5052鋁合金流變應力的研究綜述

陳婕 盧駿瑞 周法璀

摘要：鋁合金是一種強度高、密度低的輕合金材料，已經(jīng)被廣泛運用到汽車制造、航空航天等工業(yè)領域。鋁合金具有多種類型，經(jīng)過熱處理后呈現(xiàn)的狀態(tài)也存在差異，這就需要提高其塑性成形能力，諸多國內(nèi)外學者開展了相關研究。本文搜集了5052鋁合金應變力的相關研究，對其在熱連軋、熱壓縮、熱拉伸實驗狀態(tài)下的流應變力進行研究、總結(jié)。

關鍵詞：5052鋁合金;流變應力;研究綜述

隨著制造強國戰(zhàn)略的推進、科學技術(shù)迅猛發(fā)展，鋁合金的應用價值不斷被發(fā)掘出來，使得鋁合金應用領域得到了拓展。從材料屬性上看，鋁合金本質(zhì)強度較高、密度較低，且擁有良好的耐腐蝕、導熱導電性能，十分便于加工成適用于不同領域的板材、管材和型材，如車輛交融、建筑設計等。5052鋁合金屬是形變鋁合金的一種，是非熱處理類的強化防銹鋁，是5xx系合金的典型代表。在鋁合金材料長期推廣、應用和發(fā)展下，由于5052鋁合金材料的優(yōu)良屬性，其被廣泛運用于低溫容器制造、鋁制集裝箱的側(cè)板。相較于低碳鋼，其成型性能較差。在國內(nèi)外的研究中，諸多學者對處于熱軋、熱變形的組織特性進行了深入研究，關于“高溫變形的流變應力”的研究文獻較少。流變應力，是某種金屬材料處于高溫變形狀態(tài)呈現(xiàn)出的基本特性，往往容易受到合金本身化學成分，以及變形程度和溫度的影響，反映了微觀角度下變形體內(nèi)部組織演變。當下，金屬熱加工工藝、金屬塑性變形的相關研究都極為重要。本文立足塑性加工力學的需求，對流變應力值的國內(nèi)外研究進行梳理、分析和總結(jié)，為加工制造領域計算精度的提高提供參考。

一、鋁合金的研究發(fā)展

5xxx系鋁合金屬是變形鋁合金，其中主要添加了元素鎂，同時，為了提高其適應不同生產(chǎn)場景的能力、各項性能，需要將少量的Cr、Mn金屬融入其中，根據(jù)不同加工任務的需求也會混合一定的雜質(zhì)，如Cu、Zn、Si、Fe等。從5xxx系鋁合金特點看，其作為變形鋁合金擁有中等強度，十分適用于航天、造船等行業(yè)領域，是船用的必備材料。伴隨鎂含量的增加，5xxx系鋁合金的強度也會不斷變大，但其耐蝕性能會被削弱。自從20世紀初，船艦制造中就引入了5xxx系鋁合金屬材料。隨著鋁合金技術(shù)的不斷發(fā)展，國際上出現(xiàn)了不同型號的5xxx系鋁合金板材、鋁合金擠壓型材。當前，關于5xxx系鋁合金流應變力的研究較少，主要是通過采取不同實驗方法研究成形過程中的流變應力。

