7136鋁合金帶板擠壓有限元模擬

任大為,李 明,劉 杰,楊海琴,張 淼,莊大勇,魯 丹,張 雷

(龍江廣瀚燃氣輪機有限公司,黑龍江 哈爾濱 150001)

Al-Zn-Mg-Cu合金耐腐蝕性好、比強度高,廣泛應用于航空航天等領域。為了深入了解7×××系鋁合金的擠壓變形規律和優化工藝參數,采用模擬軟件擠壓速度、優化擠壓溫度等工藝參數,指導工業化大生產,減少擠壓時間和降低成本。Zhang等人[1]研究擠壓速度對空心擠壓型材的影響,指出擠壓速度是擠壓過程中最重要的參數之一,它直接影響擠壓型材的質量和擠壓設備的選擇。Lee等人研究腔室形狀和擠壓速度對焊合壓力和擠壓載荷等因素的影響[2]。陳等人研究了薄壁空心鋁型材擠壓過程的數值模擬和擠壓模具的結構優化,指出了二級焊合室和增設阻流坎的模具結構設計可以進一步地優化模具[3]。Lee等人研究AA3003鋁合金冷凝管擠壓,指出擠壓模擬結果與試驗很接近[4]。Hsiang等人研究管材的熱擠壓過程,指出數值模擬模型能夠很好地預測管材的熱擠壓過程[5]。Gattmah等人研究熱擠壓參數對空心管材的影響,指出摩擦因數的選擇對表面溫度和擠壓力有強烈的影響[6]。Hsu等人研究7075鋁合金非對稱孔擠壓過程,指出調整工作帶長度可使得金屬的流動更均勻[7]。這些人員的研究都集中在擠壓方面,特別是對模具的改造上,而對材料庫本構方程的建立和擠壓參數的模擬還很少。

本研究通過測繪7136鋁合金的應力-應變曲線,建立7136鋁合金的本構關系,將該本構關系導入到deform軟件材料數據庫中,進行擠壓板材的有限元模擬,通過模擬擠壓過程的溫度場、應力場和速度場等確定最佳擠壓工藝參數,以指導工業化大生產。

1 試驗材料及方法

試驗所用材料為東北輕合金有限責任公司生產的7136鋁合金圓鑄錠,熔煉配料采用高純鋁(99.99%),高純鋅(99.99%),高純鎂(99.99%),高純銅(99.99%),Al-5Zr中間合金等,晶粒細化劑采用Al-5Ti-B,在電阻爐中加熱、熔煉、攪拌、扒渣,并通過疊壩導爐,在靜止爐除氣,靜止30 min,再進行水冷連續鑄造,鑄造出φ360 mm×5 800 mm的圓鑄錠,然后車皮、鋸切成φ350 mm×1 000 mm的圓鑄錠,在50 MN擠壓機上擠壓成截面面積20 mm×180 mm的帶板。并在帶板上截取尺寸分別為140 mm×20 mm×20 mm和40 mm×30 mm×30 mm的壓縮試樣。

將加工好的試樣在Gleeble-1500熱模擬機上進行高溫等溫壓縮實驗,實驗溫度范圍為583 K～743 K,應變速率為0.001 s-1～1 s-1,最大總壓縮應變為60%,熱模擬機升溫速率為2 ℃/s,保溫時間為10 min。由Gleeble-1500熱模擬機的計算機自動采集應力、應變、壓力、位移、溫度及時間等數據,繪制真應力-真應變曲線。將繪制好的真應力-真應變曲線經過一定的運算得到本構關系模型,導入到Deform軟件數據庫中,進行不同模擬參數的數值模擬,得到相應的溫度場和應力場。

2 7136鋁合金應力-真應變曲線

圖1顯示的是7136鋁合金的應力-真應變曲線。

圖1 是7136鋁合金不同應變速率和不同變形溫度條件的高溫壓縮應力-真應變曲線Fig.1 High-temperature compression stress-true strain curves of 7136 aluminum alloy under different strain rates and deformation temperature conditions

從圖1可以看出,應變速率和溫度對于材料的應力有著極大的影響,一般隨著應變的增加或者溫度的降低,應力增加。這主要是因為在壓縮變形的過程中,發生了加工硬化、回復和再結晶過程。在變形的初期階段應力急速增長,這是加工硬化的結果;在變形的進程中,應力達到一個峰值,然后逐漸下降,在低溫和低應變的條件下容易達到加工硬化和動態軟化的平衡,使得材料發生不連續的動態再結晶過程;隨著應變速率和溫度的提高,材料得到大量的能量發生動態再結晶導致材料發生軟化,最終應力快速下降。

3 7136鋁合金應力方程

根據Jiang[8],He[9],Deng[10],Chen[11],Li[12],Zhao[13]等人的研究鋁合金應力、應變速率和溫度之間的本構關系能被寫成:

