5052铝合金流变应力的研究综述

陈婕 卢骏瑞 周法璀

摘要：铝合金是一种强度高、密度低的轻合金材料，已经被广泛运用到汽车制造、航空航天等工业领域。铝合金具有多种类型，经过热处理后呈现的状态也存在差异，这就需要提高其塑性成形能力，诸多国内外学者开展了相关研究。本文搜集了5052铝合金应变力的相关研究，对其在热连轧、热压缩、热拉伸实验状态下的流应变力进行研究、总结。

关键词：5052铝合金;流变应力;研究综述

随着制造强国战略的推进、科学技术迅猛发展，铝合金的应用价值不断被发掘出来，使得铝合金应用领域得到了拓展。从材料属性上看，铝合金本质强度较高、密度较低，且拥有良好的耐腐蚀、导热导电性能，十分便于加工成适用于不同领域的板材、管材和型材，如车辆交融、建筑设计等。5052铝合金属是形变铝合金的一种，是非热处理类的强化防锈铝，是5xx系合金的典型代表。在铝合金材料长期推广、应用和发展下，由于5052铝合金材料的优良属性，其被广泛运用于低温容器制造、铝制集装箱的侧板。相较于低碳钢，其成型性能较差。在国内外的研究中，诸多学者对处于热轧、热变形的组织特性进行了深入研究，关于“高温变形的流变应力”的研究文献较少。流变应力，是某种金属材料处于高温变形状态呈现出的基本特性，往往容易受到合金本身化学成分，以及变形程度和温度的影响，反映了微观角度下变形体内部组织演变。当下，金属热加工工艺、金属塑性变形的相关研究都极为重要。本文立足塑性加工力学的需求，对流变应力值的国内外研究进行梳理、分析和总结，为加工制造领域计算精度的提高提供参考。

一、铝合金的研究发展

5xxx系铝合金属是变形铝合金，其中主要添加了元素镁，同时，为了提高其适应不同生产场景的能力、各项性能，需要将少量的Cr、Mn金属融入其中，根据不同加工任务的需求也会混合一定的杂质，如Cu、Zn、Si、Fe等。从5xxx系铝合金特点看，其作为变形铝合金拥有中等强度，十分适用于航天、造船等行业领域，是船用的必备材料。伴随镁含量的增加，5xxx系铝合金的强度也会不断变大，但其耐蚀性能会被削弱。自从20世纪初，船舰制造中就引入了5xxx系铝合金属材料。随着铝合金技术的不断发展，国际上出现了不同型号的5xxx系铝合金板材、铝合金挤压型材。当前，关于5xxx系铝合金流应变力的研究较少，主要是通过采取不同实验方法研究成形过程中的流变应力。

二、基于热连轧的5052流應变力

在王卫卫（2012）的研究中，其认为影响铝热连轧工艺的重要参数是铝板带的温度，主要体现在温度分布均匀性上，会给铝合金材料力学性能、微观组织、尺寸精度，以及如何合理分配轧机负荷带来影响。在国内的热连轧生产线上，很难精准地把控轧件温度计算等基础部分。在具体生产加工环节，主要运用既定的解析法进行建模，通过简化大量的真实轧制条件，在不同步骤的温度计算上难以达到较高精度，十分容易在变工艺、变品种轧制中出现误差。为了提高铝板材自主制造水平、满足工艺研究的需求，他围绕轧制过程铝板温度的计算模型进行研究。在采用的实验技术方法上，有仿真分析、有限元反算、实验研究、现场数据验证等，对经过15道工序的轧件温度场变化，以及轧件温度场与不同传热方式的关系进行了研究。其研究主要包括以下几点：其一，利用热脉冲法、DSC实验法，搜集了基于温度变化状态下5052铝合金的热传导系数、比热;接着，通过开展热模拟实验，对处于不同工况下的5052铝合金的流变应力进行研究，围绕周纪华模型构建流变应力本构模型，并对5052铝合金变形抗力与应变速率、变形温度的相关性进行分析。其二，其基于弹塑性学、传热学理论，通过使用Fortran语言二次开发MARC软件，借此进行了5052铝合金热连轧热力耦合有限元模型的构建。在经过现场数据测试后，引入有限元反算法，对接触换热系数中不同系数初始值进行了明确;然后，通过BP神经网络训练、正交试验对不同系数的数值进行精确。其三，对乳化液、空冷、摩擦生热、接触传热、塑性变形与轧件温度场的相关性规律进行研究，并得出了实验结论，对温度场影响程度最大的是塑性变形热、接触传热，乳化液冷却次之，带来影响最小的是空冷散热和摩擦生热。最后，学者在对5052铝板热连轧现场的数据和仿真结果进行比较，发现两者在平均误差、温差分别为0.78%、3.74°C，达到了良好的吻合度。这一研究通过实证证明了此实验的建模方法、温度计算模型可靠性较强，为其他铝合金型号的热连轧温度预测提供了借鉴。

