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5A06铝合金超塑性变形力学特性

来源:星星旅游
第22卷第2期 Vo1.22 No.2 2015年4月 塑性工程学报 JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERING Apr. 2015 doi:10.3969/j.issn.1007—2012.2015.02.011 5A06铝合金超塑性变形力学特性 (北京机电研究所,北京100083) 毕宝鹏 王 勇 孙梦莹 摘要:采用等应变速率拉伸方法研究温度和应变速率对5A06合金超塑性变形力学性能的影响。结果表明,在温 度375。C~5O0℃时,应变速率对5A06铝合金的流变应力及抗拉强度有显著影响,流变应力及抗拉强度随着应变 速率增大而增大;在一定的应变速率下,流变应力随着变形温度的升高而降低。基于Backofen本构方程,对5A06 铝合金在不同温度状态下的强化规律进行分析,结果表明,随着温度的逐渐升高,应变速率敏感性指数先增大后减 小,5A06铝合金最佳的超塑性参数为温度T=400℃,应变速率 =0.005 S。 关键词:5A06铝合金;高温拉伸实验;应力应变;超塑性 中图分类号:TG306 文献标识码:A 文章编号:1007—2012(2015)02—0062—06 Mechanical behavior of aluminum alloy 5A06 under superplastic deformation BI Bao—peng WANG Yong SUN Meng-ying (Beijing Research Institute of Mechanical&Electrical Technology.Beijing 100083 China) Abstract:The influences of the temperature and the strain rate on the superplasticity of 5A06 alloy were investigated by constant strain-rate tensile method.The results show that when T equals 375℃~5()()。C。the strain rate of aluminum alloy has remarkable effect on the flow stress and the tensile strength,and the flow stress and the tensile strength increase with the increasing of the strain rate:Under certain strain rate,the flow stress level decreases with the increasing of the deformation temperature.In addi— tion,the hardening rules of 5A06 aluminum alloy under different temperature conditions are analyzed and discussed via the Back— ofen constitutive equation.The results show that with the rising of the temperature,the strain rate sensitivity index increases firstly and then decreases.The best superplastic parameters for 5A06 alloy are丁一400。C and£一O.005 8_。. Key words:5A06 aluminum alloy;high temperature tensile test;stress and strain;superplasticity 性,具有较大的延伸率,利用这个性质可以极大提 引 言 高其成形能力 。本文利用高温拉伸实验的研究方 法,寻求国产供货态5A06铝合金在非理想条件下 防锈铝合金5A06是一种典型的国产A1一Mg系 超塑性变形的工艺参数,为该合金在超塑性方面的 航空航天常用延性合金材料,由于其具有较高的强 广泛应用提供数据和参考。 度、良好的耐蚀性和焊接性,成为航空、航天、船 舶、导弹、汽车制造等领域的主要材料。但是, 1实验材料与方法 5A06合金室温下成形性能差,很难成形形状复杂的 零件,这严重制约了该合金的范围应用。国内外有 1.1实验原理 学者研究发现,5A06铝合金在一定条件下具有超塑 5A06铝合金超塑性性能指标实验是在材料拉伸 机上进行,拉伸机上需附设精密控温装置的电炉, *国家国际科技合作专项资助项目(2O13DFR7O86O)。 载荷和位移传感器。首先对试样进行等应变速率的 毕宝鹏E-mail:bibp@rdcai.corn 拉伸,直到试样拉断,然后通过所得的实验数据, 作者简介:毕宝鹏,男,1989年生,硕士研究生,主要 得到材料的延伸率 ,应力应变曲线、Backofen本 研究方向为铝合金超塑性成形技术 构方程中应变速率敏感性指数m值,以及对应的K 收稿日期:2014 07 17;修订日期:2014—11—06 值。 2期 1.2实验材料 鹏等:5A06钳1合金趟塑性变肜 学特 实验采川 南针j、l 提供的供货念5A06一()铝合 金.饭材厚度为2.0film,合会的化学成分如表1所 /1 。 