LD5铝合金超塑性变形的力学特征.pdf

第5 8 卷第3 期 2 006 年8 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 8 ，N o ．3 A u g u s t 20 06 L D 5 铝合金超塑性变形的力学特征 李健，韩建业 西北工业大学材料科学与工程学院，西安 7 10 0 7 2 摘要研究L D 5 棒材超塑性变形工艺参数与力学性能的关系。结果表明，L D 5 铝合金棒材经过4 9 5 ℃3 h 固溶、3 9 0 “ C 4 ．5 h 过时效 3 6 0 “ C 自由镦拔的预处理后，当超塑性变形温度为4 5 5 ℃时，拉伸最佳的变形速率为3 ．3 5X1 0 一m m ／s ，最高伸长率 为4 7 5 ％，相应的流动应力为1 7 M P a 。当超塑性变形温度为4 6 0 ℃时压缩最佳的变形速率为2 1 0 _ ’m m ／s ，最大伸长率为5 9 8 ％， 相应流动应力为2 1 M P a 。预处理方法是提高L D 5 铝合金塑性、降低变形抗力的高效、低成本方法。 关键词金属材料；L D 5 铝合金；超塑性；预处理；变形；力学性能 中图分类号T G l 4 6 ．2 1 ；T G l l 3 ．2 5文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 6 0 3 0 0 2 0 0 3 铝及铝合金在交通运输、化工、机械、仪表、建筑 等工业部门，以及日常生活用品中都得到了广泛的 应用，在航空、航天及许多国防工业部门当中，铝及 合金更是必不可少的材料。L D 5 铝合金尽管有良 好的工艺塑性，但通常利用其填充局部高径比在1 2 以上的薄壁结构时，仍比较困难【1J 。 超塑性成形可以成形局部高径比较大的零件， 且成形时流动应力小，可用较小的锻压设备成形投 影面积较大的零件，零件尺寸精度高且稳定，组织和 力学性能均匀且优于常规锻件，但其对成形时的变 形温度，变形速率及材料的预外理都有一定的要求。 按实际生产的需要，对成形材料为L D 5 的高径比 3 ／2 4 的板式滑轮零件和高径比1 ／1 6 的挂板零件进 行前期试验。拟采用超塑性成形，所以要找到L D 5 材料超塑性成形的最佳条件 变形温度、变形速率及 材料预外理 。 1实验方法 试验用原材料是巾7 0 m m 的挤压棒材，热处理状 态为淬火 人工时效。选择棒材表面光整的部分加 工试样，改锻成 3 5 m m 的棒材，然后按照温度和时 间设计十种规范进行预处理，以求得最佳的细化晶 粒工艺。经试验确定，其最佳的预处理工艺过程如 图1 所示。在预处理的基础上，将试样分为两组，分 别进行拉伸和压缩试验。拉伸试样两端为M 1 2 的 螺纹，尺寸为中5 m m 2 0 r D mX4 4 r a m ，R 2 ．5 m m 。 压缩试样尺寸为q 3 0 m m 2 0 m m ，两端有1X4 5 。的 收稿日期2 0 0 5 0 1 1 1 作者简介李健 1 9 6 1 一 ，男，西安市人，副教授，主要从事铝合 金和钛合金先进塑性成形技术等方面研究。 倒角。 芝 餐 0 图1 最佳预处理过程 F i g ．1O p t i m a lp r e t r e a t m e n tt e c h n o l o g y 试验用设备为Z D l 0 ／9 0 电子拉压试验机，安装 有1 6 段可编程热处理加热炉，温度理论精度为 I C 。拉伸试样待夹装完毕后在炉内保温1 0 m i n ，然 后开始拉伸。压缩试样需要保温2 0 m i n ．然后开始 压缩。变形过程中的应变速率敏感系数I T ／采用 B a c k f e n 的应变速率突变法测量。 2 试验结果及分析 2 ．1 拉伸试验 试样在应变速率5 ．6 6 1 0 叫m m ／s ～1 ．1 1 1 0 - 。m m ／s ，温度为4 0 0 ～4 8 0 ℃条件下进行试验，测 得的最大流动应力仃和最大伸长率艿及与应变速率 ￡的关系如图2 和图3 所示。 为了比较超塑性变形时材料变形抗力降低的程 度，另外制备4 根经过4 6 5 ℃1 2 ．5 h 退火处理的试 样，分别与超塑性变形的试样进行比较。 由图2 和图3 可见，在不同的温度下，其伸长率 万方数据 第3 期李健等L D 5 铝合金超塑性变形的力学特征2 1 都有一个峰值，变形温度不同，对应峰值的变形速率 也不同，随着温度的升高，对应峰值的应变速率也相 应提高。最佳变形条件是变形温度为4 5 5 ℃、应变 速率为3 ．3 5 1 0 一m m ／s ，最高伸长率为4 7 5 ％。另 外试验中还发现，超塑性变形时，流动应力明显低于 良好退火的试样。随着应变速率的降低，流动应力 的差别增大。经过良好退火的材料，其伸长率小于 8 0 ％，而超塑性材料在图2 和图3 的任何条件下，其 塑性都优于退火材料。 图2 拉伸最大伸长率6 与应变速率s 的关系 F i g ．2 R e l a t i o nb e t w e e nm a xe x t e n s i o n p e r c e n t a g eda n ds t r a i nr a t e ￡ 应变速率降低，材料伸长率会增加，但不是一直 增加，随着温度的增加，峰值伸长率却远离最低的应 变速率值。