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５０５０铝合金板材高温流变行为研究２３５０５０铝合金板材高温流变行为研究ＨｉｇｈＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＲｈｅｏｌｏｇｉｃａｌＢｅｈａｖｉｏｒｏｆＡｌｕｍｉｎｕｍＡｌｌｏｙＳｈｅｅｔ５０５０汪洪峰，左敦稳，黄铭敏，陈明和（南京航空航天大学机电学院，南京２１００１６）————ＷＡＮＧＨｏｎｇｆｅｎｇ，ＺＵＯＤｕｎｗｅｎ，ＨＵＡＮＧＭｉｎｇｍｉｎ，ＣＨＥＮＭｉｎｇｈｅ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００１６，Ｃｈｉｎａ）摘要：在３０３～６７３Ｋ的温度范围内和应变速率为０．００１～０．１Ｓ下对５０５０铝合金薄板进行高温拉伸试验，研究了５０５０铝合金高温拉伸性能，以及该合金在升温条件下流变应力与变形温度、应变速率之问的关系。结果表明：５０５０铝合金的流变应力随温度的升高而降低，随应变速率的升高而升高；高温拉伸试样的伸长率随变形温度的升高而升高，随应变速率的增大而减小。同时使用改进了的Ｈｏｏｋｅｌａｗ和Ｇｒｏｓｍａｎ方程建立了５０５０铝合金在高温拉伸时应力一应变本构模型。关键词：５０５０铝合金；高温拉伸；材料应力一应变本构方程中图分类号：ＴＧ１４６．２文献标识码：Ａ———文章编号：１００１４３８１（２０１１）０１００２３０５Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｗａｒｍｔｅｎｓｉｌｅｔｅｓｔｓｆｏｒ５０５０ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｓｈｅｅｔｍｅｔａｌｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔａｔｅｌｅｖａｔｅｄ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒａｉｎｒａｔｅｓ．Ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗａｓ３０３６７３Ｋａｎｄｔｈｅｓｔｒａｉｎｒａｔｅｗａｓ０．００１～０．１Ｓ．Ｔｈｅｗａｒｍｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｓｔｒａｉｎｒａｔｅａｎｄｔｈｅｆｌｏｗｓｔｒｅｓｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｆｌｏｗｓｔｒｅｓｓｄｅｃｌｉｎｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｅｒｅａｓｅｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｄｅｃｒｅａｓｅｏｆｓｔｒａｉｎｒａｔｅｓ．Ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｄｅｃｒｅａｓｅｏｆｓｔｒａｉｎｒａｔｅｓ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｅｑｕａｔｉｏｎｓｕｎｄｅｒｗａｒｍｔｅｎｓｉｏｎａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｂａｓｅｄｏｎＨｏｏｋｅｌａｗａｎｄＧｒｏｓｍａｎｅｑｕａｔｉｏｎ．—Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：５０５０ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ；ｗａｒｍｔｅｎｓｉｏｎ；ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｅｑｕａｔｉｏｎｏｆｓｔｒｅｓｓｓｔｒａｉｎ减轻交通运输工具自身质量是目前设计的主流，特别是针对航空制造业，飞机质量的减轻越来越重要。因此航空铝合金在这一领域的应用也越来越广泛卫］。５０５０铝合金是铝一镁系列合金，具有中等强度及良好的成形工艺性，在加工结构上多呈钣金件及复杂形状的型材薄壁件形式。它主要用于航空、汽车、船舶、塔式建筑、电车和家具等工业领域］。近年来数值模拟技术在材料加工领域获得了越来越广泛的应用，为了充分发挥这种技术的优势，必须知道加工材料在低于熔化温度以下的各温度的流动应力，这对于提高加工模拟精度具有重要意义。５０５０铝合金可通过热处理强化其硬度，其室温下的力学性能数据可从各种材料手册查到［８］，但其高温力学性能数据十分缺乏。本工作正是针对这种情况，在高温万能拉伸试验机上对５０５０铝合金薄板进行了热加工条件下的拉伸试验，获得了不同温度和应变速率下的应力一应变关系曲线，建立了５０５０铝合金合理的材料应力一应变本构方程。１实验条件１．１实验材料及设备实验材料：热轧制５０５０铝合金板材，其化学成分（质量分数／）如下：Ｓｉ０．４，Ｆｅ０．７，Ｃｕ０．２，Ｍｎ０．１，Ｍｇ１．１８，Ｃｒ０．１，Ｚｎ０．２５，其余０．１５，余量为Ａ１。实验设备：高温万能拉伸试验机。该设备封闭式炉箱整体对流加热，热电偶直接接触式测量，实验最高℃温度１０００，箱体内整体温度误差为±℃１。１．２实验方法试样的几何形状及尺寸如图１所示，试样的厚度为２ｍｍ，通过电火花线切割制取，并且长度方向与轧制方向一致。实验温度设置在３０３～６７３Ｋ范围内，在试样温度达到设定的温度后保温１５ｍｉｎ，然后以０．１，０．０１，２４材料工程／２０１１年１期图１高温拉伸试样几何形状及尺寸Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｓｈａｐｅａｎｄｓｉｚｅｏｆ—ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｅｎｓｉｌｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓ０．００１Ｓ恒应变速率进行拉伸。２实验结果与分析２．１应力一应变曲线图２为不同温度和应变速率下５０５０铝合金应力一应变曲线图。由图２高温拉伸应力一应变曲线的变化可以得出：在相同温度下，流变应力曲线随着应变速率的增加而升高，造成这种现象的主要原因是在较大的图２不同温度和应变速率下５０５０铝合金应力一应变曲线图（ａ）Ｔ一３０３Ｋ；（ｂ）Ｔ一４２３Ｋ；（ｃ）Ｔ一５７３Ｋ；（ｄ）Ｔ一６７３Ｋ—Ｆｉｇ．２Ｓｔｒｅｓｓｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｓｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ５０５０ａｔｅａｃｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｓｔｒａｉｎｒａｔｅ（ａ）Ｔ一３０３Ｋ；（ｂ）Ｔ一４２３Ｋ；（ｃ）Ｔ一５７３Ｋ；（ｄ）Ｔ＝６７３Ｋ应变速率下，没有足够的时间发生充分的软化过程；在相同的应变速率下，流变应力曲线随温度的升高而下降，这主要是因为温度的升高降低了材料的抗拉能力；当温度达到６７３Ｋ时，材料屈服后出现了软化现象，断裂应力明显下降，特别是针对小应变速率更为明显，其主要原因是高温阶段，应变速率对流变应力的影响更加显著。２．２伸长率与温度、应变速率的关系５０５０铝合金的伸长率受温度的影响明显。实验测定的温度、伸长率和应变速率的关系如图３所示。从图３可以看出，５０５０铝合金的伸长率在应变速率不变的情况下，随温度的升高而升高；在温度保持不变的情况下，其随应变速率的增加而降低。当应变速率为０．００１Ｓ时，温度在３０３～６７３Ｋ过程中，伸长率由１５．９提高到７５．７；当应变速率为０．０１Ｓ时，温度在３０３～６７３Ｋ过程中，伸长率由１４．２提高到６５．６；当应变速率为０．１ｓ时，温度在３０３～６７３Ｋ过程中，伸长率由１４．２提高到４９。当温度为３０３Ｋ时，随着应变速率的增大，伸长率由１５．９降低到１４．２；当温度为４２３Ｋ时，随着应变速率的增大，伸长率由２５．８降低到１４．２Ｖｏ；当温度为５７３Ｋ时，随着应变速率的增大，伸长率由５２．３％降低到２９．１；当温度为６７３Ｋ时，随着应变速率的增大，伸长率由７５．５降低到４９％。５０５０铝合金板材高温流变行为研究２５／Ｋ图３５０５０铝合金断后伸长率与温度、应变速率变化曲线Ｆｉｇ．３Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｅｌｏｎｇａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｓｔｒａｉｎｒａｔｅｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ５０５０３材料的本构模型３．１模型的选择材料的本构模型利用数学方式来描述材料变形过程中的应力一应变关系。模型主要分为两类：一类是直接描述变形条件，如温度、应变速率等对材料应力的影响，这类模型用于加工硬化行为占主要因素时比较合适；另一类则考虑了材料变形中对材料内在结构状态羔＼ｂ影响的因素，变形条件主要取决于材料的结构。本工作根据文献［９，１０］，采用了第一类模型中的Ｇｒｏｓｍａｎ方程，并根据Ｈｏｏｋｅｌａｗ得出了材料整个拉伸过程中的应力一应变模型：ｆ一Ｅ（Ｔ，）￡（弹性阶段）（１）ｌ。一ｅｘｐ（１￡）（塑性阶段）式中：Ｃ，Ｅ为材料系数；ｎ为应变硬化系数；为应变速率敏感系数。在式（１）中，针对在一定温度和一定的应变速率情况下Ｃ，Ｅ，ｎ，ｍ都是常数。但在不同温度和应变速率情况下，Ｃ，Ｅ，，ｍ都是变化的。因此考虑温度和应变速率的影响时，必须对上述４个系数进行修正。３．２Ｅ值的修正式（１）中的弹性阶段的应力一应变模型是Ｈｏｏｋｅｌａｗ的修正形式，在式中Ｅ（Ｔ，）是关于Ｔ和的函数。图４（ａ）～７（ａ）为不同温度下各应变速率的弹性阶段拉伸应力一应变线性拟合曲线，图中的直线斜率即为一定温度、一定应变速率下的Ｅ值。利用最小二乘法对上述的Ｅ值数据进行拟合，拟合图形如图８所示，所得公式为—Ｅ（Ｔ。）一２９６６．