5A06-O铝镁合金板材差温拉深凸耳行为研究

Study on the lug behavior of 5A06-O aluminum-magnesium alloy sheet with differential temperature deep-drawing

摘要

采用单向热拉伸试验测定了5A06-O铝镁合金在温热条件下（150~275 ℃）的流变应力曲线及厚向异性系数，通过扫描电镜对不同温度下单向拉伸试样颈缩断裂处的断口进行形貌观察分析。通过差温拉深试验研究了5A06-O铝镁合金在温热条件下的凸耳形成及演变规律。结果表明，拉深件的凸耳出现在与轧制方向成45°方向处，且平均凸耳率随着成形温度的升高先降低后增大，在250 ℃差温拉深条件下平均凸耳率最小，这与平面各向异性系数∆r有密切关系；在150、200、275 ℃，平均凸耳率随拉深比的增大呈现先增大后减小的趋势，而在250 ℃平均凸耳率随着拉深比的增大而增大；拉深件45°方向的减薄率与增厚率明显低于0°及90°方向，其原因在于该方向有着最大的塑性应变比r；250 ℃成形的零件三个方向均有着最低的减薄率与增厚率，壁厚分布最为均匀，其原因在于该温度有着最大的平均塑性应变比\overline{r}。成形速度对5A06-O铝镁合金的成形性能有着显著影响，在室温及温热条件宜采用较快的拉深速度，本试验中5 mm/s为最佳，但随着拉深速度的增加，平均凸耳率呈现上升趋势。

Abstract

The rheological stress curves and thickness anisotropy coefficients of 5A06-O aluminum-magnesium alloy under warm and hot conditions (150~275 ℃) were measured by unidirectional hot tensile test, and the morphology of the necking fracture of unidirectional tensile specimens at different temperatures was observed and analyzed by scanning electron microscopy. The formation and evolution of lugs of 5A06-O aluminum-magnesium alloy under warm and hot conditions were investigated by differential temperature deep-drawing tests. The results show that the protrusions of deep drawn parts appear at a 45° angle to the rolling direction, and the average protrusion rate first decreases and then increases with the increase of forming temperature. Under the condition of 250 ℃ differential temperature deep drawing, the average protrusion rate is the smallest, which is closely related to the plane anisotropy coefficient ∆r; At 150 ℃, 200 ℃, and 275 ℃, the average protrusion rate shows a trend of first increasing and then decreasing with the increase of drawing ratio, while at 250 ℃, the average protrusion rate increases with the increase of drawing ratio; The thinning and thickening rates in the 45° direction of deep drawn parts are significantly lower than those in the 0° and 90° directions, due to the maximum plastic strain ratio r in this direction. The parts formed at 250 ℃ have the lowest thinning and thickening rates in all three directions, and the wall thickness distribution is the most uniform. This is because this temperature has the highest average plastic strain ratio \overline{r}. The forming speed has a significant impact on the formability of 5A06-O aluminum magnesium alloy. It is advisable to use a faster drawing speed at room temperature and under warm conditions, with 5 mm/s being the optimal. However, with the increase of drawing speed, the average protrusion rate shows an upward trend.

Graphical abstract

关键词

5A06-O铝镁合金 / 高温拉伸 / 塑性应变比 / 温成形 / 凸耳 / 成形速度

Key words

5A06-O aluminum magnesium alloy / high temperature elongation / plastic strain ratio / warm forming / lug / forming speed

随着汽车、航空、航天等领域零部件的轻量化需要，以铝镁合金为代表的轻质合金材料受到了广泛关注，但是其在室温下成形性能和强度性能相对较差，难以成形复杂零件或者高强度的结构零件，成为制约铝镁合金发展的主要因素。有研究表明，采用温热成形能够显著改善铝镁合金的成形性能，温热成形的加热温度介于室温与再结晶温度之间，兼具冷、热成形的优点，目前已经成为铝镁合金塑性成形的主要发展方向之一^[1-2]。然而在温热拉深成形的过程中，由于板材各向异性的影响，拉深件的壁厚分布出现不均匀现象，并且在筒壁边缘处出现凸耳。凸耳是一种成形工艺缺陷，必须通过修边工艺去除，降低了生产效率^[3-5]。因此，研究铝镁合金温热拉深中的凸耳现象有着重要意义。

