基于单向拉伸的防锈铝合金温热力学性能研究

郎利辉， 许爱军， 李 涛， 赵香妮

(北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191)

结构轻量化是当今制造业的发展趋势，采用轻质材料是实现结构轻量化的重要途径，铝合金具有较低的密度、较高的比强度、比模量、断裂韧性和疲劳强度，以及良好的成形工艺性能，因而在航空、航天、汽车、电子行业中得到了越来越多的应用，成为轻量化技术中替代钢铁的主要材料之一［1～4］。5A06铝合金是一种国产的延性合金材料，属于Al-Mg系合金，具有抗腐蚀、易于成形加工、可焊性及低温性能良好、不可热处理强化等特点，现已经得到了广泛的应用［5］。但是，5A06铝合金在常温延伸率较小，成形性能较差，这严重制约了其更广范围的应用0。国内外的有关学者通过研究表明［6～9］，在特定的条件下，采用温热成形技术将铝合金板加热到一定温度时成形，铝合金成形能力将得到极大的提高。在铝合金温热成形过程中，铝合金的温热力学性能参数与温度和应变速率息息相关，是温热成形有限元模拟中必备的重要参数［10］。国内对5A06铝合金的研究较多集中在常温力学性能［5］、焊接性能［4，11］和抗腐蚀性能［12］等方面，但对其温热力学性能的研究报道不多。为了研究5A06铝合金在温热变形过程中流动应力与应变速率和温度之间的关系，引入了Fields＆Backofen本构方程，通过其直接描述温度和应变速率等参数对流变应力的影响，来描述材料变形过程中的流变应力，在铝合金温热成形中得到了广泛的应用［13，14］。因此基于 Fields ＆ Backofen本构方程研究5A06防锈铝合金的温热力学性能，对我们进一步研究铝合金的温热成形技术有重要的意义。

本研究在20～300℃，对5A06-O防锈铝合金板进行了不同应变速率下的单向拉伸试验，获得了其真实应力应变关系曲线和关键力学性能参数，研究了温度和应变速率对成形性能指标的影响规律，并基于Fields＆Backofen本构方程，得到了不同温度下的应变强化指数和应变速率敏感系数的变化规律。

1 试验及其结果

1.1 试验材料与设备

试验材料:5A06-O防锈铝合金板材，厚度为1.2mm，其化学成分如表1所示。

试验设备:CSS-44050电子万能试验机，采用封闭式炉箱整体对流加热。热电偶直接接触式测量，试验最高温度可达450℃，箱体内整体温度误差为±1.5℃。

1.2 试验方法

试验试样制备与试验方法均按GB/T 4338—2006《金属材料高温拉伸试验方法》进行。试样几何形状及其尺寸如图1所示，长度方向与轧制方向一致。

表1 5A06防锈铝合金板化学成分(质量分数/%)Tab.1 Chemical compositions of 5A06 aluminium alloy(mass fraction/%)

试验步骤:试验温度设置分别为20℃，150℃，200℃，250℃和300℃，试验采取恒应变速率控制的方式进行，应变速率分别为 0.00055s－1，0.0055 s－1和0.055s－1，同一条件下进行三次试验，当温度达到设定的目标值时，试样保温10min，以保证整个试样上的温度一致。

图1 单拉试样几何形状及尺寸Fig.1 Geometry and dimensions of the specimen used for uniaxial tensile test

1.3 试验结果

1.3.1 应力应变关系

图2所示为5A06在不同温度和应变速率下单向拉伸试验获得的真实应力-应变曲线。图3为在不同应变速率下，5A06板抗拉强度随温度的变化规律。从图2及图3中可以看出:在应变速率不变的情况下，抗拉强度随着温度的升高而减小，同时流变应力显著下降，而应变随着温度的升高显著增加;当应变速率为0.00055 s－1时，温度从20℃上升到300℃时，抗拉强度从442.5MPa降低到 101.1MPa，降低了 77.2%，降势明显。当温度高于150℃时，不同应变速率下，抗拉强度随着温度的下降幅度基本一致，抗拉强度对应变速率不敏感。

另外，在温度为 20℃，应变速率为0.00055s－1时，拉伸曲线呈现锯齿状，应力数值反复跌落，即产生 Portevin-Le-Chatelier(PLC)效应。从图中可以看出，随着应变速率增大，PLC效应显著减小。这是因为，从微观角度看，PLC效应是可动位错和溶质原子之间的动态相互作用，即动态应变时效(DSA)。随着应变速率增大，作用在可动位错上的外加有效应力就大，从而可动位错的平均运动速率加快，可动位错在障碍前的等待时机就短，当溶质原子的扩散速率不如可动位错的运动速率时，DSA效应就会减弱，此时，锯齿应力幅度也显著减小。因此，当应变速率增大到0.055s－1时，锯齿已不明显。另外，随着温度的升高，PLC效应减小，这是因为高温下热激活增强了位错越过障碍的能力，减少锯齿应力的发生，从而减小了PLC效应。

