7475系列铝合金超塑性流变学研究

杨建

摘要：在特定成形条件下，铝合金可表现出超塑性：（1）成形温度接近熔点温度（约600℃）;（2）应变控制在相当低的水平（一般低于10^-3s^-1）。该种性能使得材料在破坏前承受较大的变形量，可用来成形复杂的零部件。超塑性成形工艺可用来生产机身壁板等零件。然而，超塑性成形工艺的过程难以控制，事实上，主要存在的问题为预测最终成形零件的厚度分布以及确定成形气压规律，以便成形过程中不出现裂纹等缺陷。为了解决上述问题，一般采用有限元模拟的方法，同时需要具备良好的超塑性材料的性能知识。本文研究了7475铝合金的超塑性性能和该性能在成形中的运用。采用对称拉伸试样的结果确定了经典幂次方程的参数，采用最小二乘法减小试验和模拟误差确定了响应曲面，该曲面的结果与试验的误差小于10%。通过上述分析，采用Abaqus模拟复杂零件的超塑性成形过程，模拟的结果在关键区域未产生损伤，最后通过充气压试验来验证了数值模拟的结果。

关键词：铝合金;超塑性;流变学;试验;数值模拟

中图分类号：TG146 文献标识码：A

超塑性是某型材料在特定的成形温度和应变速率下，在破坏前承受大变形的能力[1]。利用该种性能，可将薄板材料在随时间变化的气压下成形为复杂结构零件。然而，对工业零部件来说，成形时间可能超过几小时，常采用数值模拟的方式来得到好的成形条件。因此，材料参数如本构方程等应准确确定[1，2]。

Norton-Hoff幂次方程常用来描述材料的超塑性力学性能[3]，该方程的参数较易确定，同时还可通过Arrhenius方程将温度的影响集成至经典Norton-Hoff方程中，相应的方程如下[4]：

式中：σ为等效应力，单位为MPa;ε为等效应变;ε为等效应变速率，单位为s^-1;K为材料常數，单位为MPa·s^-m;m为应变速率敏感系数;n为应变硬化系数;Q为材料的激活能，J;R为气体常数，单位为J/（K·mol）;T为成形温度，单位为K。

1 试验过程

为确定本构方程参数，对称试件的单轴拉伸试验在LAMPA实验室开发的拉伸试验机上进行，试验机如图1所示。试件在密封的热成形腔中受到受控的单轴拉伸载荷，该载荷确保试件的拉伸速率控制在1×10^-5～1×10^-3s^-1且为稳定值。成形温度通过焊接在试件中央的K形热电偶控制。密封腔中充人氮气以消除腐蚀效应。通过1kN的载荷传感器测量所施加的载荷。

2 本构方程的确定

开展了在三个成形温度（477℃，497℃和517℃，即770K，780K和790K）和4个应变速率（1×10^-3s^-1，5×10^-4s^-1，2×10^-4s^-1和5×10^-5s^-1）下的试验，每个试验重复进行三次。试验的重复性较好。由于对7475铝合金的力学性能影响较小，晶粒形态在本研究中不予考虑（如图2所示）。

图3为7475铝合金材料的力学响应面（ResponseSurface，RS）。在试验条件下，应力快速增加，达到一个稳定的水平，随后较快下降，表明此时材料有损伤出现。在恒定的温度下，当应变速率增加时（如图3（a）所示），应力随之增加，而破坏应变降低。在给定的应变速率下，当温度上升时，应力随之下降，而破坏时的应变变化不大（如图3（b）所示）。

上述试验可用非线性回归算法确定本研究中用的Norton-Hoff公式中的参数相关参数取值见表1。试验数据和拟合的曲面对比如图4所示，由图4可见，该拟合方程的误差在10%以内。

3 超塑性成形过程数值模拟

采用Abaqus软件建立如所图5（a）示的有限元模型模拟负载形状零件的成形过程。模型模拟了1/4的旋转体零件，在直边加载对称条件，如图5（b）所示。模型的翻边划分为薄壳元，模具用离散刚体建模，采用隐式算法，接触模型定义为“硬接触”，摩擦因数取为0.2。上文确定的材料性能参数通过自定义编制的用户子程序输入模型中。

超塑性模拟成形过程的数值模拟中，对成型结果取绝对影响作用的是生成成形气压曲线的算法，相关算法的对比可

参考文献[5]。

Abaqus/Standard默认采用Bellet提出的气压梯度控制算法[6]。该算法通过对实际应变速率相对于参考应变速率的比值的控制，生成相应的气压控制曲线。该方法总体上模拟结果良好，在工业界被广泛采用。唯一的限制是该方法需采用隐式算法且需采用Abaqus中的蠕变方程来描述材料的本构关系。表2给出了算法的定义，其中是应变速率比值，该数值由模型中的最大应变速率除以事先给定的参考最佳应变速率得到。

图6对比了模拟得到的结果和试验结果。由图6可知，模拟得到的应变变化与试验得到的应变值总体上符合，也与相关研究结果相符[7～9]。

4 结论

本研究给出了7475铝合金的超塑性流变方程参数。通过模拟表明，Norton-Hof方程可在一定条件下用来比较准确地模拟超塑性成形过程。在后续的工作中，上述数值拟合的方程参数将通过不同形状零件的充气压试验验证，同时考虑三次多项式的响应面来描述材料流变关系。

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