T6态7075铝合金温热下各向异性研究

第３卷第６期　精密成形工程　２０１１年１１月　ＪＯｕＲＮＡＩ　ＯＦ　ＮＥＴＳＨＡＰＥ　ＦＯＲＭＩＮＧ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｔ６态７０７５铝合金温热下各向异性研究　周国伟　。，李大永　。，彭颖红　，。　（１．机械系统与振动国家重点实验室，上海２００２４０；　２．上海交通大学机械与动力工程学院，上海２００２４０）　摘要：对高强度铝合金７０７５一Ｔ６在０．０３　ｓ　应变率下，５０～２５０℃温度范围进行系列单向拉伸试验，并　测得不同温度下的厚向异性系数Ｒ。结果表明：７０７５一Ｔ６铝合金的流动应力随试验温度的升高而减小；在５０　～２。Ｏ℃温度区间，延伸率随温度的升高而增加；当温度为２５０℃时，由于Ｔ６特性的消失，延伸率反有所降　低，得到最佳的成形温度在２００℃左右；并且通过对３种不同屈服函数Ｍｉｓｅｓ，Ｈｉ１１４８和Ｂａｒ１ａｔ８９比较，得到　能准确方便描述７０７５－Ｔ６各向异性的屈服函数，确定了不同温度下屈服函数的参数。　关键词：７０７５铝合金；温热成形；单向拉伸；厚向异性系数；屈服函数　中图分类号：ＴＧ３７６．９　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—６４５７（２Ｏｌ１）０６—０００９－０４　Ｔｈｅ　Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ　Ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　７０７５一Ｔ６　Ａｌｕｍｉｎｕｍ　Ａｌｌｏｙ　ｕｎｄｅｒ　Ｗａｒｍ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ＺＨＯＵＧｕｏ—ｗｅｉ　。　。Ｌ　Ｄａ—ｙｏｎｇ　～。ＰＥＮＧ　Ｙｉｎｇ—ｈｏｎｇ　＇。　（１．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００２４０，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｊｉａｏ　Ｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００２４０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｎｉａｘｉａｌ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｔｅｓｔｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ａｌｌｏｙ　７０７　５　Ｔ６　ａｒｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ａｔ　ａ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ（５０～　２５０℃）ａｎｄ　ｓｔｒａｉｎ　ｒａｔｅ　０．０３　８～　．Ｉｔ　ｉｓ　ｓｈｏｗｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　７０７５　Ｔ６　ｄｅｃｒｅａｓｅｓ　ａｓ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ．Ｔｈｅ　ｔｏｔａｌ　ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｗｈｅｎ　ｉｔ　ｉｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　５０℃ａｎｄ　２００℃．Ｔｈｅ　ｔｏｔａ１　ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ　ａｔ　２５０℃ｄｅ—　ｃｒｅａｓｅｓ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｏｓｓ　ｏｆ　Ｔ６　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｕｍ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｏｒ　７０７５一Ｔ６　ｉｓ　ａｂｏｕｔ　２００℃．