至今已有部分学者对拉深成形中的各向异性现象进行了研究。Jianjun等^[6]研究了TA2M钛合金板料在拉深成形中材料的各向异性分布规律，通过优化毛坯形状，避免了凸耳的产生。Tang等^[7]研究确定了AA5086铝合金在室温及温热条件下的各向异性参数，并采用Barlat’91屈服准则对筒形件制耳进行了数值模拟，模拟结果准确预测了制耳出现的位置及数量，与试验结果相比，仅在制耳高度上略有差异。孙营等^[4]通过实验研究了ZK60镁合金板材拉深成形过程中凸耳的形成及演变规律。王连轩等^[8]研究了不同的轧制方向对AZ31镁合金机械性能及拉深件凸耳的影响。然而，对于铝镁合金在温热成形过程中各向异性的研究，国内外研究甚少。

本文以5A06-O铝镁合金为研究对象，通过单向热拉伸试验测定了5A06-O铝镁合金板材在温热条件下的流变应力曲线及各向异性参数，通过透射电镜观察了不同拉伸温度下的断口形貌。通过差温拉深试验研究了成形温度、拉深比及成形速度对凸耳的形成及演变规律的影响。

1 试验方法

1.1 单向拉伸试验

试验采用厚度为0.8 mm的5A06-O态铝合金板材，单向拉伸试样按照GB/T 2039—1997进行设计，将试验用材按与轧制方向分别为0°、45°和90°方向加工成如图1所示的形状和尺寸。本次单向拉伸试验所用试样区别于GB/T 228.2—2015与GB/T 4338—2006中推荐的高温拉伸试样，拉伸时，试样两侧凸台卡入夹具内置的凹槽中，并将引伸计固定在夹具两侧的拉杆上，该方法可以控制试样在高温下的变形量，从而实现板料厚向异性系数r值与流变应力曲线的测定。然而由于试样两侧存在凸台，导致在拉伸过程中试样上方凸台处易产生应力集中，因此这种方法测定的应力-应变曲线在颈缩点之前较为准确。拉伸试验在WDW-100G微机控制高温电子万能试验机进行，如图2所示。拉伸机型号为YBC50-25，标距50 mm，最大变形量25 mm。拉伸温度T分别设定为25、150、200、250、275 ℃，应变速率\dot{\epsilon }为10^-3 s^-1。到达设定温度后，均保温15 min，以保证试样各部温度均匀一致。

图3为拉伸试样装夹示意图。由于试样较薄，为保证试验精度，测量时同时装夹两根试样进行拉伸，对其数据取平均值。

1.2 SEM断口形貌和组织分析

采用拉伸机对未开裂区域进行人工拉断，并保护断口形貌，取样后对其进行超声清洗，去除断口附近的污染物。采用S-4800冷场发射环境扫描电镜对不同温度下单向拉伸试样颈缩断裂处的断口进行形貌观察和分析，判断其断裂类型和变形能力，研究不同温度下5A06-O铝镁合金板材成形过程中破裂方式的不同。

1.3 热拉深试验

在之前的研究中发现，对于5A06-O铝镁合金，差温拉深对极限拉深比的提升显著高于等温拉深，因此对于本研究中的拉深行为，皆采用差温拉深的方式，加热温度与单向热拉伸试验相同，差温拉深模具工作部分参数见图4。

试验在如图5所示的试验装置上进行。试验采用定间隙拉深，压边间隙是板料厚度的1.1倍，即压边间隙为0.88 mm。润滑剂采用干性石墨，试验前均匀涂敷在板料上下表面并放入干燥箱干燥。首先将凹模和压料板放入加热炉内缓慢升温至需要温度，且加热时长能保证模具整体温度均匀。取出模具，将板料毛坯放入凹模定位环内，快速锁紧压料板，继续将模具放入加热炉内保温15 min，凸模不进行加热。保温结束后将模具快速移动到伺服压力机上，安装好凸模后压力机横梁下行，以设定的速度完成冲压，压力机下行速度设定为5 mm/s，压力机回程后打开模具取出成形件，凹模和压料板重新放入加热炉，一个试验流程结束。图6为差温拉深试验流程示意图。

