冯超，徐家亮，刘二强

热处理参数对铝合金塑性成形性能分析

冯超1，徐家亮1，刘二强2

（1.台州科技职业学院 机电与模具工程学院，浙江 台州 318020；2.太原科技大学 应用科学学院，太原 030024）

研究温度升高对铝合金塑性成形性能的影响，分析高温条件下铝合金塑性成形性能。搭建铝合金试样试验装置并控制相应温度，对铝合金进行单向拉伸试验和金相试验，记录铝合金的变形温度，分析其塑性成形性能。采集铝合金试验数据后，引用Zener–Hollomon参数模型，设置试验流程以及参数，设置不同数值的高温条件。当变形温度大于250 ℃时，铝合金的伸长率大于100%。当变形温度为150～250 ℃时，5A02铝合金的真实应力–应变变化过程属于动态恢复型，而当变形温度大于250 ℃时，流变应力过程存在明显的软化现象。在形变处理过程中，铝合金试样延伸过程产生了弹性变形、塑性变形、裂纹萌生扩展过程，铝合金在高温条件下变形时，应变速率和变形温度对伸长率的影响较大。

高温条件；铝合金；塑性成形；单向拉伸试验；金相试验；应力‒应变

铝合金材料密度小，具有良好的耐冲击性、耐疲劳性，被广泛应用到多种制造领域中。加热处理是铝合金制作过程所必须的工艺，在铝合金材料制备过程中，不同温度下的制造工艺会产生不同物理性质的铝合金材料[1-3]。合金材料在不同的温度环境下，屈服强度以及伸长率均不相同，且塑性变形量不同，塑性变形量影响了铝合金在制作过程中的成形性能。大多数高温环境承载构件的失效是由高温、高压作用引起的高温塑性变形所致。不同金属材料的组织、化学成分和热物理性能都存在着较大的差异，因此其高温塑性变形性能的高低也不尽相同。例如，低合金钢和不锈钢之间的高温塑性变形性能存在很大的差异。鉴此，研究金属材料的高温塑性变形特性就显得尤为重要。

铝合金的比强度高、质量轻、流动性好、充型能力强、耐蚀性好、熔点低，广泛用于拖拉机、机车零部件、电子产品、医疗器械、建筑装饰等行业。铝合金有优良的延展性，在日用品行业及食品行业得到大量使用。在输送电力领域，铝合金制作的导线成本低、质量轻、抗腐蚀性能好、传热及导电性好、抗磨，因而越来越受到人们的重视[4-6]。国内探析铝合金塑性成形过程起步较晚，研究主要集中在利用金属间产生的磁脉冲压进行焊接，基于顺序耦合的方式分析铝合金冲压处理数值变化的情况，通过实验数据分析合金成形变换过程中产生的塑性变化等[7-9]。经阶段性的应用探索可知，高温条件下塑性变化的铝合金会受到外部环境的影响，成形性能分析过程可能会产生数值误差。为此，分析高温条件下铝合金塑性成形性能具有一定的研究意义。

1 试验

1.1 材料

采用热处理状态的铝合金（5A02–O以及5A02–T4）作为研究对象，铝合金的化学成分如表1所示。在表1所示的合金配料下，搭建铝合金试样试验装置，组装热模拟拉伸夹具。

表1 5A02–O及5A02–T4合金化学成分

1.2 搭建试验装置

试验装置选用Gleeble–3800热成形模拟机对铝合金进行热处理，并在热处理过程中维持恒温状态，组装形成的热拉伸夹具如图1所示。

图1 搭建的热模拟单向拉伸装置

考虑到合金试件会产生拉伸力，在图1所示的模拟拉伸装置内放置一个电阻率最小的金属导片，控制热模拟拉伸装置的输出拉力恒定[10]。拉伸装置安置完毕后，准备型号为Zwick 2030的电子万能试验机，利用其内置的激光引伸计获取铝合金的金相，电子万能实验机如图2所示。

图2 电子万能实验机

1.3 设置试验流程及参数

利用上述搭建的试验装置控制均匀温度场，模拟设定铝合金的热处理温度为250～350 ℃，控制铝合金的试样温度不断上升至设定温度后，恒温处理5 min[11-12]。设定的热模拟试样温度及参数如表2所示。