表1 5A06铝合金化学成分表/wt% I}】.1('hcmk a1 conlp()sition 0f 5Ao6 ahmfinu T1】alloy in Wt Mg Mn Fe Cu Zn Be 其他 Ti 单个 合计 Al 2高 拉伸试验机 Fig.2 t ligh temperattire tensile testing maehim ().()5~ 6.12 0.62 ().13 <().1 <0.1 <0.2 <0.005 O.O5 O.1O Ba1. ().】0 I.3试样与实验设备 样厚度2.0 n]T]1.试样 寸及实物如图1所 爪。 材料的最佧趟 性温度和最1't!/aZ变速率。山壹终得到 最佳超塑性参数,并确定川ff(.继 得到最仆条件 下的超 性本构方程参数。 实验结果分析与讨论 2.1力学性能 6O 2.1.1应变速率对5A06销合会高温力学性能的影 响 材料拉仲时,设试样原始长度为 ,iJ=l=样仲长 了zSl,其应变P一 AI,£_l 则: b 微应变为: d£一dt (1) 1-J#:91'试样的 0‘及实物, n m {I) ‘:}))实物 ,流变应变为: e一Fig.1 1)imensio,1 of tensile s1)eeimen in nln] 实验存南京航 航天大学RG2000—20万能试验 机进行, 2所,J 。托仲过程中.温度通过加热 』丁dl—ln 一ln - 一ln(1+ )(2) ,。 流变应力为: 一炉 』濉控仪实现,J I 商温电炉为垂随对开型,发 热体为电热 ,JJu热温度范围0 ~95O C,炉膛温 度均匀 长度l 50iilFn.炉体通循环冷却水。保温效 良好。川控濉仪精确测温不1J控温,控温精度到达 土】(,、;载倚和位移传感器埘实验过程进行调控, 经计算机自动 求缚次拉仲时的载荷位移数据。 I.4实验方案 A ‘ 一 。 一 ( 十 ) ) 根据 述公式,通过汁荫:f】 得5A06钳1合金在 375 C 400 C 425 C ,150 ,475 、500 C .以 不 应变速率拉伸时的a£lttt线, 1图3所爪。由 罔町知,试样托伸It寸,载荷迅速上升到最大ff【。然 后下降直到断裂。随着应变速率的降低,裁倚逐渐 减小。5A06锚合金在高温拉1',tuI ̄流变 力随变肜温 度和应变速率的变化而变化。 不I.I变形条件下, 流变应力的变化趋势均为先迅速增加,达到峰ff【后 结合优选法 Il ,交试验法.参芎 内外类似材 料托伸实验的濉发 I成变速率,选择375 C、 400 、425(、、j 5O(、、475 C、500 C 6个温度点, 0.000 25 ’、(j.000 5 s 、0.001 S 、0.005 s 、 降低并达到稳态趋势。其【{】,流变心力¨J1线 现出 锯齿状,这足【l}J于住外力的影响下.5A06铝合金的 位错密度小断增大,位错问的交互作川增JJI lr化错 0.()1 s 5个心变速率点进行等应变速率拉伸;然后 迎过材料的延fI}1 红不1J 判断其超 性的温度范 …。 。对实验数 进行处理并计算出 值和K 他。通过/11 fff的大小。结合延伸牢 干¨应力 判断 运动的阻力。使得应 随心变{I{=的增加而增JJI1,试 样发生r应变硬化效应。 此I¨=J时,位错 热激活 64 塑性工程学报 第22卷 萋 爆 矗 杂 爆 莹 应变 b 量 鬏 O.0 0.2 O.4 O.6 O.8 萤 邋 刻r 瓣— 应变 d 应变 C 一 矗 叟 杂 翻 壤 莹 杂 词 爆 应变 f 图3 5A06铝合金在相同温度不同应变速率下应力应变曲线 a)375℃;b)400℃;c)425℃;d)450℃;e)475℃;f)500℃ Fig.3 5A06 aluminum alloy flow curves under different strain rate at the same temperature 和外加应力的作用下,通过攀移或交滑移发生合并、 重组,从而使材料发生动态回复或动态再结晶,材 料发生软化。硬化效应和软化效应在拉伸过程中不 断制衡,因此流变应力曲线呈现出锯齿状。 由图3还可以看出,在相同的变形温度下,材 料流变应力随着应变速率的增加而增加。在低应变 速率1O-4时,流变应力增加比较缓慢;而应变速率 较高为10 时,流变应力增加比较明显。位错运动 速度 与剪应力r的关系为: △ 应变速率的增加导致位错运动速度加快,由式 (4)可知,这需要更大的剪应力,即增大变形速率, 流变应力必然增加。另外,也可能是由于5A06铝 合金变形速度增加,使其没有时间进行动态再结晶 和动态回复等软化行为导致其流变应力增大。上述 研究表明,5A06铝合金是一种正应变速率敏感材 料。 2.1.2温度对5A06铝合金高温力学性能的影响 图4为5A06铝合金应变速率 分别在2.5× 10一 8一 ,5×10一 S一 ,l×10一。8一 ,5×10一。S , 一WOexp(一 1‘ / 式中VO——初始状态位错运动速度 A——激活 ̄N/(J・mol ) r——剪应力/GPa T——变形温度/K (4) 1×10 S 时,以不同温度拉伸得到的 一£曲线。 由图可知,在同一应变速率条件下,5A06铝合金流 变应力随着温度的升高而下降。这是因为随着变形 温度的增加,热原子内部激活作用增强,5A06铝合 金原子平均动能增加,原子振动振幅增大,位错与 66 塑性工程学报 2OO 第22卷 羹2琴0 .