孙黎明;田妮;丛福官;王凤春
【摘 要】采用单向拉伸试验研究了自然时效态及低温人工时效态6016铝合金薄板的基本成形性参数,以此为基础,定义并计算了连续应变硬化指数nx和瞬时应变硬化指数ns.结果发现6016铝合金薄板的连续应变硬化指数先增大后趋于稳定,k与应变ε符合Sweibull2函数关系,瞬时应变硬化指数先增大后降低,ns与应变ε符合Explinear函数关系.
【期刊名称】《轻合金加工技术》
【年(卷),期】2014(042)011
【总页数】6页(P15-20)
【关键词】6016铝合金;薄板;时效;应变硬化指数
【作 者】孙黎明;田妮;丛福官;王凤春
【作者单位】东北轻合金有限责任公司,黑龙江哈尔滨150060;东北大学材料各向异性与织构教育部重点实验室,辽宁沈阳110004;东北轻合金有限责任公司,黑龙江哈尔滨150060;东北轻合金有限责任公司,黑龙江哈尔滨150060
【正文语种】中 文
【中图分类】TG146.21
用6×××系铝合金板材替代传统低碳钢板是实现汽车轻量化的有效途径之一，但该系合金的成形性问题阻碍了其在汽车工业中的应用。应变硬化指数n值是评价车身用低碳钢板成形性优劣的重要指标，n值越大则低碳钢板的成形性越好，已有的研究表明这一规律并不完全适用于铝合金板材［1-3］。另有研究［4-6］表明，应变硬化指数n值受塑性变形程度、变形加载路径等宏观因素及合金微观组织、位错组态等微观因素的影响，因此科研人员不断尝试建立应变硬化指数n值与强度、屈强比、应变量等参数之间的关系［4，7-12］。虽然已有铝合金板材应变硬化指数与应变之间关系的描述［8-9］，但均未提出二者之间明确的数学关系。
本文对汽车车身用6016铝合金薄板进行自然时效或低温人工时效处理，采用单向拉伸试验获得不同时效状态下该合金板材的基本成形性数据，利用Origin软件分析6016铝合金薄板塑性变形过程中n值与应变之间的数学关系，为汽车车身用铝合金板材成形性的理论研究作进一步的补充。
1 试验方法
试验所用材料为0.8 mm厚汽车车身用6016铝合金板材，化学成分如表1所示。拉伸试样尺寸如图1所示，取样方向平行于轧制方向。固溶淬火(540℃10 min、室温水淬)后的试样分别进行自然时效和低温人工时效处理，时效制度如表2所示。单向拉伸试验在岛津AG-X100kN型电子万能试验机上完成，测试自然时效态、低温人工时效态6016铝合金薄板的力学性能，并根据采集的应力应变数据计算该合金板材不同状态下的n值，拉伸速度为4 mm/min。
表1 试验材料化学成分(质量分数/%)Tab.1 Compositions of the test material(wt/%)Si Fe Cu Mn Mg Ti Al 1.00 0.19 0.140 0.050 0.420 0.020余量
图1 拉伸试样尺寸Fig.1 Dimensions of the specimen for the tensile test
表2 时效制度Tab.2 Aging treatment时效温度 时效时间室温(20℃) 2 h、4 h、12 h、24 h、15 d 40℃、60℃、75℃ 1 h、4 h、8 h、12 h、24 h
汽车指数采用式(1)，即最小二乘法，计算该合金板材的应变硬化指数n值。
式中:
N—样本个数;
εi—计算应变点所对应的瞬时真应变;
σi—计算应变点所对应的瞬时真应力。
根据 GB/T 5028—2008，N≥5，本试验中取N=10。
为了研究铝合金薄板在整个均匀塑性变形过程中的应变硬化行为，试验定义了两种n值:①以屈服点(ε=0.2%)为起点，超过屈服点的任意点为终点，该范围内板材的n值称为连续应变硬化指数，记作ncε，ε 代表应变水平，如nc20表示 ε=0.2%～20%范围内板材的应变硬化指数;②取均匀塑性变形范围内的任意点为基点，该点±10%应变范围内板材的n值称为瞬时应变
硬化指数，记为nsε，如ns5表示ε=4.5%～5.5%范围内板材的应变硬化指数。nc每隔0.5%的应变量进行一次计算直至应变量达到20%，ns按表3所示的基点进行计算，从而保证计算范围的连续性并尽可能包含整个均匀塑性变形范围。
表3 ns计算应变点范围Tab.3 The range of strain for ns应变点/% 范围下限 范围上限0.30 0.27 0.33 0.50 0.45 0.55 1.00 0.90 1.10 1.50 1.35 1.65 2.00 1.80 2.20 2.50 2.25 2.75 3.50 3.15 3.85 4.50 4.05 4.95 5.50 4.95 6.05 7.00 6.30 7.70 9.00 8.10 9.90 11.00 9.90 12.10 13.50 12.15 14.85 16.50 14.85 18.15 20.00 18.00 22.00
2 试验结果
2.1 自然时效态6016铝合金薄板力学性能及n值与应变的关系
表4为单向拉伸试验测试得到的自然时效态6016铝合金薄板的力学性能。可以看出，随着自然时效时间的延长，板材强度显著上升，n值则不断下降，伸长率无明显变化。
表4 6016铝合金板材拉伸试验结果Tab.4 Tensile properties of 6016 aluminum sheet自然时效时效/h屈服强度N/mm2抗拉强度N/mm2均匀伸长率/%总伸长率% n值2 86.873 200.595 18.