以表2所示的实验温度及应变速率作为处理条件，控制铝合金的拉伸时间为120 s，逐步加热试样至250 ℃，再持续加热金属试样至300 ℃和350 ℃，之后持续保温300 s，最大限度地调和金属间的熔合过程。试样制备完毕后，设置铝合金试样成形时的工艺参数，如表3所示。

表2 设定拉伸试样的温度及应变速率

Tab.2 Set the temperature and strain rate of the tensile specimen

表3 设置的试样处理工艺参数

Tab.3 Set sample processing process parameters

根据表3所示的试样处理工艺参数，结合铝合金试样的形成过程，构建铝合金的应力–应变数值公式，数值关系可用式（1）表示。

式中：为铝合金试样的应力；为试样的载荷；为试样的伸长率；0为试样拉伸前的横截面积；为拉伸前的试样长度；0为拉伸后的试样长度。

使用准备的电子万能试验机观察铝合金金相，如图3所示。

图3 铝合金金相图像

由图3可知，铝合金试样内部结构均匀且并未产生明显的塑性变形。施以拉伸应力后，将获取了金相图像后的试样放入FLD装置内，并设置加热温度由100 ℃上升至500 ℃。为了保证获取的铝合金塑性数据的可靠性，将经加热处理的铝合金控制在室温，获取各项塑性成形数据后，分析影响铝合金塑性成形的因素。

2 结果及分析

2.1 试样延伸产生的形变

在发生线性延伸时，铝合金试样经历了弹性变形、塑性变形、裂纹萌生扩展过程，对应试样产生的延伸形变过程，合金冲裁曲线如图4所示。

图4 铝合金冲裁曲线

由图4可知，合金试样上的载荷数值不断升高，直至上升到点，铝合金试样产生弹性变化，试样在处理面上形成凸模，铝合金表面并未产生畸变，合金内部受到的冲裁力较小。当载荷数值上升至点，此时铝合金产生的弹性变化结束，形成了塑性变形，产生了部分网格畸变，合金内部产生了较大的冲裁力。当铝合金载荷数值由点下降至点时，铝合金产生了部分裂化。当合金载荷数值由点下降至点时，合金试件内的冲裁力不断下降，合金上出现了较大的裂纹，合金内部产生了裂纹萌生扩展过程，并在剪切作用下，合金坯料产生了翘曲，通过铝合金的金相图像可知，铝合金内部产生了类似毛刺的结构。

2.2 铝合金应力–应变过程产生的形变

使用压缩装置调整塑性压缩时的温度，控制铝合金压缩时的外部温度为20～300 ℃，结合拉伸过程中的尺寸参数和式（1），将其转换为数值变换关系，数值关系可用式（2）表示。

式中：T为计算得到的应力数值；E为测量得到的塑性参数。此时各温度数值下，铝合金的力学性能如表4所示。

表4 不同温度数值下的铝合金力学数值

Tab.4 Mechanical values of aluminum alloy at different temperature values

在表4所示的力学数值下，铝合金产生应力形变时，随着拉伸温度的不断上升，合金的起始应力数值由208.6 MPa升高到331.8 MPa，当温度上升至50 ℃时，铝合金内部应力快速上升，内部金属结构的应力与20 ℃相比增加了20 MPa，铝合金成形时产生了加工硬化现象。温度上升至300 ℃时，铝合金试样的形变不断增加，材料的应力达到最大，铝合金材料的应变率也到达极值点。调用Zener–Hollomon参数模型计算铝合金产生的屈服强度，整理强度数值可知，铝合金屈服强度由220 MPa逐渐减小至80 MPa，由此可知，铝合金应变形成的强度变小，直至铝合金试样产生断裂。

2.3 应变速率及变形温度产生的形变

使用试验阶段获取的各项数据构建塑性成形时各项参数数值关系，相关数值关系见式（3）。

式中：1、2分别为铝合金的轧制角度；为试样的屈服强度；1、2分别为铝合金试样的处理温度；为实际发生形变的面积；为均匀延伸参数；为硬化指数。根据式（3）整理铝合金在不同应变速率下的力学性能参数，参数结果如表5所示。

表5 不同应变速率铝合金材料产生的力学参数

Tab.5 Mechanical parameters produced by aluminum alloy materials with different strain rates

由表5可知，随着材料应变速率不断增加，试样屈服强度保持在110 MPa左右，试样应变速率的变化并未引起屈服强度的变化。应变速率增加后，铝合金产生了较大的拉伸强度，试样的均匀伸长率也有了明显增加，铝合金材料的硬化指数也逐渐增长。由表5数据可知，硬化参数影响了铝合金塑性成形的过程，以硬化数值作为处理对象，整理变形温度影响下试样的硬化参数变化，其结果如表6所示。

