6063铝合金高温流变本构方程

收稿日期:2002212203.
作者简介:王孟君(19652),男,教授;长沙,中南大学材料科学与工程学院(410083).基金项目:华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室访问学者基金资助项目.
6063铝合金高温流变本构方程
王孟君　杨立斌　甘春雷　彭大暑
(中南大学材料科学与工程学院)
摘要:采用圆柱试样在G leeble 21500热模拟机上进行高温等温压缩实验,研究了6063铝合金在高温塑性变形过程中流变应力的变化规律.结果表明:应变速率和变形温度的变化强烈地影响6063铝合金流变应力,流变应力随变形温度升高而降低,随应变速率提高而增大,在高应变速率下出现明显的动态软化.关　键　词:6063铝合金;热压缩变形;高温流变应力;本构方程
中图分类号:TG 146.2+1 文献标识码:A 文章编号:167124512(2003)0620020203
6063铝合金属于Al 2Mg 2Si 系合金,具有良好
的可挤压性及低的淬火敏感系数,广泛应用于各种工业及民用建筑型材,是一种很重要的结构材料.其室温的力学性能数据可从相关资料和手册中查到[1,2],但其高温塑性变形时的流变应力、变形特征和成形性指标等还缺乏深入研究.近年来,物理模拟和数值模拟技术在铝合金加工领域获得了越来越广泛的应用[3～5],为了提高模拟精度,同时也为了计算变形力能参数,合理制定热挤压工艺规程,必需了解铝材的高温流变行为及精确的流动应力.本研究采用动态热模拟技术进行高温等温压缩变形实验,分析了6063铝合金的流变行为,建立了该材料的高温流变应力模型.
1　实验材料及方法
1.1　实验材料
实验材料为取自工厂的6063铝合金半连续铸锭,其化学成分如下:w (Al )=98.6336%,w (Si )=0.4233%,w (Cu )=0.0425%,w (Mg )=0.7002%,w (Mn )=0.0017%,w (Zn )=0.0000%,w (Ti )=0.0077%,
w (Fe )=0.1453%,w (Cr )=0.0456%.1.2　实验方法
沿铸锭的轴向加工成Φ10mm ,高为15mm 的圆柱.为了保证润滑剂在变形过程中不致流失,圆柱的两端车有0.2mm 的凹槽.
压缩实验在G leeble 21500热模拟实验机上进行,变形温度为300～540℃;应变速率限制在0.5～50s -1范围内;总压缩应变量为0.7(变形程度50%).
2　实验结果及讨论
2.
1　变形力学行为
图1为6063铝合金在不同变形温度、变形速
图1　6063铝合金的真应力2应变曲线
第31卷第6期 华　中　科　技　大　学　学　报(自然科学版) Vol.31　No.62003年　6月 J.Huazhong Univ.of Sci.&Tech.(Nature Science Edition ) J un.　2003
率下的一些典型的真应力2应变的曲线.铝合金材料在热加工时同时存在加工硬化和动态软化两个矛盾的过程[6].变形时的位错增殖以及位错间的相互作用导致硬化,位错通过攀移或交滑移并在热激活和外加应力作用下发生合并,重组使材料发生动态回复和动态再结晶而软化,尽管铝合金属于高层错能合金,但铝合金在热加工时也可以发生动态再结晶[7,8].从图1中可以看出,变形温度对流变应力有较大的影响,随着温度升高,流变应力显著下降.变形速率对流变应力也有一定影响,变形速率越大,所对应的应力值也越大,但其对应力的影响不如变形温度的影响显著.
从图1中还发现,在低应变速率(0.5s-1)和400℃以上的变形温度时,6063铝合金流动应力随应变的增加而减小,表示此时动态软化开始占主导地位.高应变速率时(50s-1),试样在300℃以上就会随应变的增加而出现明显的软化现象.这说明随着变形速率的增加,动态软化加剧.其原因是变形速率升高,促使试样温升加大,促进了位错攀移和交滑移等一系列软化过程.
