（机械设计及理论专业论文）6016铝合金温挤压流变应力行为及有限元分析.pdf

摘要 铝合金是一种强度高、耐腐蚀、重量轻的材料，随着科学技术的发展，各种 薄壁、高精、复杂的实心、空心铝型材应运而生，铝合金也成为许多领域( 如航 空、交通运输、现代汽车、电子电器、舰船兵器、机械制造等) 的首选材料。其中 6 0 0 0 系铝合金是当今研究和应用的热点之一，该合金研究对我国在轿车车身轻量 化，汽车铝化的基础性研究有重大意义，有助于推动我国汽车工业的发展。 利用g 1 e e l e 1 5 0 0 热模拟试验机进行压缩试验，对6 0 1 6 铝合金在变形温度为 2 8 0 一4 3 0 、应变速率为o 1 s 一1 0 s 叫的流变应力行为进行了研究，得到了该合金 的真应力一真应变曲线。对其应力应变数据进行研究，拟合应变硬化指数、应变 速率敏感性指数和材料强度系数，建立了6 0 1 6 铝合金在不同变形温度和应变速率 下的流变应力方程。通过金相实验观察该合金微观组织，研究了其晶体的大小、 形状变化以及是否发生动态再结晶等。 采用基于a l e 算法的挤压模拟软件h ) ，p e n u d e 对6 0 1 6 铝合金型材挤压过程 进行了挤压模拟，并基于正交法做了多组模拟实验，对该合金的温挤压工艺参数 进行了优化，为实现6 0 1 6 铝合金温成形的数值模拟与合理制定温成形工艺参数提 供了依据。 通过实验和模拟研究得到： 1 、温度是影响6 0 1 6 铝合金温成形流变应力的主要因素，在同一应变速率下， 对应于同一应变值，变形温度越高，所对应的应力值越低。 2 、应变速率对6 0 1 6 铝合金的流变应力曲线特征影响明显，在温度一定的条 件下，对应于同一应变值，流变应力随着应变速率的升高而增大，这说明该合金 为正应变速率敏感材料。 3 、铝型材挤压时，型材出口温度随着棒料初始温度、挤压速度的提高而提高； 挤压力随着初始温度的升高而减小，随着挤压速度的升高而增大。 关键词：6 0 1 6 铝合金；温挤压；铝型材；分流组合模数值模拟； a b s t r a c t 舢吼i 1 1 眦i sal l i 曲s 仃e 姆h ，c o 玎o s i o n - r e s i s 切n t ，l i g h tw e i 出m a t e r i a l s w i t l lt l l e s c i e n t i f i ca i l dt e c l l l l o l o g i c a ld e v e l o p m e n t ，av 撕e t yo ft 1 1 i n - w a l l e d ，m 曲- p r e c i s i o n ， c o m p l e xs o l i d ，h o l l o wa l u m i m u np r o f i l ea r e 印p e a r i n g a l u i n i m u nh a sb e c o m et l l e m a t e r i a lo ff i r s tc h o i c ei nm a n ya r e a s ( s u c ha sa v i a t i o n ，t r a l l s p o r t a t i o n ，m o d e mc a r s ， e l e c t r o i l i c s ，w e 印o n s ，s h i p s ，m a c h i n e 巧m a m d a c t u r i n g ，e t c ) 6 0 0 0 s e r i e sa l u m i m u n a l l o yi so n eo f 舭h o ts p o t so f 恤c 肼e n tr e s e a r c h 锄d 印p l i c a t i o n ，t 1 1 er e s e a r c ho f 6 0 0 0 a l u m i n 啪a j l o yh a l sg r e a ts i g n i f i c a n c et 0m ec a u rb o d y1 i g h t w e i g h ta n d 也ea l u m i n 啪 a l l o y 印p l i c a t i o ni na u t o m o b i l ei nc l l i n a ，i ti si nf a v o ro fp r o m o t i n gm ed e v e l o p m e n to f c h i r l a l sa u t o m o b i l ei n d u s t r y t h eh o tc o r r l p r e s s i o ne x p e r i m e n th 2 l sb e e n ( 1 0 n eb yg l e e l e - l5 0 0t 1 1 e n n a ls i m u l a t i o n t e s t i n gm a c l l i n e ，t l l en o ws 讹s sb e h a v i o ro f6 0 16a l u 商n 啪a l l o ya tad e f o m a t i o n t e m p e r a t u r eo f2 8 0 。