由表6可知，随着变形温度的上升，铝合金试样的抗拉强度发生均匀变化，当变形温度为150～250 ℃时，铝合金的硬化指数为0.1，铝合金的形变处于动态变化过程。

表6 不同变形温度形成的硬化参数

Tab.6 Hardening parameters formed at different deformation temperatures

2.4 流变应力产生的形变

在上述构建的温度条件下，对应不同热处理条件，整理铝合金应力数值以及合金产生的塑性形变量，其结果如表7所示。

表7 不同温度条件下产生的流变应力

Tab.7 Flow stress generated under different temperature conditions

由表7可知，在变形温度不断上升后，铝合金试样有效应力逐渐增加，当温度上升至250～300 ℃后，铝合金试样形变量发生了较大变化。此时铝合金试样产生了较大的形变量，且形变量数值维持在1 mm左右，铝合金试样发生均匀延伸。当变形温度上升至250～300 ℃后，铝合金试样的形变量发生较大变化，形变量增加至1.57 mm，铝合金试样产生了部分软化。

3 结语

为了得到高质量的铝合金，需要对铝合金塑性成形过程中的影响因素进行分析。通过搭建试验装置得到高温环境下合金内部的应力−应变、应变速率以及变形温度、流变应力，这些均会对铝合金塑性成形过程产生较大的影响。通过分析研究可以为铝合金塑性成形过程中参数的控制提供一定的参考，对提升铝合金加工质量具有一定积极作用。

[1] 贾向东, 袁荣娟, 何留洋, 等. 高温变形条件下5A02铝合金的塑性成型性能[J]. 稀有金属材料与工程, 2020, 49(7): 2189-2197.

JIA Xiang-dong, YUAN Rong-juan, HE Liu-yang, et al. Plastic Deformation Behavior of 5A02 Aluminum Alloy Sheet at High Temperature[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2020, 49(7): 2189-2197.

[2] 张毅, 史超, 王伟. 粉末润滑条件下铝合金拉延过程爬行现象研究[J]. 合肥工业大学学报: 自然科学版, 2019, 42(2): 155-160.

ZHANG Yi, SHI Chao, WANG Wei. Research on Creeping Phenomenon in Drawing Process of Aluminum Alloy under Powder Lubrication Condition[J]. Journal of Hefei University of Technology: Natural Science, 2019, 42(2): 155-160.

[3] 郭小农, 陶磊, 王丽, 等. 国产结构用7020-T6铝合金高低温力学性能试验研究[J]. 建筑钢结构进展, 2019, 21(6): 1-8.

GUO Xiao-nong, TAO Lei, WANG Li, et al. Experimental Study on the Mechanical Property of Structural 7020-T6 Aluminum Alloy at Low and Elevated Temperatures[J]. Progress in Steel Building Structures, 2019, 21(6): 1-8.

[4] 曾一畔, 徐勇, 夏亮亮, 等. 加载路径对铝合金航空复杂薄壁构件主动式充液成型性能的影响[J]. 塑性工程学报, 2019, 26(5): 180-189.

ZENG Yi-pan, XU Yong, XIA Liang-liang, et al. Influence of Loading Paths on Formability of Aviation Complex Thin-Walled Component of Aluminum Alloy in Hydroforming[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2019, 26(5): 180-189.

[5] 汪建强, 郭丽丽, 李永兵. 6016铝合金板材微观组织及力学性能的试验研究[J]. 锻压技术, 2019, 44(2): 159-166.

WANG Jian-qiang, GUO Li-li, LI Yong-bing. Experimental Study on Microstructure and Mechanical Properties of 6016 Aluminum Alloy Sheet[J]. Forging & Stamping Technology, 2019, 44(2): 159-166.

[6] 丁凤娟, 贾向东, 洪腾蛟, 等. 基于GA-BP和PSO-BP神经网络的6061铝合金板材流变应力预测模型[J]. 稀有金属材料与工程, 2020, 49(6): 1840-1853.

DING Feng-juan, JIA Xiang-dong, HONG Teng-jiao, et al. Flow Stress Prediction Model of 6061 Aluminum Alloy Sheet Based on GA-BP and PSO-BP Neural Networks[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2020, 49(6): 1840-1853.