这说明大的m 值并不一定使材料获得大 的伸长率。所以优化应变速率敏感系数m 以及材料 的空洞系数，也是提高L D 5 材料超塑性能的方法。 4 0 3 0 d 山 至 奄2 0 1 0 l J 图3 拉伸流动应力仃与应变速率8 的关系 F i g ．3 R e l a t i o nb e t w e e nm a xs t r e s s 口a n ds t r a i nr a t e ￡ 2 ．2 压缩试验 真应变￡I t I n h o ／h ，式中h o 和h 分别为试 样压缩前后的高度。在函数记录仪得出的载荷一位 移曲线上根据体积不变的原理，可以计算出各个不 同真应变对应的位移量及夹头的接触面积F ，并从 曲线上位移的相应处得到载荷P ，进一步求得盯平均 P ／F 。由自由墩粗平均单位压应力公式，得真应 力a i t d 平均／ 1 , u D ／3 h ，式中卢为摩擦系数，D 为镦粗后试样的直径，h 为镦粗后试样的高度。，由 于温度关系，用石墨 机油 1 ．5 1 为润滑剂，在不 同温度下鼓形试样上下表面摩擦系数见表l 。 表1不同温度下鼓形试样上下表面的摩擦系数 T a b l e1 pb e t w e e nt o pa n db o t t o ms u r f a c eo f s a m p l e su n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 温度f C 4 0 04 2 0 4 4 04 6 04 8 0 弘0．091 0 ．0 9 80 ．1 50 ．2 10 ．3 0 根据前期研究结果可计算出口真。不同温度条 件下真应力口真和真应变速率e 真三者之间的关系 见图4 。试验选定4 6 0 ℃和4 8 0 ℃是为了验证压缩 试验基础上的可靠性。按照”z d 1 0 9 a 直 ／d 1 0 9 e 直 确定4 6 0 ℃和4 8 0 1 2 对应应变速率5 ．5 6 1 0 4 ，1 ．1 l 1 0 3 ，2 ．2 2 1 0 3 ，3 ．3 3 1 0 3 ，5 ．5 6 1 0 3 ，1 ．1 1 1 0 2 m m ／s 时的优真。 受 至 孛 图4 不同温度下a l t - e i t 关系 F i g ．4R e l a t i o n s h i p su n d e rd i f f e r e n t t e m p e r a t u r eb e t w e e n6 ta n d 盯￡ 当夹头速度在0 ．0 5 3 ～0 ．8 6 m m ／s ，e 直 0 ．2 ～ 1 ．5 时，d 真比较稳定。当￡真 1 ．5 时，应力随应变 增加明显增大，见图5 和图6 。导致硬化的原因主要 有两个，一是因为夹头的压缩速度是恒定的，当变形 蛊 苫 守 图5 T 4 6 0 6 C 时o - x - ￡直关系 №．5R e l a t i o nb e t w e e ne ta n d 口tu n d e rt d x t p e r a t u r e4 6 0 * 2 蛎∞昭洲拍{寻峙Ⅲ；o 万方数据 2 2有色金属 第5 8 卷 量增大时，应变速率增大，二是由于晶粒的长大。 盯巍在到达峰值后又下降是因为材料发生大面积的 动态再结晶，导致材料的软化。动态再结晶的程度 随着应变速率的增加而加快，即在高应变速率下较 小的e 直时材料就开始软化，所以在一定温度和一 定应变量条件下，夹头速度增加即应变速率增加时， 曲线上仃直的峰值向左移，见图5 和图6 。图4 中还 可以看出，对给定的温度条件，盯真随￡真的增加而 增加，但当e 直 0 ．0 2 后，盯直增加明显减缓。在一 图6 T 4 8 0 。C 时o l t - s 真关系 F i g ．6 T h er e l a t i o nb e t w e e nE La n dd t u n d e rt e m p e r a t u r e4 6 0 ℃ 参考文献 定的应变速率下，口真随温度的上升而下降，当温度 从4 0 0 ℃上升到4 4 0 * 2 时，仃真下降最多，在4 6 0 ℃以 后，下降减缓。 可见，在一定变形速率下，随着温度的升高，a 直 会下降。考虑到工艺的可靠性，当应变速率为2 1 0 - ’m m ／s ，变形温度为4 6 0 1 2 左右时，d 宣为下降最 多的区域。同样，压缩变形时，经过固溶、时效、改锻 的L D 5 棒材的超塑性的最佳参数为4 6 0 1 2 加热，应 变速率为2 1 0 ～m m ／s ，流动应力为2 1 M P a ，真实 应变可达2 ．6 8 。 3结i g - L D 5 铝合金棒材经过4 9 5 ℃3 h 固溶、3 9 0 1 2 4 ．5 h 过时效 3 6 0 ℃自由镦拔的预处理后，当超 塑性变形温度为4 5 5 ℃时，拉伸最佳的变形速率为 3 ．3 5 1 0 ～m m ／s ，最高伸长率为4 7 5 ％，相应的流 动应力为1 7 M P a 。当超塑性变形温度为4 6 0 ℃时压 缩最佳的变形速率为2 1 0 ～m m ／s ，最大伸长率为 5 9 8 ％，相应流动应力为2 1 M P a 。