c 一4 3 0 。c ，s t i - 血r a t eo f0 1 s - 1 0 s 、v a ss t u d i e d ，a n dg o tm e t r u e s 仃e s sa i l ds 砌nc u l e b a s eo ni t ss t r e s s s 仃a i nd a ：t a ，s 佩nh a r d e l l i n ge x p o l l e n t ，s 缸n r a t es e n s i t i v 时i n d e xa n dt 1 1 em a t e r i a ls 缸i e n g t hc o e 伍c i e n tw e r cf i 讹d ，t h en o ws t l s s e q u a t i o no f6 016a l u m i n u ma l l o ya td i a 、e r e n td e f o n n a t i o nt e i l l p e r a t u r e sa i l ds b 面n r a t e s w e r ee 鲥b l i s h e d o b s e e dt 1 1 em i c r o s 虮l c t u r eo fm ea 1 1 0 yb ym 列l o g r 印l l i ct e s t ， s t u d i e di t sg r a i n ss i z ec h a n g e ，s h 印ec h a i l g e ，a i l dw h e t h e rt h e r eh a sb e e nd y n 锄i c r e c 巧s t a l l i z a t i o n s e c o n d ，t l l ee x 仃u s i o np r o c e s so fm ep r o f i l e e x t m s i o nw a ss i m u l a t e db yt 1 1 e s o 行w a r eo fh y p e d 【仰d e ，w h i c hi sb a s e do na l ec a l c u l a t i o nm e t h o d as e r i e so f s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sw e r ef i l l i s h e db 2 u s e do no r t h o g o n a lm e m o d ，t h ea l l o ye x 饥l s i o n p r o c e s sp a r a m e t e r s 、e r eo p t i m i z e d ，w 陆c hp r o v i d e dt h e b a s i sf o rt l l ew a mf o h n i n g n 啪e r i c a ls i m u l a t i o no f6 016a l 眦i n l 】ma n dt h ef o n n u l a t i o no fw 黜f o m i n gp m c e s s p a r a m e t e r s o b t a i n e dt l l ec o n c l u s i o nb ye x p e r i m e n t 锄ds i m u l a t i o ns t u d i e s ： 1 t e m p e r a t u r ei sam a i nf l a c t o r 恤ta a c c tt h en o w s t r e s so f6 016a 1 啪i i l u ma l l o y i nw 砌f o m i n g ，i nt h es 锄es 仃2 l i nr a t e ，c o r r e s p o n d i n gt ot h es a m es t r a i n ，t 1 1 eh i 曲e r m ed e f o 锄a t i o nt e m p e r a t u r e ，t l l el o w e rs t r e s sv a l u e s 2 s n a i nr a t eh a sas i g n i f i c a n ti m p a c to nf l o ws t r e s sc u r v ec h a r a c t e r i s t i c so f6 0 16 a l 啪i n u ma l l o y ，u i l d e rt l l es 锄et e r n p e r a t u r e ，c o r r e s p o n d i n gt h es a m es t r a i n ，f l o ws t r e s s i n c r e a s e sa st h es t r a i nr a t ei n c r e a s e ，t h i si n d i c a t et h a tt l l ea l l o yi sas 乜a i nr a t es e n s i t i v e m a l e r i a l s 3 h lt