同的。未变形试样、准静态变形试样和电磁成形试样的硬度依次升高。

2.2 断口分析

图9a 为1060-O 试样经准静态拉伸断裂后的断口形貌。可以看到断裂面狭窄，断口附近有明显的滑移带，韧窝大小分布不均。图9b 为1060-O 试样经动态拉伸断裂后的断口形貌。可以看到试样断裂面十分狭窄，韧窝大且深。与准静态拉伸不同的是，电磁拉伸断口韧窝较深且大小分布均匀，说明电磁成形后试样的韧性更好。上述2 组断口都表明试样具有良好的塑性，均为韧性断裂。图9c 为1060-H24试样经准静态拉伸断裂后的断口形貌，断裂面较宽，韧窝面积小且浅。图9d 为1060-H24 试样经电磁拉伸断裂后的断口形貌。比起准静态拉伸断口，断裂面较窄，韧窝更大更深，证明H24 态试样电磁拉伸的塑性比准静态拉伸好。

图9 1060 铝合金断口形貌Fig.9 Fracture morphology of 1060 aluminum alloy

2.3 TEM 分析

1060 试样电磁成形后的TEM 结果如图10 所示。从图10a 和图10b 可以看到，1060-O 试样电磁成形后的晶粒内部位错密度很低，存在数量不多的位错线，有多个小尺寸亚晶粒，并能观察到典型的亚晶界特征。在1060-H24 电磁成形试样中观察到位错密度较高，并且出现位错胞结构，这是典型的电磁成形组织结构，证明位错发生了交滑移，如图10c 所示。虽然退火态电磁成形试样晶粒内部位错十分少，但是存在亚晶界和小尺寸亚晶。这与Bach[15]研究的高纯铝电磁成形后的微观结构较为相似。

图10 1060 铝合金电磁成形TEM 结果Fig.10 TEM photos of 1060 aluminum alloy after EMF

由于退火后晶粒内部无位错，同时纯铝也不存在GP 区和第二相，导致位错在晶粒内部运动时的阻碍很小，而常温下晶界的强度较高，位错遇到晶界的阻碍造成塞积，故观察到晶界变形。在电磁成形过程中，位错滑移时由于受到的运动阻碍小，不会发生交滑移，故成形极限没有得到提高。对于加工硬化态试样来说，晶粒本身存在一些缺陷，如位错和变形晶界等，使得在电磁成形时，位错的发生源更多，同时位错运动受到的阻碍更多，在高速率大塑性变形下，位错能够发生交滑移，实现成形极限的提高。