2.2　本构方程的建立
通过对铝合金不同热加工数据的研究,文献[9,10]提出了一种包含变形激活能Q和变形温度T的双曲正弦形式的流变应力模型,对峰值应力其应变速率
ε=A F(σ)exp(-Q/(R T)),(1)式中,F(σ)是应力的函数,F(σ)=σn　(ασ< 0.8),F(σ)=exp(βσ)　(ασ>1.2),F(σ)= [sinh(ασ)]n,α=β/n;Q为变形激活能;R为气体常数;T为绝对温度;α,β,n和A为材料常数.同时,式(1)可以很方便地表示为温度补偿应变速率参数[11]
Z=
εexp(Q/(R T)).
在高应力和低应力下,式(1)可分别表示为
ε=B{σ}n MPa,(2)
ε=B′exp(βσ).(3)对式(2)和式(3)两边分别求对数得
ln{
ε}s-1=ln B+n ln{σ}MPa,(4)
ln{
ε}s-1=ln B′+βσ.(5) 根据实验结果绘制的峰值应力与变形速率、变形温度之间的关系曲线如图2所示.从图中可看出,稳态流变应力和应变速率的双对数关系、流变应力的双曲线正弦对数项和温度的倒数之间皆较好地满足线性关系.由此可以认为6063铝合金高温压缩变形时应力2应变速率关系满足双曲正弦形式,流变应力与变形温度满足Arrhenius关系,即可以用包含Arrhenius项的Z参数描述6063铝合金高温变形时的流变行为.
n值和β值可以通过式(4)和式(5)分别利用图2(a)和(b)求ln{
ε}
s-1
-ln{σ}MPa和ln{
ε}
s-1
-σ的斜率得:β=0.142MPa-1,n=8.47,此时对应的α=0.0168MPa-1.
图2　6063铝合金峰值应力与温度、应变速率关系
　(a),(b)和(d)中1～7分别对应300℃,350℃,400℃,450℃,470℃,490℃,540℃;(c)中1～3分别对应0.5 s-1,5s-1,50s-1
对所有应力状态,有
ε=A[sinh(ασ)]n exp(-Q/(R T)),(6)σ=ln{(Z/A)1/n+[(Z/A)2/n+1]1/2}/α.对式(6)求导得
Q=R n[dln(sinh(ασ))]/d T-1.(7)对图2(c),求lnsinh(ασ)-T-1的斜率,即
d[lnsinh(ασ)]/d T-1=2469.
将此值和R,n值代入式(7)得
Q=173.78kJ/mol.
将Q值代入式(1),两边求对数得
　ln{
ε}
s-1
=ln{A}s-1-
Q/(R T)+n ln[sinh(ασ)].
对图2(d),n ln[sinh(ασ)]-ln{
ε}
s-1
,知两者截距即Q/(R T)-ln{A}s-1的值,将Q,R和T值代入即可得到A=1.904×1013s-1.
3　结论
a.在各个变形温度和应变速率条件下,6063铝合金的真应力2应变曲线均表现为:开始随应变
12
第6期 王孟君等:6063铝合金高温流变本构方程
增加很快达到最大值,出现一峰值后,应力就逐渐下降,且动态软化现象随变形速率升高而更明显.
b.可以用包含Arrhenius项的Z参数描述6063铝合金高温变形时的流变行为,6063铝合金变形激活能Q为173.78kJ/mol,其Z参数可表述为Z=
εexp(-173.78/(R T)),流变应力、应变速率与温度的关系可用Z参数表示为
　σ=59.5ln{[Z/(1.904×1013)]1/8.47+
{[Z/(1.904×1013)]2/8.47+1}1/2}.
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Constitutive equation of the flow for6063aluminium
alloy at elevated temperature
W ang Mengj un　Y ang L ibi n　Gan Chunlei　Peng Dashu
Abstract:The flow stress behavior of6063aluminium alloy during plastic deformation at elevated tempera2 ture was studied by isothermal compression test on a G leeble21500thermal2mechanical simulator.The re2 sults showed that the flow stress was influenced by both strain rate and deformation temperature,and the flow stress decreased with the increase of temperature,while increased with the increase of strain rate.It was shown that dynamic softening appeared at high strain rate.
K ey w ords:6063Al alloy;hot compression deformation;high temperature flow stress;constitutive equa2 tion
W ang Mengjun　Prof.;College of Materials Sci.&Tech.,Central South Univ.,Changsha410083, China.
22 华　中　科　技　大　学　学　报(自然科学版) 第31卷。