二、基于熱連軋的5052流應變力

在王衛(wèi)衛(wèi)（2012）的研究中，其認為影響鋁熱連軋工藝的重要參數(shù)是鋁板帶的溫度，主要體現(xiàn)在溫度分布均勻性上，會給鋁合金材料力學性能、微觀組織、尺寸精度，以及如何合理分配軋機負荷帶來影響。在國內(nèi)的熱連軋生產(chǎn)線上，很難精準地把控軋件溫度計算等基礎部分。在具體生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)，主要運用既定的解析法進行建模，通過簡化大量的真實軋制條件，在不同步驟的溫度計算上難以達到較高精度，十分容易在變工藝、變品種軋制中出現(xiàn)誤差。為了提高鋁板材自主制造水平、滿足工藝研究的需求，他圍繞軋制過程鋁板溫度的計算模型進行研究。在采用的實驗技術(shù)方法上，有仿真分析、有限元反算、實驗研究、現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗證等，對經(jīng)過15道工序的軋件溫度場變化，以及軋件溫度場與不同傳熱方式的關系進行了研究。其研究主要包括以下幾點：其一，利用熱脈沖法、DSC實驗法，搜集了基于溫度變化狀態(tài)下5052鋁合金的熱傳導系數(shù)、比熱;接著，通過開展熱模擬實驗，對處于不同工況下的5052鋁合金的流變應力進行研究，圍繞周紀華模型構(gòu)建流變應力本構(gòu)模型，并對5052鋁合金變形抗力與應變速率、變形溫度的相關性進行分析。其二，其基于彈塑性學、傳熱學理論，通過使用Fortran語言二次開發(fā)MARC軟件，借此進行了5052鋁合金熱連軋熱力耦合有限元模型的構(gòu)建。在經(jīng)過現(xiàn)場數(shù)據(jù)測試后，引入有限元反算法，對接觸換熱系數(shù)中不同系數(shù)初始值進行了明確;然后，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡訓練、正交試驗對不同系數(shù)的數(shù)值進行精確。其三，對乳化液、空冷、摩擦生熱、接觸傳熱、塑性變形與軋件溫度場的相關性規(guī)律進行研究，并得出了實驗結(jié)論，對溫度場影響程度最大的是塑性變形熱、接觸傳熱，乳化液冷卻次之，帶來影響最小的是空冷散熱和摩擦生熱。最后，學者在對5052鋁板熱連軋現(xiàn)場的數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)兩者在平均誤差、溫差分別為0.78%、3.74°C，達到了良好的吻合度。這一研究通過實證證明了此實驗的建模方法、溫度計算模型可靠性較強，為其他鋁合金型號的熱連軋溫度預測提供了借鑒。

三、基于熱壓縮的5052流應變力

在鄭玉林、陳文敬等（2007）的研究中，他們主要使用了Gleeble1500熱模擬機，開展基于高溫的圓柱體軸對稱單次壓縮試驗，圍繞5052鋁鎂合金進行流變應力的系統(tǒng)化研究，主要是使其處于高溫變形狀態(tài)下，對流變應力與變形速率、變形溫度的相關性進行分析，對5052鋁合金材料的相關數(shù)值進行求解，并總結(jié)回歸分變形抗力模型，為熱加工工藝向合理化發(fā)展提供借鑒。在具體研究中，他們主要使用的是自鑄的5052鋁合金，在化學成分構(gòu)成上為Al-2.2Mg-0.2Cu-0.09Mn（質(zhì)量分數(shù)/%）。將材料置于空氣爐中后，以480℃的溫度進行均勻化熱處理，選取48小時的保溫時長，在爐溫下降至100°C后，將其取出進行室內(nèi)降溫。其后，對經(jīng)過均勻化處理的原材料，對其進行加工壓縮，得到10mm×15mm尺寸精度的Rastegaev壓縮樣品，并運用Gleeble1500熱模擬機進行高溫壓縮實驗，將速率保持在恒應變狀態(tài)。在開展壓縮實驗前，將75%石墨、5%硝酸三甲苯脂分別填充至圓柱材料的兩端的凹槽內(nèi)，對夾頭處的摩擦對應力進行控制。在實驗中，將溫度保持在300—500℃，壓縮變形量、應變速率分別為60%、0.001—10S-1，再利用內(nèi)電阻實現(xiàn)加熱功能，使得加熱速度達到1℃/s-1，在變形前使其保持5分鐘的保溫狀態(tài)。通過利用熱模擬機設備，結(jié)合位移速度、位移、自動控制溫度等條件，對真應力、真應變數(shù)據(jù)進行采集，將采集的數(shù)據(jù)繪制成真應力一真應變曲線。通過實驗操作后發(fā)現(xiàn)，在處于0.1s-1應變速率時，應變速率和變形溫度分別為0.01和0.001、420—500℃，在變形溫度處于300—500℃區(qū)間時，5052鋁合金的熱壓縮變形出的峰值應力較為明顯，體現(xiàn)出連續(xù)性動態(tài)再結(jié)晶特征;在其他變形工況下，則具有穩(wěn)態(tài)流變特點，在處于特定應變速率和溫度下，在真應變大于特定數(shù)值后，真應力不會伴隨真應變額增大出現(xiàn)明顯，變化，呈現(xiàn)出動態(tài)回復特征;在等應變速率狀態(tài)下，真應力伴隨溫度升高和降低，在處于統(tǒng)一變形溫度時，真應力程度升高，隨應變速率增加。

