文章编号：1004-0609(2008)11-1958-06

汽车用5182铝合金板材的温拉伸流变行为

王孟君^{1, 2}，任  杰¹，黄电源¹，姜海涛¹

(1. 中南大学 材料科学与工程学院，长沙 410083；

2. 湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082)

摘  要：在变形温度为323~573 K、应变速率为0.001~ 0.1 /s条件下，采用Instron?8032电子拉伸实验机对汽车用5182铝合金板的流变行为进行研究，采用修正后的Fields- Backofen方程描述5182铝合金温拉伸时的流变行为，建立5182铝合金在温拉伸时的应力－应变本构模型。结果表明：在同一应变速率下，合金的流变应力随温度升高而降低；对于较高温度(448、523和573 K)、较低应变速率(＝0.001 /s)，合金的流变应力出现明显的峰值应力，表现出动态再结晶特征；随着应变速率增加，合金的流变应力呈现稳态，表现出动态回复特征。

关键词：5182铝合金；温拉伸；流变应力；本构方程

中图分类号：TG 146.21　　     文献标识码：A

Flow behavior of 5182 aluminum alloy for automotive body sheet during warn tensile deformation

WANG Meng-jun^{1, 2}, REN Jie¹, HUANG Dian-yuan¹, JIANG Hai-tao¹

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body, Hunan University,

Changsha 410082, China)

Abstract: The flow behavior of 5182 aluminum alloy for automotive body sheet at the strain rate ranging from 0.001 to 0.1 /s and temperature ranging from 323 to 573 K was studied on Instron?8032 tensile tester. A constitutive equation using up-dated Fields-Backofen equation was established to describe the flow behavior of 5182 aluminum alloy during warm tensile. The results show that at the same strain rate the flow stress reduces with increasing temperature. When the deforming temperatures are high (448, 523 and 573 K) and strain rate is low (0.001 /s), the flow stress decreases after a peak value with increasing strain, showing continuous dynamic recrystallization. And with increasing strain rate, the steady state flow characteristics appear, showing dynamic recovery.

Key words: 5182 aluminum alloy; warm tensile; flow stress; constitutive equation

为降低汽车的燃油消耗，世界各国都在研究汽车轻量化问题，而铝合金作为一种轻合金材料正在不断地被应用到汽车的设计和开发中^[1]。5000系铝合金属于Al-Mg系，目前已有几种特殊的5000系铝合金用作汽车内部面板，但其高昂的制造成本限制了其应用范围。因此，必须寻找5000系普通铝合金来代替，而5000系普通铝合金的成形性相对较低^[2]。因此，研究开发适用于汽车板料成形的5000系普通铝合金，具有重要的意义。

5182铝合金作为工业生产中广泛应用的一种合金材料，人们对其变形时的组织演变特征已进行较为深入研究^[3?4]，但对其温变形，尤其是温拉伸时的流变行为研究不多。金属温变形流变应力是变形体内部显微组织演变的综合反映，是表征金属塑性成形性能的最基本量，受合金化学成分、变形温度、变形程度以及应变速率等的影响^[5?6]。本文作者通过5182铝合金板单向温拉伸实验，研究变形温度、变形程度以及应变速率等条件对其成形性能的影响，建立该合金温拉伸时的应力—应变材料模型，为进一步开发5182铝合金的温成形工艺提供理论参考。

1  实验

本实验采用厚度为1.2 mm的退火态5182铝合金轧制板材，合金化学成分为(质量分数，%)：0.10 Si、0.22 Fe、0.03 Cu、0.24 Mn、4.33 Mg、0.2 Cr、0.01 Ni、0.03 Zn、0.0115 Ti、Al余量。

板材的生产工艺流程为：熔炼→铸造→锯切→铣面→均匀化→热轧(5.0 mm)→冷轧(1.2 mm) →退火(250 ℃、2 h)。

将板材沿轧制方向加工成标距为30 mm的标准试样，在Instron?8032电子拉伸实验机上进行温拉伸实验，变形温度为323~573 K，应变速率分别为0.001、0.01和0.1 /s。温度、位移和位移速度等变形条件由计算机系统自动控制，并采集真应力和真应变等数据。

2  结果与讨论

2.1  铝合金的真应力—真应变曲线

不同变形温度和应变速率下5182铝合金在拉伸变形中的真应力—真应变曲线如图1所示。由图1可知：合金在变形时，流变应力随应变的增加先迅速增大，当真应变ε超过一定值后，真应力σ随着应变量的继续增大呈现稳态流变阶段，然后合金发生断裂；在同一温度下，流变应力曲线随应变速率的增加而升高，但试样断裂时的真应变降低，如在温度为523 K、应变速率为0.01 /s时, 试样断裂时的真应变为0.27，而应变速率为0.1 /s时，真应变降低到0.24。这主要是因为随着应变速率的增大，单位时间内参加运动的位错增多，从而使合金应变硬化程度增加^[7?8]；在同一应变速率下，流变应力曲线随变形温度的升高而下降。在较低的应变速率下，当变形温度较高时，流变应力随应变的增加有所降低，表现出动态再结晶特征。

图1  5182铝合金温拉伸变形的真应力—真应变曲线

Fig.1  True stress—true strain curves of 5182 aluminum alloy at different temperatures and strain rates: (a) =0.001 /s;    (b) =0.01 /s; (c) =0.1 /s

2.2  温变形流变行为的数学模型

在综合考虑应变和应变速率对流变应力的影响时，材料在不同温度和应变速率条件下的单向拉伸曲线常用的Fields?Backofen方程表示为^[9?11]