、一 ∞ 鐾15o O 25 2O 15 辍1爆 05  0 应变 b 杂 董 曝 O.0 0.1 0.2 0.3 0.4 O.5 O.6 O.7 应变 杂 重 辍 应变 d 图5 5A06铝合金不同轧制方向时的应力应变曲线 a)450℃轧制方向;b)450℃一垂直轧制方向 c) 一1×10 3 s 1一轧制方向;d) 一1×10—3s—l一垂直轧制方向 Fig.5 5A06 aluminum alloy flow curves at different rolling direction 超塑性变形时一般不出现应变硬化,即硬化指 数 一0,所以式(7)可简化为: 一砭m (8) 式中K——材料系数(与变形温度、显微组织和 结构缺陷相关) 流变应力对应变速率的敏感性指数[5 ] 2.3.1应变速率敏感性指数m值[ 书] 应变速率敏感性指数m,即流动应力对应变速 100 0.O0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 应变速率/s一1 图6 T=400℃时,延伸率与应变速率的关系 Fig.6 The relationship between elongation and strain rate at T一400。C 率的敏感性指数,是指当应变速率增大时材料强化 倾向的参数。其物理意义在于当试样拉伸变形区某 一局部产生颈缩时,其应变速率增加。当 值较小 时,试样上小截面处变小的速度较快,很快出现颈 缩并导致试样的断裂;当材料的 值比较大时,颈 缩扩展就需要更大的应力,从而使变形向其他地方 转移,试样局部颈缩处截面变小的速度就较慢,呈 现出稳定的均匀延伸,最终获得很大的延伸率。 目前测定 值的方法有多种,如等应变速率拉 伸法、等速度拉伸法、等载荷拉伸法、拉伸速度突 变法、最大载荷法、反外推载荷法、斜率法、应力 松弛法等。本文实验采用等速度拉伸法测量m值。 等速度拉伸法是机头拉伸夹具的速度V不变, 对拉伸数据中的拉力P和位移Ⅵ进行处理,可求 得应力应变曲线。将曲线变化比较稳定的一段换算 成lm—s曲线,曲线上斜率为m值,即: dl1IT/ 一一—_n  ̄— dlna一一 一—广(9)L  d£d£ 图7为5A06铝合金应变速率敏感性指数m随 温度变化的趋势图。从图中可知,温度对5A06铝 合金应变速率敏感性指数有极其重要的影响。随着 温度的升高,应变速率敏感性指数先增大后减小。 当T一400。C时, 一0.3948,此时材料的均匀变形 能力最强。 2.3.2 K值 根据Backofen公式 =K ,已知各应变速率 对应的流动应力 和m值,可求得相应的K值,图 8为K值随温度变化的趋势图。从图中可知,随着 温度的增加,K先增加后减小,和应变速率敏感性 指数m与温度的变化趋势相似。当T一400 C时, 对应的K一270.34。 考虑到实际工业生产中变形速率易于控制和节 第2期 毕宝鹏等:5A06铝合金超塑性变形力学特性 67 靼t‘f O O O O O O O O O O O O ∞船 弘{;}{;;船拍 ∞墙 360 380 400 420 440 460 480 500 温度/℃ 图7应变速率敏感性指数随温度变化趋势 Fig.7 The strain rate sensitivity index change trendwith the temperature 智 温度,℃ 图8 K值随温度变化趋势 Fig.8 The K value trend with the temperature change 约成本的要求,选择T一400℃, 一0.005 s_。作为 5A06铝合金的最佳超塑性变形参数。 3结论 1)在变形温度T一375℃~500。C时,应变速 率对5A06铝合金的流变应力及抗拉强度有显著的 影响,流变应力及抗拉强度随着应变速率增加而增 大,说明5A06铝合金是一种正应变速率敏感材料。 2)变形温度是影响5A06铝合金流变应力的另 一个重要因素,在同一应变速率下,5A06铝合金流 变应力随着变形温度的升高而降低。 3)选用Backofen公式 一K 为5A06铝合金 高温拉伸的本构方程,其中应变速率敏感性指数m 和系数K值随着温度的升高,先增大后减小。为保 证其成形性能,选择T一400。C, 一0.005 s 作为 5A06铝合金的最佳超塑性变形参数。 参考文献 [1] 邰清安,李治华,孙立群等.航空发动机塑性成形技术 的应用与展望_J].航空制造技术,2o14.(7):34—39 [2] JIN cheng,HE Shi—yu,ZHOU GuanCtao,et a1.Experi mental and numerical investigations of void damage in aluminum alloy welds under thermal cycling condition EJ2.Materials Science and Engineering(A),2009.499: 171—176 [3] 郎利辉,许爱军,李涛等.基于单向拉伸的防锈铝合金 温热力学性能研究[J].航空材料学报,2012.32(1): 15—19 [4] Luckey J R G,Friedman P,Weinmann K.Design and experimental validation of a two-stage superplastic forming die[J].Journal of Material Processing Tech— nology,2009.209(4):2152—2160 [5] 张凯峰,王国峰.先进材料超塑成形技术EM].北京: 科学出版社,2012 [6] 林兆荣.金属超塑性成形原理及应用[M].北京:航 空工业出版社,1990 [7] 张士宏,程明,宋鸿武等.塑性加工先进技术[M].北 京:科学出版社,2012 [8] 吴诗淳.金属超塑性变形理论[M].北京:国防工业 出版社,1997 

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