h ep m c e s so fe x m l s i o n ，t h et e r n p e r a t u r eo fp r o f i l ei n c r e a s e sw i t l lt l l ei i l i t i a l t e m p e r a t u r eo f l eb a r a 1 1 dt 1 1 ee x m l s i o ns p e e d ；e x t m s i o np r e s s u r ed e c r e a s e s 、加t l l i i l i t i a lt e m p e r a t u r eo f l eb a r ，趾di n c r e a s e sw i t ht h ee x t n l s i o ns p e e d k e yw o r d s ：6 0l6a l 硼 1 i n u m ；w a me x t n i s i o n ；a l u m i n u mp r o f i l e ；p o r t l l o l ed i e ； n u m e r i c a ls i m l l l a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究目的、背景与意义 1 1 1 论文研究的目的与背景 在结构、装饰和功能方面，铝合金型材是一种“永不衰败 的材料【l 】，2 0 世纪 9 0 年代以来，全球铝工业踏进一个全新的发展阶段。科学技术与经济的快速发展， 以及在全球经济一体化和尽可能提高投资回报率的理念的推动下，掀起了一场加 大结构调整力度的改革和向科技研发大挺进的浪潮。从而达到对资源的充分合理 的利用；不断加大铝工业的生产规模；铝产品的规格与种类；扩大铝产品的在各 个行业的应用范围，并注重提高铝产品的科学含量；极大的减少能耗，对环境的 污染从而改善环保；在注重保护环境与减少能耗的同时不断减少生产成本并提高 铝产品的经济效益；让铝材逐渐的替代钢材，取代钢材在航空航天、建筑、机械 制造、汽车制造等行业的基础材料的地位。 铝合金的主要特点是强度高、耐腐蚀、重量轻( 比重为钢的三分之一左右) ，其 次是加工性能好，能对其进行压制、焊接、锻造等，基于铝合金的这些特点，其 在工业应用及航空航天等领域得到广泛的应用。在大海、陆地、空中的各种运行 的工具中，如飞机、导弹、火箭、人造卫星等，都采用了大量的铝材料，例如一 架超音速飞机，他所采用的铝材料占整个飞机重量的7 0 左右，一枚导弹的用铝量 也有其总重量的至少1 0 ；如果车辆均大量采用铝或者是铝合金材料的话，能耗可 以得到大大的减少，所减少的能耗大大的超过炼铝时所消耗的能量；在建筑行业 中用铝合金可以作为结构材料也可以生产门窗；在电力输送方面，高压电导线所 采用的材料正是铝材料，而且用量居于首位，占的比例超过9 0 ；在食品加工行业 中，饮料容器大多也是采用铝制品；日常生活中许多制品如盆、勺等大多也是采 用铝材料；炼钢中也可采用铝粉做脱氧剂，同时铝粉也可以作为难熔金属( 如钼) 的还原剂。铝已成为是现代社会所追求的、最有希望的金属材料。因此，发展高 性能铝合金，采用先进加工技术充分挖掘现有材料的潜力，以及实现大型复杂结 构件的整体成形，是国内外研究的重点和发展的趋势。 铝合金在汽车轻量化的材料研究和应用如今是研究热点之一，尤其是经热处 理( 如：t 4 、t 6 、t 8 ) 、涂装烘干( 1 7 0 2 0 0 c 2 0 3 0 m i n ) 等工序处理的a 1 一m g s i 系合金( 即6 0 0 0 系铝合金) ，有着优良的综合力学性能，能够很好地满足汽车对 壳体的要求，可以用做车身框架，同时6 0 0 0 系铝材也可用作车辆内饰用铝合金条 的温挤压材料。目前，国外铝制车体大型材很多是采用6 0 0 0 系合金，像6 0 0 9 、6 0 1 0 ， 2第一章绪论 6 0 1 6 、6 1 1 1 、6 1 8 1 a 等，美国汽车制造行业则采用强度高的6 1 1 l 铝合金。欧洲则 更多的采用成形性能好的6 0 1 6 铝合金。我国近些年来为了铝合金材料在汽车工业 方面的应用做了很多研究工作，目前，可以生产汽车车窗类构件、油门踏板、铝 箔、铝板等。可是与汽车工业的发展相比，铝合金的生产技术却是相差很远。特 别是在车身板、铝水箱等构件上面的实际应用几乎是一片空白。故6 0 0 0 系汽车用 铝合金材料的研究具有很大的现实意义与应用价值。 6 0 0 0 系铝合金具有成形性好、耐蚀性强、强度高、耐高温性能好等特性，该 系合金以t 4 ( 固溶淬火+ 自然时效) 状态供货，具有较低的屈服强度( 约1 5 0 m p a ) ， 从而可提供好的成形性，产品在最后的烤漆过程中通过时效化获得强度和抗凹陷 性的良好组合。而且该系铝合金对其添加少量不同合金元素，可以达到细化晶粒 的目的，再结晶状态也会得到相应的改变，再对其轧制、铸造及热处理等工艺进 行优化，就能够得到优良的综合性能。与钢板相比，6 0 0 0 系铝合金t 4 态板材的屈 服强度较高；与7 0 0 0 系铝合金相比，6 0 0 0 系铝合金疲劳强度高；与2 0 0 0 系铝合 金相比，6 0 0 0 系铝合金抗腐蚀性能相对来说比较好，与5 0 0 0 系铝合金相比，6 0 0 0 系铝合金的桔皮效应和斯德勒线较令人满意。