Ａ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｙｉｅｌｄ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｃｈｏｓｅｎ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ：Ｍｉｓｅｓ，Ｈｉｌｌ４８　ａｎｄ　Ｂａｒｌａｔ８９，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ　ａｒｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：７０７５　Ａ１　ａｌｌｏｙ；ｗａｒｍ　ｆｏｒｍｉｎｇ；ｕｎｉａｘｉａｌ　ｔｅｎｓｉｌｅ；ｐｌａｓｔｉｃ　ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ；ｙｉｅｌｄ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　７０７５高强度铝合金属于Ａ１一Ｚｎ—Ｍｇ—Ｃｕ系列超　成形性能，而且成形的表面质量也能够得到改善。　硬合金，具有高的强度和良好的综合性能，广泛应用　Ｄａｏｍｉｎｇ　Ｌｉ　］通过试验证明在温热条件下５７５４，　在航空航天领域＿｜１］。经过热处理后可以获得很高的　５１８２＋Ｍｎ，６ｌ１１－Ｔ４铝合金的塑性均能得到明显的　强度，但经过固溶人工时效处理的７０７５铝合金室温　改善。Ａｂｅｄｒａｂｂｏ口　研究了３００３一Ｈ１１１在不同条件　下成形性能较差。虽然航空航天制造业可以运用超　下的材料性能。Ｒｏｂｉｎｓｏｎ［４　证明Ａ１一Ｍｇ合金中由　塑性成形方法等来加工，但是为了能够应用到其他　于位错移动导致的刘德尔线在一定温度下可以消　的领域，需要研究一种更高效的成形方法。　除，从而改善成形的表面质量。目前对铝合金的温　研究表明，温热成形可以显著地提升铝合金的　热成形主要集中在不需要热处理的５ＸＸＸ和６ＸＸＸ　收稿日期：２０１ｌ　１０－ｌ０　作者简介：周国伟（１９８７一），男，硕士研究生，主要研究方向为金属塑性成形。　精密成形工程　２０１１年１１月　系列，对７ＸＸＸ铝合金的温热成形研究较少。文中　选择７０７５一Ｔ６作为研究对象，研究温热变形的流动　规律，建立与温度相关的屈服函数，为深入研究温热　Ｒ一譬　２试验结果与分析　２．１　单向拉伸应力应变结果　７０７５一Ｔ６在不同温度下应变率为０．０３　Ｓ　的单　向拉伸工程应力一应变曲线如图２ａ所示。通过试验　条件下成形过程数值模拟以及制定合理的加工工　艺，推动高强铝合金的广泛应用具有重要的指导意　义。　１试验方法及过程　文中所采用的试验材料为由Ｋａｉｓｅｒ铝业提供　的厚度为２　ｍｍ的７０７５一Ｔ６铝合金，其化学成分见　表１。按照图１所示沿轧制方向制备单向拉伸试　样。对于测定Ｒ值的试样，分别沿与轧制方向成　０。，４５。，９０。按照图１所示制备。　表Ｉ　７０７５．Ｔ６铝合金化学成分（质量分数Ｊ　Ｔａｂｌｅ　１　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　７０７５　ＡＩ　ａｌｌｏｙ　工程应变　ａ应力—应变曲线　譬、　词醛Ｈ　５４０　５２Ｏ　５００　皇４８０　ｊ　４６０　４４０　４２Ｏ　４００　５Ｏ　ｌＯＯ　ｌ５Ｏ　２００　２５（）　温度，℃　图１单向拉伸试样尺寸　Ｆｉｇ．１　Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｓｐｅｃｉｍｅｎ　ｂ应力—温度曲线　图２不同温度下单向拉伸结果　Ｆｉｇ．