预处理方法是提 高L D 5 铝合金操性、降低变形抗力的高效、低成本 方法。 [ 1 ] 李健，王海荣．L D 5 高筋薄壁锻件的预变形等温锻造研究[ J ] ．热力n - r _ T _ 艺，1 9 9 7 ， 6 2 4 2 5 ． [ 2 ] 李泽林，唐才荣．铝基复合材料超塑性变形机理研究进展[ M ] ／／现代科技进展．西安西北工业大学出版社，1 9 9 4 7 1 1 ． [ 3 ] 李淼泉，吴诗悼，刘郁丽．硬铝L Y l 2 C Z 在强电场中超塑性变形时的最佳条件[ J ] ，西北工业大学学报，1 9 9 4 ，1 2 2 1 4 9 ～1 5 1 ． [ 4 ] E l M a g dE ，S c h o l l e sH ，W e i s s h a u p tH ．D y n a m i cd u c t i l i t yo fm e t a l s [ J ] ．J o u r n a | d eP h y s i q u e F r a n c e I V ，1 9 9 7 ，7 C 3 3 2 3 4 ． [ 5 ] 段春艳，郭鸿镇，姚泽坤，等．L D l 0 热轧棒材的预处理工艺及超塑性[ j ] ．热加工工艺，2 0 0 4 ， 7 1 1 1 3 ． [ 6 ] M i a o q u a nI tS h i c h u nW u ．T h ec h a n g ei nt h ef r a c t a ld i m e n s i o no ft h es h a p eo ft h ec a v i t i e sd u r i n gt h es u p e r p l a s t i cd e f o r m a t i o no f d u r a l u m i nL Y l 2 C Z [ J ] ．J o u r n a lo fM a t e r i a l sP r o c e s s i n gT e c h n o l o g y ，t 9 9 6 ，6 1 3 2 9 8 3 0 1 ． M e c h a n i c a lB e h a v i o ro fP r e t r e a t e dA l u m i n i u mA l l o yL D 5U n d e rS u p e r p l a s t i cD e f o r m a t i o n L IJ i a n ，H A NJ i a n y e N o r t h w e s t e r nP o l y t e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，X i7 a 1 27 1 0 0 7 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et e c h n i c a lp a r a m e t e r so fL D 5a l l o ys u p e r ．．p l a s t i cd e f o r m a t i o na n dt h em e c h a n i ．． c a lp e r f o r m a n c ei si n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a ta f t e rp r e t r e a t m e n to fs o l u t i o nh e a tt r e a t m e n t 4 9 5 ℃ 3 h ，o v e ra g e dd i s p o s a l 3 9 0 ℃4 ．5 h ，u p s e t t i n ga n dd r a w i n g 3 6 0 ℃ ，t h eo p t i m a ls t r a i nr a t eo fL D 5a l l o yi s 3 ．3 5 1 0 3 h i m ／s ，t h em a x i m u me l o n g a t i o ni s4 7 5 ％，t h ef l o ws t r e s si s1 7 M P aa tt h ed e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e 4 5 5 ℃．H o w e v e r ，a td e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e4 6 0 1 2 ，t h ec o r r e s p o n d i n gd a t ao fL D 5a l l o ya r e2 1 0 一m m ／s ． 5 9 8 ％a n d2 1 M P a ．r e s p e c t i v e l y ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；L D 5a l l o y ；s u p e r p l a s t i c ；p r e t r e a t m e n t ；d e f o r m a t i o n ；m e c h a n i c a lb e h a v i o r 惦们％舯黔扪m o j 万方数据