４７９３．０４６Ｔ＋１２．８９４砭（２）图４Ｔ一３０３Ｋ时的应力一应变拟合曲线（ａ）弹性阶段；（ｂ）塑性阶段—Ｆｉｇ．４ＴｈｅｆｉｔｔｉｎｇｃｕｒｖｅｓｏｆｓｔｒｅｓｓｓｔｒａｉｎａｔＴ一３０３Ｋ（ａ）ｅｌａｓｔｉｃｓｔａｇｅ；（ｂ）ｐｌａｓｔｉｃｓｔａｇｅ‘／－０００１Ｓ一・０．０１ｓ。ｌ▲’０．１ｓ’１－０．Ｏ０１ｓｆｉｔｔｉｎｇｃｕｒｖｅ２２－０．Ｏｌｓｆｉｔｔｉｎｇｃｕｒｖｅｌ‘３－０．１ｓ。ｆｉｔｔｉｎｇ￣ｕｒｖｅ—一Ｌ图５Ｔ－二４２３Ｋ时的应力一应变拟合曲线（ａ）弹性阶段；（ｂ）塑性阶段—Ｆｉｇ．５Ｔｈｅｆｉｔｔｉｎｇｃｕｒｖｅｓｏｆｓｔｒｅｓｓｓｔｒａｉｎａｔ丁：４２３Ｋ（ａ）ｅｌａｓｔｉｃｓｔａｇｅ；（ｂ）ｐｌａｓｔｉｃｓｔａｇｅ２６材料工程／２０１１年１期２５００２０００皇１５００＼１０００５００Ｏ．１８Ｏ７０６Ｏ对５Ｏ乱茎４Ｏｂ３Ｏ２Ｏｌ０ａ１－０．００ｊＳ・０．０１Ｓ－▲０．１Ｓ＾Ｉ－－．～．／－Ｓ。・ｌｓｆｉｔｔｉｎｇｃｕｒｖｅ０．０１ｓ。ｆｉｔｔｉｎｇｒｙｅｌ／：Ｏ００１ＳｆｉｔｔｉｎｇＣＵｒ％ｅ０．００００．０ｌ０００２００．０３０１１ＯｌＯ５】ＯＯ９５苫９Ｏｂ８５８Ｏ７５７００（ｂ．（）．Ｊ０．００Ｉｓ／▲Ｏ．１ｓ▲‘０．１Ｓ。ｆｉｔｔｉｎｇＣＵＩ＇ＶｅＯ．０１ｓ。ｆｉｎｉｎｇ￣ＵＦＶｅ———————厂’‘０．Ｏ０１ＳｆｉｔｔｉｎｇｃｕｒｖｅＯ４Ｏ．Ｏ６（）＿０８０．１００．１２Ｏ１４Ｏ１６０图６丁：５７３Ｋ时的应力一应变拟合曲线（ａ）弹性阶段；（ｂ）塑性阶段—Ｆｉｇ．６ＴｈｅｆｉｔｔｉｎｇｃｕｒｖｅｓｏｆｓｔｒｅｓｓｓｔｒａｉｎａｔＴ：５７３Ｋ（ａ）ｅｌａｓｔｉｃｓｔａｇｅ；（ｂ）ｐｌａｓｔｉｃｓｔａｇｅ●—‘…０ＩＳ。ｆｉｔｔｉｎｇｃｕｒｖｅＡ０．１ｓ～－￣＿＼０＋０１ｓ一ｔｔｉｎｇｃｕｒｖｅ＿０．００１ｓｆｉｔｔｉｎｇｃｕｒｖｅ＼图７Ｔ一６７３Ｋ时的应力一应变拟合曲线（ａ）弹性阶段；（ｂ）塑性阶段Ｆｉｇ．７ＴｈｅｆｉｔｔｉｎｇｃｕｒｖｅｓｏｆｓｔｒｅｓｓｓｔｒａｉｎａｔＴ一６７３Ｋ（ａ）ｅｌａｓｔｉｃｓｔａｇｅ；（ｂ）ｐｌａｓｔｉｃｓｔａｇｅ图８Ｅ与丁和关系Ｆｉｇ．８ＲｅｌａｔｉｏｎｏｆＥ，Ｔａｎｄ；３．３，Ｉ，ｍ和Ｃ值的修正图４（ｂ）～７（ｂ）为不同温度下各应变速率的塑性阶段拉伸应力一应变线性拟合曲线。从每条曲线上取出３组数据，每组数据由４对组成，分别代入式（１）塑性阶段公式，求出，ｎ，Ｃ，值；并将同一曲线上的３组ｎ，ｎ，Ｃ，ｍ求平均值。再利用最小二乘法对上述的各参数值数据进行拟合，其拟合的图形分别如图９～１２，所得对应公式为—ｎ（Ｔ，）一０．８５７０．００２Ｔ＋０．２４４＋１．８６×１０—（Ｔ，）一５．８９０．００８Ｔ＋０．０８％２。（３）（４）０．４００．３５０．３００２５０．２０Ｏ．ｊ５０１００．０５０１图９与丁和关系”Ｆｉｇ．９Ｒｅｌａｔｉｏｎｏｆ，Ｔａｎｄ；Ｏ由于通过计算得出应变速率对Ｃ和ｍ值影响很小，故在此只考虑其与温度有关，可得Ｃ一一０．４８７２２Ｔ＋４２１．９４９０６（５）一０．０００２４Ｔ一０．０１２０４（６）３．４模型与实测曲线的比较在上述的讨论中，已确定了模型中各系数，对材料应力一应变本构模型的计算曲线和实测曲线进行比较，如图１３所示。可以看出，在弹性阶段计算曲线和实测曲线基本吻合，并随着塑性阶段的开始，两者曲线的走势及数值均比较接近。因此本工作中的５０５０铝合金应力一应变本构模型比较接近材料本身固有性能。＼ｂ良盂ｆＤ