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1、HATERIALS SCIENCE &材料加工技术杂志89-90（1999） 19-23 “心i.i小门小加冷iim5083型铝镁合金板材在不同温度条件下的拉深性能及成型速度纳卡哲男a，*,吉田房人ba海洋技术学院，宇歌国立海洋技术大学，宇歌湖000号，宇歌町，爱智郡，爱媛县94-2593,日本b机械工程学系，广岛大学,1-4-1,镜山，东广岛739-8527，日本摘要对一细晶粒Al-Mg合金（5083-O）板材进行成型速度及温度对拉深性能产生影响的研究, 是通过在不同成型速度（0.2-500mm min-1）,模具温度为293-453K （模具是加热过的，而冲 头在试验时进行水冷）下进行圆筒
2、件拉深试验来实现的。为了检验这种 Al-Mg 合金板材的 机械性能，在大的应变率范围5.6X10-5-5.3X10S-1及273-523K之间的不同温度下同样能够 用单向拉伸试验进行。结果发现，极限拉深比LDR）主要随模具温度的升高而增加，因为 法兰收缩的变形抗力随温度升高而降低。 LDR 在所有温度下随成型速度增加而更低，由于 热凸缘（在法兰上）的流变应力随应变率的增加而增大，而且，冲头边缘的冷却部分延展性 变得更低。 1999 爱斯唯尔科学 S.A.出版社版权所有。关键词：Al-Mg合金；拉深；成型速度；温度；极限拉深比1.简介现今，交通工具的重量减轻受到了广泛关 注，因此高强度铝合金的产
3、量持续增加。特 别是铝-镁（Al-Mg）合金板材在汽车及造船 工业的广泛应用，可作为钢板及纤维强化塑 料（FRP）面板的替代，这是由于它们的优 越性能如高强度，应力腐蚀抗性及可焊性 1， 2。通讯作者。E-Mail： nakaship.yuge.ac.jp 0924-0136/99/$-看扉页1999爱斯唯尔S.A.科学出 版社版权所有PII： S0924-0136(99) 00057-6由于铝合金的压力成型性受到变形温度 及成型速度的强烈影响，因此在金属成型操 作中确定合适的温度及变形速度状态是很 重要的。虽然Al-Mg合金板材相较于传统材 料有着很多优势，但它们的成型性比钢板 低。而且在金
4、属成型工艺过程中，板材表面 延伸应变（st-st）痕频繁出现3, 4。显然, 不希望出现这样的st-st痕，因为它们会降低 成品质量如汽车外壳，而且它们有时还会导 致局部应变及断裂。因此，了解出现 st-st 痕的状态（应变率及温度）是非常重要的。已对 Al-Mg 合金的力学行为研究了三十 年。研究内容包括 st-st 痕的特征5，含镁 量对表面质量的影响6，及应变率和温度 对Al-Mg合金力学性能的影响3, 5, 7, 8。这些信息对于确定最佳温度及成型速度的 成型状态相当重要。在当前的工作中,圆筒件拉深试验是针对 细晶粒的Al-Mg合金板材（5083-O）在不同 成型速度（0.2-500
5、mm min-1）及不同试验温 度298-453K（试验过程中加热法兰凸缘而冲 头水冷）而进行的。拉深时,毛坯的冲头负 荷（主要由法兰收缩时的变形抗力造成）在 到达冲角附近的断裂强度时会产生裂隙。因 此，为了探讨在LDR上温度和速度对成型的 影响,必须了解在各种温度和应变率条件下 铝合金的变形特性。为此,需在广泛的应变 率（5.6X10-5-5.3X10-1 s-i ）和不同的温度 下（173-523K）进行铝镁合金板材的单向拉 伸试验。在上述试验的基础上,对成型速度 和温度对极限拉伸比（LDR）的影响进行探 讨。表1试样的化学成分（wt%）硅铁铜猛镁锯锌钛0.040.04Tr0.644.58
6、0.11Tr0.012试验试验用1mm的铝镁合金板材（日本标准 JIS-A5083P-O）。板材的化学成分见表1。2.1单向拉伸试验单向拉伸试验利用JIS-13B试样（60 X 12.5mm平行部分）在静态到动态的广泛变 形率范围内的变形条件（5.56X105, 5.56 X 10-4, 5.56X 10-3,和5.56X 10% 1 在英斯特 朗型（螺杆驱动）机上；5.28X10-1 s-1在飞 轮驱动机上；52.9s-1在落锤式试验机上）。 试验温度为293K, 353K, 423K, 473K和 523K。2.2圆筒件拉深试验毛坯的直径为介于74.5mm （拉伸比，DR=2.07）至18
7、5.5mm （DR=2.38）之间（见 图1）。圆筒拉深试验设备示意图如图1。该 平面凹凸模腔的直径分别为36mm和40mm, 而圆角半径为4mm （见图1）。冲头负荷图1 拉深试验设备示意图在298K, 353K, 423K, 453K的温度下， 利用英斯特朗型（螺杆驱动）机产生不同的 速度（0.2-500mm min-1）进行圆筒件拉深试 验。冲头在高温工作利用水冷却。每个试验 前要清洗毛坯表面和冲头。使用丙酮油仔细 地擦拭毛坯表面和冲头,而对于毛坯与压边 和模具的接触面应涂上蜡类润滑剂。给一个 最低限度的力作为初始压边力,可以有效防 止毛坯褶皱。由于该设备可以使毛坯和模具 间的间隙保持不