总之，6 0 0 0 系铝合金综合性能很好， 在汽车制造领域正在逐步得到应用。其中，6 l l1 合金具有最高的强度，在国外汽 车车身板上已经批量应用，但其冲压成型性与深冲钢板相比存在一定差距，有待 进一步提高；6 0 1 6 铝合金成形性能较好，对模具和成形工艺要求较低，比较适合 我国汽车车身轻量化材料的发展方向因此，6 1 1 l 和6 0 1 6 铝合金的研究在我国车 辆行业具有广阔的应用前景【2 l 。 铝合金类零件生产方式主要有机械加工、分体制造后焊接或铸造方式加工， 但存在着以下主要问题： 传统的机械加工：虽然在产品的表面加工精度方面比较好，然而生产效率比 较低，对原材料浪费情况也比较严重，而且生产出零件的强度和各种力学性能都 不能满足使用要求。 焊接结构：“因为在制造过程中存在多种因素的影响，焊接结构通常会出现裂 纹、未焊透、未熔合，夹渣与气孔的缺点。这些缺点的存在对结构的疲劳性能有 很大的损害，会让焊接结构的强度大大下降，因此结构的安全问题也会存在隐忧。 同时这些缺陷也极大的降低了焊缝的力学性能、致密性和焊件的总体性能3 。铝合 金焊接结构在循环的外力作用情况下，最易出现疲劳断裂。而焊接结构的疲劳破 坏过程是不容易被察觉到的，故疲劳断裂存在很大的潜在的危险性。同时也有数 据显示，铝合金焊接构件中有9 0 的断裂是因为焊接接头处的疲劳破坏造成的【4 _ 7 1 。 用铸造加工方式可加工形状复杂的壳体零件，像涡轮箱、机座等等，但这种 第一章绪论 3 加工方式存在一定的缺陷，铸造加工的零件组织粗大，可能存在缩孔、砂眼、裂 纹、夹杂物等缺陷，因此铸件的质量严重下降，铸造的零件也极容易报废【8 】。壳 体铸件在现实铸造中主要受到熔炼、浇注、砂芯、制模结构、材料等因素的影响， 壳体类的零件特点是要求强度高，各壁厚相差悬殊，凝固过程中容易发生应力集 中的现象，使铸件产生裂纹。传统的铸造加工方式加工的零件性能较低，很难保 证零件的实际要求的力学性能，而且在实际的成型过程中铸件存在很多看不到的 隐形缺陷，零件的废品率比较高，在追求高经济效益、竞争激烈的今天该种生产 方式面临着巨大的挑战。 故随着铝合金类零件在各领域的广泛应用，寻求一种不仅能保证零件使用需 求，而且大大降低生产成本、提高生产效率的加工方式成为一个急需解决的问题。 近些年来，因为温成形技术逐渐的发展成熟，温挤成形工艺也逐步的应用于铝合 金壳体类零件生产中。该方法是集中了冷、热挤压的优点而发展起来的新技术。 “挤压是指金属坯料在凸模压力的作用下，通过预先设计好形状的凹模，迫 使其横截面减少，长度增加，最终得到所需形状零件的一种塑性成形方法”。挤压 方法的分类按照挤压时金属流动方向的区别，挤压方法可以分为正挤压、反挤压和 复合挤压：按照坯料的温度范围可分为冷挤压、温挤压和热挤压。 根据坯料预热温度来划分，热挤压( 挤压温度处于金属再结晶温度上) 是最早 应用与金属挤压的技术，它的特点是材料流动性好、变形抗力小、而且设各费用 相对来说比较低。但是热挤压的生产环境恶劣，挤压产品氧化比较严重，而且表 面质量差、尺寸精度不高，高温也会使模具寿命下降。 冷挤技术( 金属在室温下进行塑性成形) 主要发展于2 0 世纪3 0 年代，它的优越 性关键是零件的近成形性。冷挤压技术生产效率高、节约原材料、可成形形状复 杂的零件，而且冷挤压零件的表面粗糙度、尺寸精度、机械性能等各项指标，相 对来说都要好于热挤压零件，而且经济效益也比较高。但冷挤压技术也存在一定 的缺点：材料局限性强，由于是在金属未加热的情况下进行的，故变形抗力很大， 因此对模具和设备要求也很高。 温挤压是介于冷挤压与热挤压之间的一种工艺。它与热成形件相比，由于不 是高温挤压，温挤压零件的表面不会出现强烈氧化作用，表面粗糙度好，尺寸精 度高。同时，这种工艺又继承了冷成形节约原材料、产品精度高等优点，并且克 服了冷挤压技术的许多缺点，譬如，极大的降低了金属挤压时的变形抗力，减少 了冷成形技术两工步间需进行的热处理工序，对压力机吨位的选择和模具材料的 选择要求都下降了，最终使生产成本也大大的降低了。特别是该工艺具有通过控 制变形温度、变形量、变形速度和冷却速度等条件能有效地改善产品的综合力学 性能的优点( 9 。10 1 ，使得温挤压成形技术在现实的生产中具有十分广阔的应用前景。 第一章绪论 但是，温挤压技术发展还不是很成熟，对该项技术的研究与具体实践的资料不是 很完全，对温挤压技术过程中的许多重要参数：如变形温度、变形量、变形力、摩 擦润滑条件、模具结构设计、模具材料选择、生产产品的精度和工作性能等都没 有一个比较系统的研究。当前，我国在温挤压技术方面的研究工作还是处在发展 阶段中，故选择本课题来丰富温挤压方面理论研究。 1 1 2 研究的理论意义与应用价值 项目以6 0 0 0 系合金中6 0 1 6 合金材料为研究对象，目前6 0 0 0 系铝合金在汽车领 域得到了广泛的应用，可用来加工车身板、轮毂、制动器卡爪、发动机安装托架 等零件。