(1)

式中:

n,β,A,α,n—與溫度無關的材料常數,且α=β/n;

ε—應變速率;

σ—應力;

R—氣體常數;

T—熱力學溫度;

Q—變形激活能,即動態軟化激活能。

對式(1)兩邊取自然對數,在整個應力區間可以得到

(2)

當ασ≤0.8時

(3)

當ασ≥1.2時

(4)

圖2 本構關系圖Fig.2 Constitutive diagram

由圖2a可以發現,各個溫度下的試驗數據的線性關系均吻合,取圖中四條直線斜率的平均值,得到n=6.143 678,取圖2b數據得到的β求平均值,得到β=0.109 248 MPa-1,則α=β/n=17.78×10-3MPa-1。

為了計算激活能,根據(2)假設變形激活能與變形溫度無關,可以得到:

(5)

將不同變形條件下的峰值應力、應變速率和α代入式(5)中繪制曲線, 見圖3c,在恒應變速率條件下變形時,假定一定溫度范圍內Q值保持不變,根據ZenereHollomon參數關系

圖3 顯示的是7136鋁合金的功率耗散圖和熱加工圖Fig.3 Power dissipation diagram and hot working diagram of 7136 aluminum alloy

(6)

將不同變形條件下的峰值應力代入式(6)中,進行線性回歸,繪制相應的lnsinh(ασ)-1 000/T關系圖,見圖3d?？梢钥闯?在相同應變速率條件下,流變應力的雙曲正弦的對數項和溫度的倒數之間滿足線性關系。表明σ與T比較好的符合線性關系,從而證實了7136鋁合金高溫變形時流變應力σ與變形溫度T之間滿足修正的Arrhenius本構關系模型。因此研究合金的變形激活能Q是1.343 0×105J/mol,接近Jin[14]等人研究的7150鋁合金和Lin[15]等人研究的7075鋁合金的Q值。

對于7136鋁合金,其本構方程:

(7)

4 7136鋁合金熱加工圖

利用A.Zarei-Hanzaki等人提出的完整高溫流變模型理論,通過計算得到7136鋁合金的熱加工圖見圖3。從圖3a中可以看出,材料在低溫和高應變速率下加工時容易發生失穩,隨著溫度的提高,失穩區逐漸減小,但是溫度的提高在降低失穩區的同時,也帶來性能的惡化,導致大量缺陷產生,所以最佳成形溫度區間控制在310 ℃～460 ℃之間。圖3b是當前實驗材料的熱加工圖。從圖3b可以看出,在310 ℃～460 ℃的區間里,在應變ε<1時,不容易發生失穩和異常晶粒長大,以連續動態再結晶為主。因此后期模擬過程中選擇的溫度參數390 ℃、420 ℃和460 ℃。

5 7136鋁合金擠壓有限元模擬

采用DEFORM-3D有限元模擬軟件進行7136鋁合金擠壓數值模擬,根據模擬結果分析金屬在變形過程中的流動變化規律、應力的分布狀態,以及系統分析溫度對金屬塑性變形的影響。

5.1 溫度對擠壓力的影響

圖4顯示390 ℃、420 ℃和460 ℃不同擠壓溫度條件下得到的載荷-行程曲線圖。從圖4可以看出,隨著溫度的提高,所需的擠壓力逐漸降低。這主要是因為溫度的升高,降低了材料發生塑性變形的臨界應力。

圖4 不同溫度的擠壓力-行程曲線圖Fig.4 Extruded force-stroke curves map under different temperatures

5.2 溫度對應力、應變分布的影響

圖5顯示不同溫度條件下的等效應力場和徑向應力場分布云圖。

圖5 不同溫度條件下的等效應力場和徑向應力場分布云圖Fig.5 Cloud maps of equivalent stress field and radial stress field distribution under different temperature conditions

從圖5可以看出,同樣的180步階段,在390 ℃時,等效應力區紅色區域較多,溫度提升到420 ℃時,材料的紅色區域減少;繼續升溫到460 ℃,等效應力區藍色區域成為主要區域。這說明材料的應力隨著溫度的提高逐漸降低,從最初的217 MPa下降到46 MPa。

6 結 論

1)7136鋁合金鑄錠在高溫壓縮變形的初期以加工硬化為主,導致應力呈現指數增加,隨著變形的繼續,加工硬化和動態軟化達到動態平衡,材料的應力不再增加。

2)7136鋁合金的高溫本構方程:

3)7136鋁合金最佳加工成形的溫度范圍為390 ℃～460 ℃。

4)模擬結果顯示,在390 ℃～460 ℃范圍內擠壓溫度越高,擠壓過程所需的擠壓力越小,越有利于材料變形。