由于进行铝合金板温拉深成形数值模拟时，需要提供不同温度下的流变应力模型，即确定不同温度下的应变硬化指数n值、应变速率敏感指数m值和强度系数C值^[12?13]，因此需通过曲线拟合的方法，导出5182铝合金在温变形条件下以温度T和应变速率为自变量的变形性能参数的连续性函数表达式。

1) n值的连续性函数

图2所示为应变硬化指数n随变形温度和应变速率的变化曲线，其横坐标为应变速率的自然对数。从图中可以看出：n值随着温度上升以及应变速率降低而发生下降。并且对于某一温度，n值和ln满足一定的线性关系，因此，n值可以表示为

图2  不同温度下n值与应变速率对数的关系

Fig.2 Relationships between n value and  at different temperatures

通过拟合曲线，分别得到了不同温度下的A₁值和B₁值，如表1所示。从表1可知，随着温度的变化，A₁值的波动很小，可以认为是定值，取其平均值0.007 32。

表1  A₁和B₁的拟合结果

Table 1  Calculated value of A₁ and B₁

图3  B₁值与温度倒数的关系

Fig.3  Relationship between B₁ value and 1/T

2) m值的连续性函数

m值的物理意义是金属材料成形过程中应变速率的变化对初始缩颈局部强化的影响程度^[13?14]。m值的增大表示强化程度加强，可使变形在别处发生，形成均匀变形从而推迟分散缩颈的出现。

根据等应变速率拉伸法^[14]可以计算出m值，结果如图4所示，通过计算机拟合得出m值跟温度存在立方曲线关系：

图4  m值与温度的关系

Fig.4  Relationship between m value and T

3) C值的连续性函数

利用材料模型(1)及n和m值可计算出C值。计算结果表明，对于同一应变速率，材料强度系数C值与温度存在线性关系，如图5所示，可以表示为

图5  不同应变速率下C值与温度的关系

Fig.5  Relationships between C value and T at different strain rates

表2  A₂和B₂的拟合结果

Table 2  Calculated values of A₂ and B₂

图6  B₂值与的关系

Fig.6  Relationship between B₂ value and

4) 模型的确定

综上所述，利用Fields?Backofen方程，并通过拟合应变硬化指数n值、应变速率敏感指数m值和强度系数C值，得到5182铝合金板材在温拉伸变形过程中的应力—应变本构方程，可表示为

2.3  模型计算结果与实验比较

根据材料模型所计算的曲线和实验得出的曲线进行比较，结果如图7和8所示。由图7和8可知，相同应变速率条件下(见图7)，对于较低温度的变形，在峰值应力之前的均匀变形阶段，计算曲线和实验曲线的走势和数值都比较接近，但随着温度升高，发生动态再结晶后的合金计算曲线和实验曲线误差逐渐增大；温度相同的条件下(见图8)，在峰值应力之前的均匀变形阶段，实验曲线和计算曲线的走势和数值都比较接近，但随着塑性变形的积累，材料进入失稳阶段，而且在变形后期5182铝合金的畸变能大幅度增加，发生动态回复，故误差逐渐增大。但就总体而言，本模拟所建立的流变应力模型是合适的，可以用于5182铝合金的温变形流变应力的预测和数值模拟。

图7  应变速率为0.01 /s时真应力的计算值与实验值比较

Fig.7  Comparisons of true strain between simulated values and experimented ones at =0.01 /s

图8 373 K时不同应变速率下的模型计算值与实验值的比较

Fig.8  Comparisons between simulated values and experiment values (T=373 K) under different strain rates

3  合金温变形的物理本质

5182铝合金温变形的流变行为与变形体内的位错组态密切相关，其塑性变形主要是以位错的运动和晶界滑移来实现的^{[4, 15]}。变形初期，位错密度逐渐增加，需要较高的能量来启动位错，流变应力达到峰值后，开始进入稳态变形，流变应力基本保持不变。此时合金变形过程中位错密度的增加和由动态回复引起的位错密度的减少之间达到动态平衡，加工过程中产生的硬化作用几乎被动态回复所引起的软化作用抵消，合金变形组织中的亚晶平均大小，亚晶间平均取向差以及平衡位错密度均保持基本不变。

随着变形温度的升高和应变速率的降低，原子的运动能力增强，位错的可动距离增大，又由于5182铝合金中含有较多的Mg元素能使合金的层错能降低，层错宽化，从而使合金发生动态再结晶，亚晶尺寸增大，流变应力降低。

4  结论

1) 5182铝合金温拉伸变形中发生明显的流变软化，在同一应变速率下，合金的流变应力随温度的升高而降低；而对于同一温度，应变速率较低时，合金的流变应力在达到峰值后逐渐下降，表现出动态再结晶特征；随着应变速率增加，合金的流变应力呈现出稳态，表现出动态回复特征。

2) 对Fields-Backofen方程进行修正，使系数n、m和C值都考虑温度及应变速率变化的影响，得出5182铝合金板材温拉伸时的本构方程，该模型在均匀变形阶段推导出的结果与实验结果比较吻合。

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基金项目：汽车车身先进设计制造国家重点实验室开放基金资助项目(2005-12)

收稿日期：2008-03-10；修订日期：2008-07-11

通讯作者：王孟君，教授，博士；电话：0731-8836408；E-mail: wmj1965@yahoo.com.cn

(编辑 龙怀中)