6 0 0 0 系合金挤压性能好，容易成形，日本非常注重6 0 0 0 系高强度合金的 各种空心型材及薄壁型材的研究应用，比如“口”、“日、“目”、“田”等截面形 状的空心型材，重量轻、强度高；德国、中国也均以6 0 0 0 系合金为基础生产了车 体的大型材，使得该类合金的型材件在车辆上得到广泛应用。但是6 0 0 0 系铝合金 的疲劳性能、焊接性能不是很理想，这也在一定程度上限制了6 0 0 0 系铝合金的使 用；其次国内外开展的6 0 0 0 系铝合金材料的研究，主要是针对冷、热成形工艺， 而温成形工艺的研究刚起步。该系合金中6 0 1 6 铝合金成形性能较好，对模具和成 形工艺要求较低，并且通过高温短时效烘烤方式可以提高6 0 1 6 铝合金的烘烤硬化 性和成形性，适合我国汽车车身轻量化材料的发展方向，这对6 0 1 6 铝合金在企业 中的实际应用价值有指导意义。然而，由于该种铝合金较新，在国内还没有生产 和应用，国外对其研究文献没有完全公开，国内研究也是刚起步，只有部分组成 相和时效硬化方面的研究文章，用于塑性成形的本构模型的研究还是空白。而且 目前汽车工业的先进技术均掌握在发达国家和跨国公司手中，相关的工业设计、 材料标准、关键专利技术等均受到严格的知识产权保护，严重制约了我国汽车工 业的发展，导致我国对汽车铝化的基础性研究不够，品种少、性能开发不足，工 艺研究不完善。限制了6 0 0 0 系合金型材在汽车上的应用，因此，6 0 0 0 系铝合金材 料基础理论研究和工艺技术开发研究具有非常重要的理论意义和应用价值。 1 26 0 0 0 系铝合金研究国内外发展概况与发展趋势 1 2 1 国内外发展概况 6 0 0 0 系( a 卜m g s i ) 铝合金是一类适应于汽车轻量化的材料，可加工生产汽车 车身、机器盖板、电机壳、车轮、油箱、铝罐等结构【l l 】其在车辆领域的应用在不 断的扩大，有着势不可挡的趋势。 第一章绪论 6 0 0 0 系的板材是当今研究和应用的热点之一，在轿车车身轻量化方面有重大 意义，通过热处理( 如：t 4 ，t 6 ，t 8 ) 后的6 0 0 0 系列铝合金板材，用于做车身框架材 料，并能很好的满足使用要求。轿车a u d i a 8 的车身钣金件就是应用了本系合金铝 材，但是为了提高其强度必须进行连续的退火热处理工艺，故因连续生产的费用 和热处理能耗问题而使生产车身的成本增高，为了降低铝合金车身的生产成本， 新的铝合金材料也在不断研发。美国在7 0 年代就研究出6 0 0 9 及6 0 1 0 铝合金用做 汽车车身板，这两种铝合金经t 4 处理后，塑性好，而且经喷漆烘烤方式来实现人 工时效强化，得到更高的强度；6 0 0 0 系铝合金可用来生产汽车的保险杠、悬挂系 零件，如：用6 0 6 1 锻件生产盘式制动器卡爪、发动机安装托架等；日本也多采用 本系合金生产汽车散热器【1 2 】，6 5 9 5 铝合金用做水箱散热器；此外还可生产车轮和 轮毂等零件，追求车轮的薄壁化、轻量化、刚性化，美国森特来因图尔公司采 用分离旋压法生产出的整体板材( 6 0 6 1 ) 车轮，相对钢板冲爪车轮其重量大大减轻， 生产效率是9 0 s 个，效率高产品质量也高；在我国西南铝业也在与国外公司合作 用a 6 0 6 1 铝合金来加工生产车辆轮毂，6 0 0 0 系合金在汽车领域的应用在不断的扩 大。此外利用微粒、陶瓷纤维等添加6 0 0 0 系铝合金可生产出耐热性、耐磨性、比 强度更高的复合材料。这类材料可用于生产汽车发动机零件、刹车摩擦件、活塞 等。 目前，针对6 0 0 0 系铝合金的加工工艺主要有上世纪9 0 年代德国最先使用的 内高压成型技术；航天移植过来加工铝合金薄板复杂件的铝合金车身制造工艺 ( a v t ) 、麻省理工学院开发的半固态成型技术【”】、快速凝固铝合金生产工艺以及 挤压技术。 其中铝合金挤压技术是比较常见的用于生产铝型材的加工工艺，国外铝制车 体型材采用6 0 0 0 系列合金居多，像6 0 0 9 ，6 0 1 0 ，6 1 11 ，6 1 8 1 a 等，美国汽车制造商 一般都是选取强度较高的6 儿1 铝合金，欧洲各国则是选用成形性能较好的6 0 1 6 。 日本为了达到缓冲目的、增加抗冲击强度，非常注重使用6 0 0 0 系的高强度合金生 产各类形状的薄壁及空心型材，研制出复杂断面形状的可以起缓冲性能的铝挤压 型材，这类型材具有重量轻、强度高，而且6 0 0 0 系挤压性能好，容易生产。德国 v a w 公司，日本k o k 公司、国内西南铝业都以此系合金为基础挤压出各类车体大型 材【l4 1 。但是对于6 0 0 0 系合金的挤压型材基本上都是采用热挤压或冷挤压成形技术， 在温挤压技术方面的应用却很少。国内对6 0 0 0 系合金中6 0 1 6 铝合金的研究几乎 是没有，6 0 1 6 铝合金的温挤压技术更是一片空白。 针对铝合金挤压技术、挤压模具的结构设计与制造以及挤压过程中挤压参数 的影响，国内外的许多研究者也作了大量的研究。 国外：2 0 世纪9 0 年代，韩国学者h y u m w o os l i m 等人将非轴对称零件的挤压 6 第一章绪论 过程做了模拟分析，其采用二维刚塑性的有限元方法再综合厚板理论把三维问题 做了简化，将非轴对称零件的挤压过程做了比较精确的模拟分析【l5 1 。 y a n gd y 编写成刚粘塑性有限元程序，利用任意拉格朗日一欧拉描述法以及 网格部分细分的方法，专门对导流模与挤压模具的工作带做了分析【l6 1 。 