[7] 马少伟, 张艳, 杨明, 等. Zener-Hollomon参数对Cr4Mo4Ni4V高合金钢热变形行为的影响[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2021, 52(2): 376-388.

MA Shao-wei, ZHANG Yan, YANG Ming, et al. Effect of Zener-Hollomon Parameters on Hot Deformation Behavior of Cr4Mo4Ni4V High Alloy Steel[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2021, 52(2): 376-388.

[8] 李道秀, 韩梦霞, 张将, 等. 细晶Al-Si-Mg合金的组织遗传性与高屈服强度设计[J]. 材料导报, 2021, 35(9): 9003-9008.

LI Dao-xiu, HAN Meng-xia, ZHANG Jiang, et al. Microstructure Heredity and High Yield Strength Design of Fine Grained Al-Si-Mg Alloys[J]. Materials Reports, 2021, 35(9): 9003-9008.

[9] 孟璐, 邱吉, 肖革胜, 等. 考虑CoCrFeNiAl0.3高熵合金压入尺寸效应的加工硬化指数研究[J]. 实验力学, 2020, 35(5): 797-802.

MENG Lu, QIU Ji, XIAO Ge-sheng, et al. Study on the Work-Hardening Exponent of CoCrFeNiAl0.3High Entropy Alloy Considering Indentation Size Effect[J]. Journal of Experimental Mechanics, 2020, 35(5): 797-802.

[10] 于敬海, 唐渝轩, 张中宇, 等. 火灾高温下复合式索穹顶结构力学性能参数分析[J]. 建筑结构, 2020, 50(23): 24-30.

YU Jing-hai, TANG Yu-xuan, ZHANG Zhong-yu, et al. Parametric Analysis on Mechanical Properties of Composite-Type Cable Dome Structure under High Temperature of Fire[J]. Building Structure, 2020, 50(23): 24-30.

[11] 姜炳春, 卢立伟, 文泽军, 等. LZ92镁锂合金流变应力预测模型[J]. 材料热处理学报, 2020, 41(9): 147-154.

JIANG Bing-chun, LU Li-wei, WEN Ze-jun, et al. Flow Stress Prediction Model of LZ92 Magnesium Lithium Alloy[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2020, 41(9): 147-154.

[12] JIA Xiang-dong, WANG Yi-ning, ZHOU Ying, et al. The Study on Forming Property at High Temperature and Processing Map of 2219 Aluminum Alloy[J]. Metals, 2021, 11(1): 77.

Heat Treatment Parameters on Plastic Formability of Aluminum Alloy

FENG Chao1, XU Jia-liang1, LIU Er-qiang2

(1. Taizhou Vocational College of Science and Technology, College of Mechanical and Electrical Engineering and Mould Engineering, Zhejiang Taizhou 318020, China; 2. College of Applied Sciences, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

In order to study the effect of temperature increase on the plastic forming performance of aluminum alloy, the plastic forming performance of aluminum alloy under high temperature conditions is analyzed. An aluminum alloy experimental device is prepared, a high-temperature alloy treatment environment is set up, the uniaxial tensile test and metallographic test on the aluminum alloy are conducted, the deformation temperature of the aluminum alloy is recorded, and the plastic formability of the aluminum alloy is analyzed. After collecting aluminum alloy test data, reference the Zener-Hollomon parameter model, set the test process and parameters, and set high temperature conditions with different values. When the deformation temperature is greater than 250 ℃, the elongation of aluminum alloy is greater than 100%. When the deformation temperature is 150-250 ℃, the true stress-strain change process of 5A02 aluminum alloy belongs to the dynamic recovery type, and when the deformation temperature is greater than 250 ℃, the flow stress process has an obvious softening phenomenon. During the deformation treatment of aluminum alloy specimens, the extension process of aluminum alloy specimens produces elastic deformation, plastic deformation, and crack initiation and propagation processes. When the aluminum alloy is deformed under high temperature conditions, the strain rate and deformation temperature have a greater effect on the elongation rate.

high temperature condition; aluminium alloy; plastic forming; uniaxial tensile test; metallographic test; stress strain relationship

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.05.006

TG166.3

A

1674-6457(2022)05-0036-06

2021‒06‒28

国家自然科学基金（11702182）

冯超（1984—），男，硕士，实验师，主要研究方向为塑性力学、精密制造。

责任编辑：蒋红晨