23 23.82 0.260 4 90.648 206.545 20.70 25.70 0.255 12 101.197 219.917 22.67 25.12 0.247 24 108.841 224.697 23.00 25.98 0.236 15 123.637 277.377 21.44 26.60 0.223
图2为自然时效态6016铝合金薄板的连续应变硬化指数nc、瞬时应变硬化指数ns值随应变的变化规律。可以看出:经2 h和4 h自然时效，nc和ns在应变量超过7%后有所波动，出现这一现象的原因是随着应变量的增大，基体中的空位浓度达到可以使溶质原子在位错周围迅速偏聚的水平，从而发生了动态应变时效［13］;随时效时间的延长，nc、ns整体水平降低;应变初期，nc、ns均迅速增大;应变量大于7%后，nc上升缓慢并最终趋于稳定，ns则缓慢降低。
图2 自然时效后板材的nc、ns与时效时间、应变量的关系Fig.2 ncand nsof the sheet after natural aging corresponding to aging time and strain
2.2 低温人工时效态6016铝合金薄板性能及n值与应变的关系
图3为低温人工时效处理后6016铝合金薄板的力学性能。可以看出，低温人工时效后试样的强度和伸长率仅在较小范围内波动。
图3 不同人工时效状态6016铝合金板材的性能Fig.3 Properties of 6016 aluminum alloy sheet
after different aging treatments
图4、图5分别为低温人工时效处理后6016铝合金薄板的nc-ε、ns-ε关系曲线。可见低温人工时效处理后板材的nc、ns随应变的变化趋势与自然时效状态下的相同。这与自然时效及低温人工时效状态下6016铝合金的塑性变形特点有关，尺寸细小的析出相被位错切割后强化作用不再明显，但位错与晶界、第二相以及位错之间的相互作用增大了对位错运动的阻碍作用，因此低变形量时，板材的nc和ns均随应变的增大而迅速提高，随变形继续增大，出现了导致板材硬化能力下降的因素，如刃型位错的攀移、螺型位错的交滑移，表现为瞬时应变硬化指数的下降。
图4 不同低温人工时效态6016铝合金板材的nc值Fig.4 ncof the 6016 aluminum sheet after different artificial aging treatments at low temperatures
图5 低温人工时效态铝合金板材的ns值Fig.5 nsof the 6016 aluminum sheet after different artificial aging treatments at low temperatures
2.3 应变硬化指数n值的拟合
基于不同时效状态板材的nc和ns与应变之间的关系所表现出的一致性，分别对nc和ns进行拟合。图6和表5、表6为6016铝合金薄板nc、ns与应变关系的拟合结果。其中，nc与应变之间的关系符合Sweibull2函数，ns与应变之间的关系符合ExpLinear函数。Sweibull2函数见式(3)，ExpLinear函数见式(4)。
图6 6016-T4铝合金薄板nc、ns拟合Fig.6 Non-linear curve fitting of ncand nsof 6016-T4 aluminum alloy sheet
表5 6016铝合金薄板nc曲线拟合参数Tab.5 Parameters of non-linear curve fitting of ncof 6016 aluminum sheet状态 a b d k Correlation R2 T4 0.22592 0.09158 0.99362 0.23404 0.99996 0.99993
由Hollomon公式σ=kεn可知应变硬化指数n为真应力-真应变曲线上某一点处切线的斜率。为了验证实验所定义的瞬时应变硬化指数ns能否真实地反应不同应变点板材的硬化能力，根据单向拉伸试验采集的数据，利用Origin软件构建真应力-真应变曲线，见图7a;对其进行微分处理，随后以工程应变替换真应变，并与瞬时应变硬化指数ns结果对比，如图7b所示。可以看出，采用±10%的计算范围可以充分反映板材的瞬时硬化能力。
表6 6016铝合金薄板ns曲线拟合参数Tab.6 Parameters of non-linear curve fitting of nsof 6016 aluminum sheet状态 P1 P2 P3 P4 Correlation R2 T4 -0.33705 2.63906 0.3935 -0.00808 0.99817 0.99634
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