8、变,所以在试验过程中压边 力是不断变化的。3. 结果及讨论3.1. 单向拉伸试验时的变形特性图2 （a） - （f）展示了在不同温度和应变 率下的应力-应变曲线（公称应力和公称应 变）。流变应力随温度减小,除了在特定试 验条件（特定的温度和应变率）下应力-应 变曲线为锯齿状（反复屈服）。图3显示了 应变率对不同温度下的拉深强度的影响。应 变率对流变应力.）的依赖性在较 高温度时更为显著，因为动态回复可能在较 高温度时产生。臣工)公怖应力350 r1 523K公称应变(d)(售)公称应力350 r00.10.2 0-30-40 50-6公称应变-3S3K.5,56x10 3373K/-、好3K艺
9、,r-;_473K)ki _ .K匚、7 723;:1.111M1 1，:1 0.10.30.30-40 5公称应变記匡心翟力0 *0.10203 OH 0.506公称应变(0总邕必秫駁力图2 5083-O镁铝合金板材在不用温度和应变率下的应力-应变曲线图4给出了断裂伸长率在各种温度下对 于应变率的函数。在低应变率的条件下断裂 伸长率随温度变化相当大。与此相反，在高应变率（在图4中二10-1 一 10-2 s-i）下断 裂伸长率变低，而且不随温度发生太大变 化。温度和应变率对拉伸延展性的依赖可定 义为在随着温度的上升和应变率的下降应变率敏感指数（m值方程 = C n m）会越来越大。例如，在4
10、73K, 二 10-5 -10-4 s -i的应变率，m=0.10,但是在二10-1 一 10s-1 的应变率时，m=0.016。可以看出，温度和 应变率对拉伸延展性的依赖可用对应的m 值表示。高拉伸延展性出现在高m值的情况 下，因为局部颈缩现象很可能发生在高应变 率敏感性的部位9。在高应变率下这种材图3 不同温度下应变率对拉伸强度的影响223K293K353K373K斗23 K473K523K573K623K1 0 s 104 1 03 1 0? 1 01 1 1 0 10? 应变率(secj图5 出现表面延伸应变温度和应变率的条件料产生低拉伸延展性的部分原因是由于温 度上升导致塑性变形而引
11、起的材料软化使 得局部应变加速。在特定的温度和应变率下进行试验时可 以在试样表面上发现延伸应变痕。St-St痕的 形成是由于动态应变时效诱发的非均匀塑 性变形的结果（波特万-李查特列效应）， 这个过程拥有锯齿状应力-应变曲线的特 点。在图5中，一定应变率和温度下表面延 伸应变痕的出现由温度-应变率图中的阴影 区域展示。在足够高的温度和低应变率下， 溶质镁可在位错运动时反复锁定位错，结果 动态时效很有可能发生。另一方面，在高应 变率时，位错移动很迅速，溶质不能很好地 锁定位错。这就是为什么表面延伸应变痕只 出现在特定的温度和应变率区间。3.2. 拉深性能研究结果发现，拉深性能很大程度取决于 模具
12、的温度及成型速度。LDR在不同温度下 随着成型速度的变化如图6所示。LDR随着 成型速度的增加而减小，与钢板的情况正好 相反10, 11。LDR随着模具温度的增加而 显著增加，除了在353K的情况下，该LDR 在所有试验中是最低的。拉深时，毛坯的冲 头载荷（主要由法兰收缩时的变形抗力造 成）在到达冲角附近的断裂强度时会产生裂 纹。记住这一点，就可以解释温度和成型速 度如何在上述的（3.1节）变形特性下对LDR 造成影响：1. LDR随着模具温度升高而显著增加 （除了353K的情况），因为法兰的变形阻力随着温度而迅速下降。2. 在温度达到353K时由于显著的动态 应变时效LDR达到最低值（可发现
13、在此温度 下进行的单向拉伸试验得到的应力-应变曲 线图成锯齿状）。3. LDR随着成型速度的增加而减小。出 现这种现象的原因之一是毛坯（水冷）沿着 冲角部分的延展性随着应变率增加而降低24 11图4 不同温度下应变率对断裂伸长率的影响1 10 100冲压速度(mm-min1)1000图6 不同模具温度下冲压速度对极限拉深比的影 响图7 不同模具温度下最大冲压负荷与冲压速度的关系nuL冲头:： ：、*、* 2、 my r、 二:心：1：二：心：!；：! S-. :.:毛坯图8 材料深冲速度要素示意图u r ，得出flgpunch法兰变形几乎是在平面应变，有效塑性应变率s flg是由以下公式表示:
14、punch（见图4）。此外，当温度达到423K以上时， 其发生主要由于随着成型速度增加法兰毛 坯内应力也不断增加（0.2-500mm min-1的冲 压速度在凸缘上形成10-410-1的塑性应变 率，见附录A）。最大冲压负荷（拉力）与不同温度下的成 型速度两者的关系详见图7。通过此图可以 发现，当冲压速度大于100mm min-1时，在 任意模具温度下冲压负荷几乎相等。这表 明，毛坯沿着冲角部分在试验期间受到充分 冷却。与此相反，当冲压速度小于100mm min-1时，冲压负荷随着模具温度而略有下 降。在这样低的冲压速度下，冲压角周围的 部分毛坯似乎被加热，结果在试验中发生软 化。如果毛坯经过足够冷却，在高模具温度 时（423K-453K）的LDR应该优于试验结果。相较于单向拉伸试验，表面延伸应变痕迹 在拉弯时是不可见的，而在特定的试验条件 下还是能在冲压负荷传播曲线上发现锯齿。这表明，表面延伸应变痕迹不可能出现在双 向轴向应力条件下。4.结束语研究试验进行了在各种速度（0.2-500mm min-1）和模具温度（293K453K）下温度 和成型速度对于铝镁合金（5083-0）板材拉 深性能的影响。作者们解释说，LDR随着温 度、成型速度而发生的变化，与铝合金