为了研究分流组合模焊合腔内的金属流动情况，j x x i e 将该模具挤压过程 分为进行分流工作的多孔分流上模和完成焊合任务的下模。试验材料选择a 1 0 5 0 ， 他将坯料分成对等的两半，画上网格，模拟分析后观察网格的流动情况，对焊合 面上的金属流动情况进行了细致的研究【1 7 】。 国内：于沪平等人利用塑性成型仿真软件d e f o r m ，再结合刚粘塑性有限元罚函 数法对平面分流模的金属挤压过程做了二维模拟，研究了铝合金在挤压变形中应 变、应力、温度分布以及的金属的流动速度做了比较全面的分析，并得到了一定 的变化规律l l 引。 周飞等采用三维刚一粘塑性有限元方法，对一般铝型材非等温成型过程做了 分析，对不同阶段铝合金的温度变化，应力、应变情况以及整个过程载荷的变化 都做了比较准确的研究分析【1 9 1 。 阎洪等人通过a n s y s 软件进行了铝合金壁板型材挤压过程的有限元分析，得 到了壁板型材挤压过程中应力、应变的变化，以及金属流动的位移场，并对它们 之间的关系进行了研究【2 0 j 。 郝南海研究了应用数值模拟分析验证铝型材工作带设计合理性的问题，并做 了计算方案和相关问题的解决方法。得到利用有限元设计工作带是可行的结论， 应用这种方法对模具结构的设计很有利，而且能够减少试模次数，缩短新模具的 设计制造周则2 1 】。 2 0 1 0 年黄珍嫒等人利用h y p e r x t r u d e 铝型材专业挤压模拟软件，对整个铝型 材的挤压过程进行了模拟分析，并对模拟结果进行了实际的实验验证，发现模拟 结果与实验结果基本一致【2 2 】。但是对铝合金型材挤压过程的温度变化、不同挤压 因素对挤压结果的影响没有做出全面的研究。 1 2 2 国内外发展趋势 对于6 0 0 0 系铝合金的发展动态，以后的研究方向及热点主要集中在以下几点： 1 提高经济效益、降低生产成本，使得各国都继续追求更加理想的耐腐蚀性、 成形性与时效硬化性的6 0 0 0 系铝合金材料。 2 因为6 0 0 0 系铝合金的焊接性能以及抗挤压性一直是限制其在更宽领域使用 的问题，故需继续开发良好的挤压性和焊接性的6 0 0 0 合金材料。 3 6 0 0 0 系合金疲劳性能不是很好，追求更好疲劳性能的6 0 0 0 系合金是一个新 第一章绪论 7 的研究领域。 4 不断的优化6 0 0 0 系合金的化学成分及加工工艺，生产出高冲压性能的板材： 研制适应性更强6 0 0 0 系超塑性铝合金。 5 通过改进该系合金的热处理工艺方法来提高6 0 0 0 系铝合金综合性能。美国、 日本等国外研究者正在进行固溶一时效一再时效处理技术( r r a ) 研究，目的是提高 6 0 0 0 系铝合金综合性能。用r r a 处理代替6 0 0 0 系合金的t 6 处理，让该铝合金的 晶界分布的连续链状的析出相转变成不连续的非共格析出相弘j 。抖j 。 目前，铝型材挤压技术方面，国内外发展主要表现在以下各方面： 1 、首先是挤压设备的发展，挤压机的吨位也在不断的增加，油压挤压机被广 泛的应用到生产中，挤压机的自动化程度也在不断提高。 2 、挤压工艺的不断完善与改进，不但完善了传统的正反挤压方法和工艺外， 还不断研究出现了各种新工艺新方法，例如2 0 世纪7 0 年代以来，日本就把连续 挤压、静水挤压等技术应用到实际生产当中。而且，现在还在不断的开发研制出 新的特殊挤压技术，像连续挤压拉拔技术、可变截面挤压技术、弯曲挤压技术以 和精密挤压技术等。在挤压技术方面，美国不论是从基础理论还是在生产实践方 面都是居于世界的前列；俄罗斯在铝挤压生产技术方面在当今世界也有着非常高 的水平。随着研究出的先进的挤压技术和新的挤压工艺的出现，对一些新的轻合 金的挤压应用、提高挤压效率、挤压产品的质量、降低生产成本、节能环保等方 面都有着非常重要的意义。 3 、用来挤压的工模具的发展。不管是从结构的选择、装卸方法还是从制造模 具的技术、材料与使用寿命，这些方面的研究都会是挤压生产技术得到提高。 1 3 本论文所要研究的内容及研究方法 1 3 1 本论文所要研究内容 项目以6 0 0 0 系合金中6 0 1 6 合金材料为研究对象，采用中温塑性成形新工艺， 研究成形流变应力行为，分析变形温度、变形速率工艺因素对成形过程软化和硬 化影响，得到材料中温成形软一硬化协调流变应力方程；探索材料中温成形软化机 理和加工硬化机理，分析其成分、微观组织。主要研究内容如下： ( 1 ) 研究6 0 0 0 系铝合金中温成形流变应力行为，分析变形温度、变形速率 等工艺因素对其影响。新型6 0 0 0 系材料如6 0 1 6 力学行为详细研究较少，在不掌 握其独特力学行为的情况下无法充分发挥新型材料良好的性能。本研究以此为重 点，展开多层次研究6 0 0 0 系铝合金材料的流变应力，分析是否受成形工艺因素如 温度、速率等工艺因素的影响及其影响规律。 第一章绪论 ( 2 ) 分析材料中温成形软一硬化协调的应力应变关系，建立中温粘塑形流变 应力方程。6 0 0 0 系铝合金在中温成形时同时有加工硬化和回复或再结晶软化行为， 相比于低温和高温，中温变形应力应变关系较为复杂，如何协调软化和硬化影响， 综合温度因素、速率因素、边界条件的流变应力方程是本项目研究的重点之一。 ( 3 ) 建立铝合金中温成形有限元计算本构模型，设计挤压模具进行有限元分 析。在中温变形流变应力方程的基础上，建立6 0 0 0 系铝合金中温形变有限元模型， 重点是材料本构模型的建立，设计铝合金中空件挤压模具，并进行挤压数值模拟 实验，并对挤压工艺条件进行优化。 ( 4 ) 研究6 0 0 0 铝合金中温成形微观组织的变化，如晶体的大小、形状变化 以及是否发生动态再结晶等等； 1 3 2 研究方法与路线 ( 1 ) 利用g l e e l e 1 5 0 0 材料热模拟试验机对6 0 1 6 铝合金进行压缩试验，得到温 度为2 8 0 。c 4 3 0 。c 、应变速率为0 5 s 1 0 s 的条件下的应力应变关系，再对得到的 应力应变关系进行分析，通过o r i g i n 软件对数据进行处理，由多元线性回归的方 法得到6 0 1 6 铝合金的中温成形流变应力本构方程； ( 2 ) 利用金相实验、扫描电镜实验观察压缩试样的微观组织结构变化，如晶体 的大小、形状变化以及是否发生动态再结晶等等： ( 3 ) 本课题使用三维建模软件u g 构建了模型，利用h y p e r m e s h 软件以及 h y p e r x t e d u e 铝型材专业挤压模拟软件数值模拟研究铝合金在模具型腔内的流动 规律，分析模拟实验的结果，找到工作带对金属流速的影响，挤压过程中的温度、 压力分布等等，以对该金属的挤压性能进行研究。 第二章材料制备和实验研究 9 2 1 材料的制备 第二章材料制备和实验研究 实验采用6 0 0 0 系即a l - m g s i 系铝合金中的6 0 1 6 铝合金作为热模拟压缩对 象，该材料的主要化学成分见表2 1 。 表2 16 0 1 6 铝合金化学成分 n l b l e2 1a l u m i n 啪a l l o yc h e m i c a lc o m p o s i t i o n a l l o ym g s ic uf em nz n t i a l 6 0 1 6o 2 5 o 6 1 0 - 1 5 0 2 0 5 0 2 0 2 0 1 5余量 采用常规铸锭冶炼法制备。熔炼合金所采用的材料分别是高纯a 1 ( 含量为 9 9 9 ) ，工业用纯m g 、z n ，电解c u 以及a 1 9 5 s i ，a 1 9 m n ，a 1 3 t i 和a i 4 c r 等，利用高纯f e 箔来增f e 。利用石墨粘土坩锅放于井式电阻炉中进行熔炼。 首先将高纯a l 放入已经烘热的坩锅，放于井式电阻炉中加热让纯铝熔化，待 纯a 1 熔化8 0 左右的时候，按照预先设计的合金成分顺序加入熔炼炉。为防止纯 m g 的过量烧损，最后待熔体温度到7 5 0 下才m g 并搅拌均匀。待所有原料熔化 后，加入a 1 t i b 晶粒细化剂，并除气，镇静2 0 m i n ，待熔体温度降到7 2 0 时取 出坩锅，扒渣，在水冷铜模中浇铸成3 2 1 6 0 眦1 1 ) ( 5 0 i m 尺寸的合金铸锭。最 后在压缩前需对试样进行铸锭均匀化处理。 2 2 热压缩模拟试验 首先从铸锭上切取样品，在车床上加工成尺寸为0 1 0 唧1 5 姗圆柱形热压缩试 图2 1 热压缩试样尺寸 f i g u r e2 1t h e m l a lc o m p r e s s i o ns 锄p l e 第二章材料制备和实验研究 样( 如图2 1 所示) ，试样两端加工一个小凹槽以便储存润滑剂。加工好试样在 5 4 0 温度下进行固溶水淬处理3 0 m i n ，然后马上在g l e e l e 一1 5 0 0 材料热模拟试验 机上进行压缩实验。装机前，在试样两端凹槽内涂上高温石墨润滑剂( 7 5 石墨 + 2 0 4 6 # 机油+ 5 硝酸三甲苯脂，质量分数) ，为了防止碳化钨压头与试件粘连，在压 头与石墨润滑剂之间放置一层厚度为0 1 姗的钽片。实验时，先以1 0 。c s 的加热 速率加热到5 4 0 。c ，保温3 m i n 使温度均匀化，然后以5 。c s 的速率降温至形变温度， 保温1 m i n 消除试件内部的温度梯度后等温压缩。压缩至规定的变形程度后所有试 样水淬保留高温变形组织。 压缩应变速率营分别取0 5 s 、ls 、5s 、1 0s _ 变形温度则取2 8 0 。c 、 3 5 0 。c 、3 9 0 。c 、4 3 0 。c ，变形程度取6 0 ，实验方案如表2 2 所示。 表2 2 压缩实验方案 t a b l e2 2c o m p r e s s i o nt e s tp 影吼 第二章材料制备和实验研究 在做热模拟压缩实验时，热压缩试样的腰部发生“鼓肚”，为了判断单向热压 缩试验的有效性，在这里采用英国国家物理实验室的评判标准口5 粕】，该实验室根 据其大量的实验对比以及微观组织的观察，提出了一个衡量热压缩试验有效性的 物理量一膨胀系数b ，如2 1 所示： b ：蜂( 2 1 ) l d 2 式中，b _ 膨胀系数： l 。一试样原始高度( 咖) ； d 0 一试样原始直径( n u n ) ； 卜压缩后的试样高度( 衄) ， d 一压缩后的试样腰部与端部的平均直径( i m ) 。 