分享：新淬火状态2A12铝合金的成形极限

张 鹏,陈明和,叶建华

(南京航空航天大学机电学院,南京 ２１００１６)

摘 要:对室温下分别时效１０,２０,３０min的９种尺寸新淬火状态２A１２铝合金试样在３种润滑(固体润滑,液体润滑和无润滑)条件下进行了胀形试验,得到了该铝合金的成形极限图,分析了时效时间对成形性能的影响.结果表明:时效１０min时新淬火状态２A１２铝合金仍具备良好的成形性能,但随时效时间的延长,成形极限曲线下移,铝合金的塑性变差,成形安全区变小;２A１２铝合金成形加工前的自然时效时间应控制在１０min以内.

关键词:２A１２铝合金;新淬火;自然时效;成形极限

中图分类号:V２５０．３ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１８)０６Ｇ００５５Ｇ０４

淬火处理后的一段时间里所处的尚未发生或完成时效硬化的一种不稳定状态,称为新淬火状态.实际生产加工过程中,通常在铝合金板料处于淬火状态下进行校形和加工.掌握板料在各种状态下的成形性能,有利于对其进行加工成形和有限元仿真模拟.目前,有关新淬火状态下板料的成形性能及相关信息较少,在成形及有限元仿真模拟时均采用退火状态下的工艺参数和成形极限来替代新淬火状态下的,结果误差较大.由成形极限图(FLD)能得到变形时板料在平面内的两个主应变联合作用下,某一区域发生破裂或颈缩时的最大应变.现阶段实际生产中普遍采用的是由 KEELER等[３]和 GOODWIN[４]提出的以极限应变为基础的成形极限图,这些成形极限图为评价板料的成形性能以及处理板料成形中的问题提供了技术基础和判断依据.目前,我国研究人员已对铝合金、钢、高温合金板料的成形性能进行了研究并取得了一定的成果[５Ｇ８],例如对新淬火状态的２D１２变形铝合 金 板 料 进 行 了 成 形 极 限 试 验 和 有 限 元 分析[９Ｇ１０];对不同温度７０７５ＧT６铝合金进行了成形极限试验研究,并得到了温度对铝合金成形性能的影响规律[１１];从控制塑性变形能的角度,建立了板料的成形极限预测判据[１２].

然而,相关手册资料中有关２A１２铝合金的工艺数据仅局限于屈服强度、抗拉强度和伸长率,且数据大多是在退火状态下测得的.为此,作者研究了新淬火状态２A１２铝合金的成形极限.

１ 试样制备与试验方法

１．１ 试样制备

试验材料为哈尔滨飞机工业集团有限公司提供的自 然 时 效 状 态 下 的 ２A１２ 铝 合 金 板,厚 度 为１．０mm,化学成分如表１所示.

根据 GB/T１５８２５．８－２００８,采用改变试样宽度、时效时间和润滑条件的方法进行胀形试验,绘制成形极限图,试验步骤如下.

在数控铣床上沿轧制方向加工出如图１所示的试样,用粗、细砂纸打磨边缘,保证过渡圆角处光滑、无毛刺.试样的截面形状有两种,一种为中部稍窄、两端稍宽的阶梯形,另一种为长方形,长方形试样的宽度b 分别为１００,１２０,１４０,１６０,１８０mm.

将不同形状的试样在温度为(４９７±３)℃的硝盐槽中进行淬火处理,保温２５ min,用温度不高于３０ ℃的水冷却.冷透后的试样在４０~５０ ℃的热水槽中清洗,再在(１００±５)℃的试片炉中保温(１２０±１０)min,空 冷.所 有 试 样 进 行 校 形 处 理 后,置 于－１７ ℃冷藏箱内恒温保存.将试样从冷藏箱中取出,用专用铝合金电解液通电腐蚀２０s,从而在试样表面印制出直径为５mm的网 格 圆.试 样 在 室 温 下 分 别 自 然 时 效 １０,２０,３０min后,在ServoＧPress１５０型液压伺服试验机上采用 LDH 凸模进行胀形,凸模外径为１００ mm,运动速度为１．５mm??s－１;润滑方式分别为聚乙烯薄膜固体润滑,油液体润滑和无润滑;成形过程由计算机自动控制操作,试样发生破裂或产生颈缩时设备自动停止.。

在胀形之后网格圆主要发生３种变形,如图２所示,图中d０ 为初始网格圆的直径,５mm;d１,d２ 分别为变形后网格圆的长轴和短轴.在每个试样破裂。区的周围选取３个完整的、变形程度较大的网格圆,使用 Vispec影像测量仪测量网格圆的长轴和短轴,计算试样的表面真实极限应变,计算公式为

图２ 网格圆的３种变形方式

Fig．２ Threedeformationmodesofthegridcircle

式中:ε１ 为沿长轴方向的表面真实极限主应变;ε２ 为沿短轴方向的表面真实极限次应变. 以ε１ 为横坐标,ε２ 为纵坐标,绘制得到成形极限图.

２ 试验结果与讨论

２．１ 宏观形貌

由图３可知:在相同时效时间下,固体和液体润滑条件下试样的破裂或颈缩现象比无润滑条件下的明显;在相同润滑条件下,时效时间短的试样的破裂或颈缩现象更明显.

２ 成形极限图

在成形过程中,金属薄板在达到分散性失稳后,会持续 一 段 时 间 的 塑 性 变 形,再 发 生 集 中 性 失稳[１３Ｇ１４].因此,可根据网格的分布将在一定条件下得到的成形极限图分为安全区、临界区和破裂区等３个区域.

作者采集了试样破裂处附近(如图４所示)应变最大的网格圆数据,将这些数据代入式(１)和式(２),计算得到试样的表面真实极限应变,绘制成成形极限图,如图５所示.图５中由真实应变数据点所构成的条带形区域为临界区,条带形区域外上方为破裂区,下方为安全区.

根据文献[７Ｇ８,１１,１５],对新淬火状态２A１２铝合金成形极限图中的左半部分数据进行线性拟合,右半部分数据进行二次函数拟合,拟合公式分别为式中:F０ 为成形极限图中上部分曲线的最高点;F１为成形极限图中下部分曲线的最低点;a,b 为系数.式(３)和式(４)体现了板料成形过程中的平面应变状态,拟合得到的曲线见图５.

由图５可以看出:ε１ 始终为正值,即试样纵向始终为拉伸状态,ε２ 由负值逐渐变为正值,说明试样横向由单向拉伸逐渐过渡到双向拉伸状态;随时效时间的延长,试样的成形极限曲线保持形状不变但向下移动,说明试样的塑性逐渐降低,安全区越来越小.板料的加工成形应在安全区内进行.淬火２A１２铝合金自然时效１０min时的塑性较好,因此其成形加工前的自然时效时间应控制在１０min以内.

３ 结 论

(１)对自然时效不同时间后得到的新淬火状态２A１２铝合金在不同润滑条件下进行胀形试验,得到不同时效时间下的成形极限图;在胀形过程中试样纵向始终为拉伸状态,横向则由单向拉伸逐渐过渡到双向拉伸状态.

(２)随时效时间的延长,试样的成形极限曲线形状基本保持不变,但曲线向下移动,说明试样的塑性逐渐降低,成形安全区变小.

(３)试样经自然时效１０ min时仍具有良好的成形性能,成 形 加 工 前 的 自 然 时 效 时 间 应 控 制 在１０min以内.

（文章来源：材料与测试网-机械工程材料 > 2018年 > 6期 > pp.55）