２　Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｕｎｉａｘｉａｌ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｔｅｓｔ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒ　单向拉伸试验设备采用ＭＴＳ８０９材料测试系　统，试样在加热炉内升至预定温度后保持５　ｍｉｎ，待　ａｔ１Ｌ２１ｒｅｓ　试样温度均匀后进行拉伸试验，直至试样断裂。试　验的温度范围为５０～２５０　ｏＣ，温度间隔为５０℃。　结果可见：在５０￣２５０℃温度范围内，随着温度的升　高，７０７５一Ｔ６的屈服强度和抗拉强度呈下降趋势，温　度对屈服强度和抗拉强度的影响逐渐增强；同时在　ＭＴＳ８０９材料测试系统采用等拉伸速度控制，该试　验按照应变率换算为拉伸速度进行控制，应变率为　０．０３　Ｓ一。　２５０℃时可以看到材料的延伸率由于热处理特性开　始消失，导致材料不均匀而突然减小。应变率为　测定Ｒ值时，记录初始的宽度Ｗ。和标距ｚ。，试　０．０３　Ｓ－　时屈服强度和抗拉强度与温度的关系如图　２ｂ所示：随着温度的升高，屈服强度和抗拉强度都　逐渐降低。屈服强度的降低表明，塑性成形所需要　的力减小，更容易成形。同时屈服强度和抗拉强度　验应变率控制为０．００８　Ｓ＿。，在试样产生一定均匀塑　性变形后停止试验，并测量变形后的宽度砌和标距　ｚ，按照公式（１）和公式（２）来计算Ｒ　和Ｒ值。　Ｒ　一面ｌ　ｎ（ｗ　／ｗｏ）　（１）　的差别越来越小。　第３卷第６期　周国伟等：Ｔ６态７０７５铝合金温热下各向异性研究　２．２厚向异性系数Ｒ　厚向异性系数Ｒ是评定板料成形性能的一个　重要参数。由于板材在制造过程中要经历轧制等工　艺，使板材形成织构组织，宏观上表现为各向异性，　是板料各向异性的一个度量。Ｒ　和Ｒ与温度的关　系如图３所示：随着温度的升高，Ｒ　和Ｒ值均变大；　一　图３　Ｒ值与温度的关系　Ｆｉｇ．３　Ｒ　ｖａｌｕｅｓ　ａｓ　ａ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　各个温度下Ｒ值均在１左右，可能各向异性不会特　别明显；当温度为２５０℃时，尺值大于１。　３　Ｂａｒｌａｔ８９屈服函数　Ｂａｒｌａｔ８９是三参数平面应力各向异性屈服函　数，考虑了２个方向的正应力和１个剪应力。因其　表示格式简单，参数易于确定，能够较好地描述板料　面内各向异性特征。文中选择Ｂａｒｌａｔ８９屈服函数　作为研究对象，同时选择最常用的各向同性的Ｍｉ—　ｓｅｓ屈服函数和各向异性的Ｈｉ１１４８屈服函数作为比　较，Ｂａｒｌａｔ８９屈服函数其表达式如下：　＿厂一“ＩＫ　＋Ｋ　』Ｍ＋口ｆＫ　一Ｋ　ＩＭ＋ｃ（２Ｋ　ｌＭ＝＝＝２　（３）　Ｋ１一Ｏ＇ｘａ＠　ｈ——一￣ｙｙ　（４）　Ｋ２＝　／ｒ『　］。　ＲＮＯＮ，０得的Ｒ值，可以由公式计算屈服函数中　的３个参数。　““＝２－　２－－ｃ＝２－ｃ２　√－、辟磊１　堕　　４－　Ｒ　９ｏ　㈦　（５）　ｈ：　（６）　值不能由Ｒ值解析求解，当“，ｃ和ｈ已知时，　ｐ值确实存在，可以通过数值求解公式确定唯一的　声值。　２Ｍ　ａＭ一　一１　（７）　Ｉ刁　ａ　／　计算后不同温度下Ｂａｒｌａｔ８９屈服函数参数见　表２。　２６１Ｃ９０８Ｏ５３；　３７９Ｏ１　哪４２３９７８Ｏ１　４６９３Ｏ１　１７８３ｌ９Ｏ咖　屈服函数与温度的关系如图４所示。图４ａ为　５０℃下７０７５一Ｔ６的Ｂａｒｌａｔ８９，Ｍｉｓｅｓ，Ｈｉ１１４８等３种　屈服函数的比较（标准化后），Ｈｉ１１４８对于钢材屈服　的描述能够较好地与试验相吻合，但是对于Ｒ值小　于１的铝合金材料，并不合适。因为对于此类材料，　由胀形试验得到的等轴双拉屈服应力应该至少等于　单向拉伸时屈服应力。Ｈｉｌｌ４８所预测的结果与此相　反　］，在图４ａ中也反映出这种异常情况。图４ｂ为　不同温度下Ｂａｒｌａｔ８９屈服函数的比较，在温度２５０　。Ｃ以下时。４个温度屈服函数的形状基本一致。当　温度为２５０℃时，屈服函数的形状发生了较明显的　变化，显示了在２５０℃时，材料性能可能有比较明显　的变化，这与单向拉伸结果相对应。图４ｃ为２５０℃　下３种屈服函数的比较，随着温度的升高，Ｒ值大于　１，Ｈｉ１１４８所预测的等轴双拉伸屈服应力明显大于单　向拉伸屈服应力，可能偏离试验事实。图４ｄ为各种　温度下Ｂａｒｌａｔ８９屈服函数的实际情况，可以明显看