四、基于熱拉伸的5052流應變力

林啟權(quán)教授、王曉偉等（2019）對5052鋁合金板材進行研究，他們使用了Instron3369電子萬能試驗機，對板材的斷口形貌、力學性能，以及板鍛造成形工藝技術(shù)對有實心凸起結(jié)構(gòu)的簡形件進行深入研究。首先，為獲取不同溫度、應變速率下的5052鋁合金應力-應變曲線，選用了鋁合金薄板進行熱拉伸實驗，板材的厚度為2mm。在對處于不同工況、條件下的5052鋁合金板材進行熱拉伸實驗后得出應力-應變曲線，通過運用以Zener-Hollomon為參數(shù)的Arrhenius雙曲正弦關系，實現(xiàn)對5052鋁合金的熱拉伸流變應力行為的描述，得到了162.72kJ/mol的變形激活能數(shù)值和流應變力本構(gòu)方程。

其次，通過運用SEM等手段實現(xiàn)對微觀觀察，他們主要分析了在不同溫度指數(shù)、應變速率下的5052鋁合金斷口形貌。通過實踐結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在低溫狀態(tài)下對材料進行拉伸變形時，材料試樣上會出現(xiàn)深度較淺、尺寸較小的韌窩，出現(xiàn)在大量韌窩旁邊的是不規(guī)整的撕裂棱，在拉伸變形溫度上升的同時，各個韌窩的尺寸、深度也會向大面積擴展。在對處于應變速率為0.1s-1進行拉伸時，表面的撕裂棱部分呈不規(guī)則、不平整狀態(tài)，且斷口處的韌窩較深，韌窩尺寸會伴隨應變速率下降而增大。通過實驗發(fā)現(xiàn)，在材料試樣處于低應變速率、高溫狀態(tài)下，其韌窩長大、聚集產(chǎn)生于拉伸斷裂前，這樣就形成了塑性強、較大的韌窩，使得成形能力得到了提高。由此表明，應變速率和溫度對5052鋁合金形變具有一定影響。

再者，在搜集鋁合金熱拉伸的流變模型的相關參數(shù)后，他們將其輸入到DEFROM有限元軟件平臺，以軟件模擬形式分析帶有凸起結(jié)構(gòu)的圓筒件，對摩擦條件、成形溫度、工藝參數(shù)和凸起幾何結(jié)構(gòu)與成形性能的相關性進行研究。得出的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，處于不同溫度狀態(tài)下，在板料和凸模間摩擦系數(shù)不斷提高的同時，凸起半徑和圓角半徑會不斷增大，且實心材料凸起的程度不斷變大，有效提高了凸起的成形性，實心凸起鍛造成形的最大凸起值出現(xiàn)在673K狀態(tài)下;在背壓邊力、壓載荷提高的同時，加快了材料在成形中的流動性，凸起高度也隨之增大。

通過上述研究發(fā)現(xiàn)，其構(gòu)建的熱拉伸本構(gòu)方程，可以精準地描述鍛造成形凸起過程，且十分符合5052鋁合金熱成性性能的仿真需要。在成功建構(gòu)5052鋁合金流變應力模型的前提下，他們對板鍛造成形數(shù)值進行有限元仿真處理，通過與實驗結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)有限元仿真與實驗結(jié)果吻合度較高，且處于673K條件下板鍛造成形的5052鋁合金實心凸起成形性能較強。

五、結(jié)語

通過對采用不同實驗方法的5052鋁合金流應變力進行研究，能夠為相關行業(yè)提高工藝性能、計算精準度，促進加工制造領域獲得發(fā)展提供借鑒。

參考文獻：

[1]林啟權(quán)，王曉偉，董文正，等.5052鋁合金熱拉伸流變應力及實心凸起板鍛造成形研究[J].中南大學學報（自然科學版），2019，50（11）：2695-2702.

[2]王曉偉.5052鋁合金板熱拉伸流變應力及實心凸起板鍛造成形性研究[D].湘潭大學，2019.