分享：2219铝合金热压缩时的流变应力本构方程

易兆祥１,李新和１,２,常士武１,曹 权１

(中南大学１．轻合金研究院,２．高性能复杂制造国家重点实验室,长沙 ４１００８３)

摘 要:采用 GleebleＧ３１８０型热模拟试验机对２２１９铝合金进行单道次热压缩试验,研究了该铝合金在温度为２００~３５０℃、应变速率为０．１~１０．０s－１条件下的流变行为,建立了２２１９铝合金热压缩时的流变应力本构方程,并进行了试验验证.结果表明:２２１９铝合金的流变应力随应变速率的增大或变形温度的降低而增加;由 FieldsＧBackofen本构方程计算得到的２２１９铝合金应力的变化规律与试验得到的相同,且应力计算值与试验值的相对误差小于５％,该本构方程可以较准确地描述２２１９铝合金的高温流变行为.

关键词:铝合金;热压缩;流变应力;本构方程

０ 引 言

２２１９铝合金属于 AlＧCuＧMn 系可热处理强化合金,具有良好的低温和高温力学性能、断裂韧性、焊接性能以及抗应力腐蚀能力等,广泛应用于航空、航天等领域[１],主要用于制造火箭箭体结构件和燃料贮箱封头件.目前,我国主要采取冷旋压技术对火箭燃料贮箱封头进行整体加工成形,但成形后封头容易出现起皱、开裂等变形不协调的现象.热旋压加工技术在降低材料变形抗力和提高材料塑性等方面具有独特的优势[２],因此有必要研发制造大型铝合金封头件的热旋压加工工艺.

目前,国内外学者对２２１９铝合金的研究主要集中在搅拌摩擦焊[３Ｇ４]、热处理后的机械加工性能[５]、稳态蠕变本构方程[６]等方面,对其热变形时的流变应力本构方程研究较少.当热旋压温度超过３５０℃时,铝合金板材软化太严重,不利于对其进行加工.因此,作者对 O 态２２１９铝合金在３５０ ℃及以下温度进行高温压缩试验,研究了该铝合金在不同应变速率和变形温度下的流变行为,建立了热压缩时的流变应力本构方程,为制定２２１９铝合金的热旋压加工工艺提供理论依据.

１ 试样制备与试验方法

试验材料为 O 态２２１９铝合金板,由广西南南铝加工有限公司提供,其化学成分如表１所示.在铝合金板上截取尺寸为?７mm×１０．５mm 的圆柱体试样,在 GleebleＧ３１８０型热模拟试验机上进行单道次热压缩试验.试验前将热电偶焊接在试样侧面测试样的温度,以确保其温度在试验过程中保持不变;以５ ℃??s－１的升温速率将试样加热到变形温度

(２００,２５０,３００,３５０ ℃),保温５min后,分别以０．１,１．０,１０．０s－１ 的应变速率进行压缩变形,总变形量为３０％,总应变为０．３６,压缩变形结束后立即水冷到室温

2 流变应力本构方程的建立

    由于２２１９铝合金在热压缩过程中存在应变硬化和应变速率硬化现象,因此选用 FieldsＧBackofen方程来描述其流变行为,其表达式为

    式中:σ为应力;ε?? 为应变速率;ε为应变;C 为材料强度系数;n 为应变硬化系数;m 为应变速率敏感系数.式(１)中n 的大小表明材料均匀变形能力的强弱,n 越大,则材料的硬化效应越明显,成形极限越高.对式(１)两边分别取自然对数,得到

    当变形温度与应变速率一定时,lnC 与mlnε?? 都为常数,lnσ与lnε之间满足线性关系,n 则为该直线的斜率.选取真应力Ｇ应变曲线中屈服应力与峰值应力之间的均匀变形段来计算n.由图２可知,不同变形温度下的n 与应变速率的对数呈线性关系,因此n 可以表示为

    式中:A 为应变速率对n 的影响系数;B 为变形温度对n 的影响系数.A,B 的拟合结果如表２所示.

    由表２可以看出:不同变形温度下的 A 相差不大,这表明应变速率对n 的影响较小,因此A 可取不同变形温度下的平均值,即０．０３４.用 Origin软件拟合可知,B 与温度T 呈近似线性关系,关系式为

    将A,B 代入式(３),得到参数n 的表达式为

    由式(２)可知,当变形温度与应变一定时,nlnε为常数,lnσ 与lnε?? 呈线性关系,直线的斜率即为m.当ε为０． ２时,不同变形温度下lnσ 与lnε?? 的关系如图３所示,通过计算得到的m 值见图４

    由图４可以看出,m 与变形温度基本呈二次函数的变化规律,拟合得到m 的表达式为

    由式(１)可推导出C 的表达式为

    将不同变形温度下的 m,n 以及应变为０．２时的流变应力代入式(１),计算得到不同条件下的C.由图５可知,变形温度对C 的影响较大,应变速率对C 的影响相对较小,C 与lnε?? 基本呈线性关系,因此C 可表示为

    式中:C１ 为应变速率对C 的影响系数;C２ 为变形温度对C 的影响系数.

    拟合得到的 C１,C２ 如表３所示.由表３可以看出,不同变形温度下的 C１ 相差较小.为简化模型,C１ 取不同变形温度下的平均值,即－７．４８.用Origin软件拟合得到C２ 与变形温度基本呈线性关系,可以得到C２ 的表达式为

    综 上 所 述,２２１９ 铝 合 金 热 压 缩 时 的 FieldsＧBackofen本构方程的３个参数的表达式分别为

3. 本构模型的验证

    将拟合得到的相关参数代入 FieldsＧBackofen本构方程,计算得到应变速率分别为０．１,１．０,１０．０s－１和变形温度分别为２００,２５０,３００,３５０ ℃下２２１９铝合金的真应力Ｇ真应变曲线.由图６可以看出,通过本构方程计算得到的应力的变化规律与试验得到的相同.

    为进一步验证２２１９铝合金热压缩本构方程的准确性,将试验测得的应变速率为０．５s－１、不同温度下的真应力Ｇ真应变曲线与计算所得曲线进行对比.由图７可以看出,应力计算值与试验值的相对误差小于５％,这说明该本构方程具有较高的准确性.

4. 结 论

     (１)当应变速率相同时,变形温度越高,２２１９铝合金的流变应力、屈服强度、抗压强度越低;当变形温度相同时,应变速率越大,２２１９铝合金的流变应力、屈服强度、抗压强度越高.

    (２)由 FieldsＧBackofen 本构方程计 算 得 到 的２２１９铝合金应力的变化规律与试验得到的相同,且应力计算值与试验值的相对误差小于５％,该本构方程具有较高的精度.

来源：材料与测试网