当膨胀系数b 0 9 时，才认为单向热压缩试验的结果是有效的。在本研究的 试验中，经过测量与计算，算得的膨胀系数b 均大于0 9 3 ，说明本研究中的热模 拟压缩实验的数据是有效的。 2 3 试验数据处理 将热模拟压缩实验的数据导入到o r i g i n 软件中去，把数据中冗余的数据点删除 掉，并根据式2 2 ，2 3 将实验得到的数据转变成相应的真实应力和真实应变。 真实应变：g = 1 n 砉= l n ( 1 + 等) ( 2 2 ) 真实蜿盯= 丢= 丢= 三毒劬“) ( 2 3 ) 其中，以，a 分别代表试样的初始横截面积和瞬时横截面积，单位为衄2 ； “，分别代表试样的初始压缩高度、瞬时高度和位移，单位为m m ；p 为载 荷，单位为n 。 2 4 金相组织实验与扫描电镜实验 2 4 1 金相实验 实验步骤： ( 1 ) 为了观察试样中间部位组织，需要利用线切割机将热模拟压缩的试样切 1 2 第二章材料制备和实验研究 割成两部分； ( 2 ) 砂纸磨制：在抛光机上磨制，金相砂纸由粗变细。磨制一般分粗磨和细 磨两刀工序，粗磨是为了获得一个平整的表面，在砂轮上砂轮上磨制时应握紧试 样，压力不宜过大，以免温度过高引起金属组织发生变化，粗磨后试样表面虽然 平整，但是仍存在较深磨痕，故进行细磨，细磨后可以得到平整而光滑的磨面， 为下一步的抛光做好了准备。 ( 3 ) 机械抛光：铝合金抛光表面有一层致密的a l ：0 。氧化膜不易去除，必须采 用加工性能好的抛光剂或人造金刚石抛光膏去除氧化膜和磨痕。本实验采用的磨 料为0 5 微米的金刚石抛光剂，抛光织物为毛呢。 ( 4 ) 电解抛光：机械抛光由于有机械力的作用会不可避免的产生一定的变形 层，容易铝合金显微组织的真实显示，故在机械抛光进行粗抛后，这里采用电解 抛光进行细抛。电解抛光是将不锈钢钢板作为阴极，试样作为阳极，电解时利用 试样表面凹凸不平区域溶解速度的不同使磨面溶解为平滑光整、组织清晰的金相 试样。电解时的各项参数如表2 3 所示： 表2 3 电解抛光参数 t 抽l e2 3e l e c t r o l ”i cp o l i s h i n gp a r a m e t e r s 电解抛光示意图如图2 2 所示。其中电解抛光时所用的6 v 电压的提供主要是 通过稳压电源来提供，稳压电源为可调式数显稳压电源，型号为w y j5 a 3 0 v 。 键 巍 瓣液 图2 2 电解抛光示意图 f i g u r e2 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fe l e c t r o i y t i cp o l i s h i n g 第二章材料制备和实验研究1 3 ( 5 ) 化学侵蚀：经电解抛光后的试样表面光滑如镜面，在显微镜下观察只会 看到一片亮光，除某些非金属夹杂物、空洞和裂痕外很难辨别出各种组成物和其 形态特征，故必须经过适当的侵蚀才能比较清晰的观察到该铝合金的显微组织特 征。本实验采用氢氟酸水溶液，其与水的比例为1 ：9 9 ，侵蚀时间为3 分钟。每次试 样在侵蚀完后应马上在流动水下清洗，并擦拭酒精吹干。然后再用2 0 硝酸水溶 液清洗1 5 秒左右。 ( 6 ) 光学显微镜下观察：待试样制备好后，可以将试样放在光学显微镜的载 物台上进行显微组织的观察，并拍下所需要的微观组织图像。 2 4 2 扫描电镜实验 为了进行6 0 1 6 铝合金铸态组织特征观察及相的分析，在这里进行扫描电镜实 验，扫描电镜能够直接观察样品表面的结构，样品的尺寸可大至1 2 0 m m 8 0 m 5 0 m m ；样品可以在空间平移及旋转，可进行多角度进行观察；扫描电镜的景深相 对光学显微镜来说要大大几百倍，比透射电镜大几十倍；对观察的图像放大倍数 范围广，分辨率也很高；而且在观察形貌的同时可通过能谱对各相的成分做定性 析。 实验所用的扫描电镜为5 5 x 一5 5 0 型和d x 4 型能谱仪如图2 3 ，其加速电压为 1 5 k v 。利用二次电子像及背散射电子像观察物相的形貌，能通过能谱分析得到所 观察相的成分。 图2 35 5 x 一5 5 0 扫描电镜 f i g u r e2 3t h e5 5 x 一5 5 0s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e 1 4 第三章6 0 1 6 铝合金流变应力方程求解及微观组织特征 第三章6 0 1 6 铝合金流变应力方程求解及微观组织特征 本章通过g l e e l e 1 5 0 0 材料热模拟实验机对6 0 1 6 铝合金进行中温压缩试验， 研究变形过程中的流变应力行为，并分析应力应变关系，由多元线性回归方法得 到6 0 1 6 铝合金的流变应力方程。并通过金相显微镜、扫描电镜观察变形微观组织 特征，用于辅助揭示流变应力变化的机理。 3 1 热变形条件对6 0 16 铝合金温变形流变应力行为的影响 基于铝合金的热塑性变形过程中，随着金属变形条件的不同，即应变速率、 变形温度、应变等的不同，金属内部组织变化也不相同，继而金属变形力学行为 等也会明显的变化，因此要深入地研究金属的流变应力行为，就要了解此过程中 相关的基础理论知识。 3 1