三、基于热压缩的5052流应变力

在郑玉林、陈文敬等（2007）的研究中，他们主要使用了Gleeble1500热模拟机，开展基于高温的圆柱体轴对称单次压缩试验，围绕5052铝镁合金进行流变应力的系统化研究，主要是使其处于高温变形状态下，对流变应力与变形速率、变形温度的相关性进行分析，对5052铝合金材料的相关数值进行求解，并总结回归分变形抗力模型，为热加工工艺向合理化发展提供借鉴。在具体研究中，他们主要使用的是自铸的5052铝合金，在化学成分构成上为Al-2.2Mg-0.2Cu-0.09Mn（质量分数/%）。将材料置于空气炉中后，以480℃的温度进行均匀化热处理，选取48小时的保温时长，在炉温下降至100°C后，将其取出进行室内降温。其后，对经过均匀化处理的原材料，对其进行加工压缩，得到10mm×15mm尺寸精度的Rastegaev压缩样品，并运用Gleeble1500热模拟机进行高温压缩实验，将速率保持在恒应变状态。在开展压缩实验前，将75%石墨、5%硝酸三甲苯脂分别填充至圆柱材料的两端的凹槽内，对夹头处的摩擦对应力进行控制。在实验中，将温度保持在300—500℃，压缩变形量、应变速率分别为60%、0.001—10S-1，再利用内电阻实现加热功能，使得加热速度达到1℃/s-1，在变形前使其保持5分钟的保温状态。通过利用热模拟机设备，结合位移速度、位移、自动控制温度等条件，对真应力、真应变数据进行采集，将采集的数据绘制成真应力一真应变曲线。通过实验操作后发现，在处于0.1s-1应变速率时，应变速率和变形温度分别为0.01和0.001、420—500℃，在变形温度处于300—500℃区间时，5052铝合金的热压缩变形出的峰值应力较为明显，体现出连续性动态再结晶特征;在其他变形工况下，则具有稳态流变特点，在处于特定应变速率和温度下，在真应变大于特定数值后，真应力不会伴随真应变额增大出现明显，变化，呈现出动态回复特征;在等应变速率状态下，真应力伴随温度升高和降低，在处于统一变形温度时，真应力程度升高，随应变速率增加。

四、基于热拉伸的5052流應变力

林启权教授、王晓伟等（2019）对5052铝合金板材进行研究，他们使用了Instron3369电子万能试验机，对板材的断口形貌、力学性能，以及板锻造成形工艺技术对有实心凸起结构的简形件进行深入研究。首先，为获取不同温度、应变速率下的5052铝合金应力-应变曲线，选用了铝合金薄板进行热拉伸实验，板材的厚度为2mm。在对处于不同工况、条件下的5052铝合金板材进行热拉伸实验后得出应力-应变曲线，通过运用以Zener-Hollomon为参数的Arrhenius双曲正弦关系，实现对5052铝合金的热拉伸流变应力行为的描述，得到了162.72kJ/mol的变形激活能数值和流应变力本构方程。

其次，通过运用SEM等手段实现对微观观察，他们主要分析了在不同温度指数、应变速率下的5052铝合金断口形貌。通过实践结果发现，在低温状态下对材料进行拉伸变形时，材料试样上会出现深度较浅、尺寸较小的韧窝，出现在大量韧窝旁边的是不规整的撕裂棱，在拉伸变形温度上升的同时，各个韧窝的尺寸、深度也会向大面积扩展。在对处于应变速率为0.1s-1进行拉伸时，表面的撕裂棱部分呈不规则、不平整状态，且断口处的韧窝较深，韧窝尺寸会伴随应变速率下降而增大。通过实验发现，在材料试样处于低应变速率、高温状态下，其韧窝长大、聚集产生于拉伸断裂前，这样就形成了塑性强、较大的韧窝，使得成形能力得到了提高。由此表明，应变速率和温度对5052铝合金形变具有一定影响。

再者，在搜集铝合金热拉伸的流变模型的相关参数后，他们将其输入到DEFROM有限元软件平台，以软件模拟形式分析带有凸起结构的圆筒件，对摩擦条件、成形温度、工艺参数和凸起几何结构与成形性能的相关性进行研究。得出的模拟结果发现，处于不同温度状态下，在板料和凸模间摩擦系数不断提高的同时，凸起半径和圆角半径会不断增大，且实心材料凸起的程度不断变大，有效提高了凸起的成形性，实心凸起锻造成形的最大凸起值出现在673K状态下;在背压边力、压载荷提高的同时，加快了材料在成形中的流动性，凸起高度也随之增大。

通过上述研究发现，其构建的热拉伸本构方程，可以精准地描述锻造成形凸起过程，且十分符合5052铝合金热成性性能的仿真需要。在成功建构5052铝合金流变应力模型的前提下，他们对板锻造成形数值进行有限元仿真处理，通过与实验结果进行对比，发现有限元仿真与实验结果吻合度较高，且处于673K条件下板锻造成形的5052铝合金实心凸起成形性能较强。

五、结语

通过对采用不同实验方法的5052铝合金流应变力进行研究，能够为相关行业提高工艺性能、计算精准度，促进加工制造领域获得发展提供借鉴。

参考文献：

[1]林启权，王晓伟，董文正，等.5052铝合金热拉伸流变应力及实心凸起板锻造成形研究[J].中南大学学报（自然科学版），2019，50（11）：2695-2702.

[2]王晓伟.5052铝合金板热拉伸流变应力及实心凸起板锻造成形性研究[D].湘潭大学，2019.