图2 不同温度和应变速率下的真实应力-应变曲线(a)=0.00055s－1;(b)=0.0055s－1;(c)=0.055s－1Fig.2 True stress-true strain curves of 5A06-O aluminum alloy at different temperatures and strain rates(a)=0.00055s－1;(b)=0.0055s－1;(c)=0.055s－1

1.3.2 延伸率

延伸率是判断材料塑性好坏的直接性能指标。延伸率越大，允许的塑性变形程度越大。图4为5A06在不同应变速率下，断后延伸率随温度的变化规律。从图中可以看出，断后延伸率随着温度的升高而显著增加，随着应变速率的降低而增加，且应变速率越低，温度的对其的影响越明显。因此，该合金在低的应变速率和高的温度下可获得较好的成形性能。

均匀延伸率是指试样在拉伸过程中受最大力作用下的总的伸长率，其中包含残余应变和弹性应变，反映了试样真实的变形能力。图5为5A06在不同应变速率下，均匀延伸率随温度的变化规律。可以看出，在150℃以下，随着温度的升高，材料的均匀延伸率升高，在150℃以上，随着温度的升高，均匀延伸率却降低，并且这一趋势随着应变速率的降低得到增强。也就是说在较高的温度和较低的应变速率下，总延伸率的提高主要是通过局部变形得到。

2 本构方程

2.1 Fields＆ Backofen本构方程

在热成形的过程中，材料的任何应变以及流动应力主要取决于变形温度和应变速率。因此在综合考虑应变和应变速率对流动应力的影响时，材料在不同温度和不同应变速率条件下的单向拉伸曲线可表示为

为更好地研究5A06铝合金温度和应变速率对温热成形性能的影响，本文基于同时考虑应变强化和应变速率强化的Fields＆Backofen本构方程来描述其应力-应变速率关系:

式中K(T)为应变强化系数;n(T)为应变强化指数;m(T)为应变速率敏感系数。

2.2 应变强化指数

应变硬化指数n反映了板材成形过程中的形变硬化能力。n值越大，板材的局部应变能力越强，总体成形极限越大。

在一定温度下的应变强化指数n可以在材料本构方程式(2)的基础上，由式(3)计算得到

图6 应变强化指数随温度变化趋势Fig.6 Influence of temperature on strain hardening index at different strain rates

图6为不同应变速率下，5A06铝合金应变强化指数n随温度的变化趋势图。由图可知，在应变速率一定的情况下，随着温度升高，5A06铝合金的强化指数逐渐降低，应变强化作用不断削弱。在温度一定的情况下，随着应变速率的增大，n值增大，应变强化作用加强。当应变速率为0.00055s－1，20℃下，硬化指数为0.32，而到300℃时硬化指数降低到0.016，几乎降为零，应变强化能力基本丧失。总体说来，降低幅度非常大。

2.3 应变速率敏感系数

应变速率敏感系数是指材料塑性变形时的流变应力对于应变速率的敏感性参数，即当应变速率增大时材料强化倾向的参数。

同样，在一定温度下的应变速率敏感系数m可以在材料本构方程式(2)的基础上，由式(4)计算得到

图7为5A06铝合金应变速率敏感系数m随温度的变化趋势图。从图中可以看出，温度对5A06的应变速率敏感系数有极其重要的影响。当温度较低时，m值较小，在20℃时，m值几乎为零，随着温度的逐渐升高，m值不断增大，到300℃时增大到0.12，此时应变速率敏感性明显加强，材料的均匀变形的能力增强。因此为保证其成形性能，需要综合考虑温度和应变速率对其成形性能的影响。

图7 应变速率敏感系数随温度变化趋势Fig.7 Influence of temperature on strain rate sensitivity index at different strain rates

3 结论

(1)变形温度对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变形温度的升高而降低。

(2)在温热状态下，5A06铝合金断后延伸率随着温度的升高而显著提高，均匀延伸率随着温度的升高先升高后降低。

(3)5A06铝合金的应变强化指数随着温度的升高和应变速率的降低而不断减小，应变速率敏感系数随着温度的升高而增大。为保证其成形性能，需要综合考虑温度和应变速率对其成形性能的影响。

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