2 试验结果与分析

2.1 应力应变曲线

图7((a)~(e))为5A06-O铝镁合金以10^-3 s^-1应变速率在三个方向上的试样进行单向拉伸试验得到的真实应力应变曲线，温度分别为25、150、200、250、275 ℃。可以看出，材料的流变行为和变形温度及板料轧制方向有关，随着温度的升高，屈服应力与断裂强度明显降低。当温度超过250 ℃后，材料的软化效果加强，加工硬化效果逐渐降低。图7(f)为150~275 ℃三个方向拉伸试样屈服应力关系，可以看到0°试样的屈服强度最高，45°次之，90°最低。

2.2 5A06-O铝镁合金各向异性

5A06-O铝镁合金在不同温度下产生20%塑性应变试样如图8所示。

塑性应变的厚向异性系数r值如表1所示。可以看出，45°方向的r值明显高于0°和90°方向，这是由于在45°方向产生较大的宽度方向应变造成的。在150~250 ℃温度范围内，随着温度的升高，r值在各个方向均有着不同程度的增大，但当温度继续升高至275 ℃，r值出现下降。

2.3 断口形貌分析

图9显示了5A06-O铝镁合金试样在不同温度下进行单轴拉伸试验时断口的SEM形貌。从图9中可以看出，当拉伸温度大于150 ℃时，5A06-O铝镁合金的断裂特征是混合的，但以穿晶断裂为主，在温热成形条件下，断裂表面有更多的韧性韧窝，表明5A06-O镁铝合金在大于150 ℃的条件下具有良好的塑性。从横截面上的韧性韧窝数量来看，在一定温度范围内，韧性韧窝的数量随着温度的升高而增加，表明5A06-O铝镁合金在该温度范围内的塑性变形能力随着温度的增加而增加。当成形温度为275 ℃时，拉伸断裂试样断裂表面上的韧性凹坑的数量显著减少，表明材料在该温度下的可成形性降低。从图9中还可以看出，5A06-O铝镁合金在150 ℃单轴拉伸时，其断口表现出混合断裂特征，但以穿晶断裂为主，基体表现出较强的塑性变形能力，横截面上第二相颗粒分布不均，数量相对较少。与150 ℃相比，175 ℃下断口上韧性韧窝的密度显著增加，晶界处可见清晰的第二相粒子。在200 ℃时，出现最大数量的凹坑，表明塑性进一步提高。在275 ℃时，凹坑的韧性降低，与175 ℃时的断裂表面相比，晶界变得模糊，第二相粒子变得越来越少，此时，由于材料加热温度的升高，晶界发生熔化。

2.4 差温拉深行为

2.4.1 成形温度对凸耳的影响

图10((a)~(e))分别表示25、150、200、250、275 ℃时拉深件(DR=2.06)筒高分布情况。从图中可以看出，凸耳出现在沿轧制方向呈45°方向处。说明凸耳的形成方向与平面各向异性系数∆r有关^[9-10]。当时，凸耳出现在45°方向^[4]。图10(f)为筒形件平均凸耳率与成形温度的关系。平均凸耳率Z为

Z=\left\{\frac{{\displaystyle \sum _i^n}\left(\frac{h_{i\_\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-h_{i\_\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}{h_{i\_\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}\right)}{n}\right\}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}(1)

式中，h_{i\_\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}为某一指定方向上的凸耳峰高，h_{i\_\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}为某一指定方向上的凸耳谷高，n为凸耳数量。

从图10(f)可以看出，在150~275 ℃温度范围内，随着温度的升高，平均凸耳率均呈现先减小后增加的变化趋势，且在250 ℃有着最低的平均凸耳率，由表1可知，这是由于5A06-O铝镁合金∆\mathrm{r}值的绝对值在250 ℃为最低^[11]。总体而言，平均凸耳率随温度的变化情况与∆r值随温度的变化成正相关。

2.4.2 拉深比对差温拉深凸耳的影响

图11((a)~(d))为150~275 ℃各温度差温拉深件平均凸耳率与拉深比的关系。可以看出，平均凸耳率与拉深比之间并不存在线性关系，在150、200、275 ℃，平均凸耳率都随着拉深比的增加呈现先增大后减小的变化趋势，这是由于在这三个温度成形时，平均凸耳峰高与平均凸耳谷高均随着拉深比的增加而增大，但是平均凸耳谷高的增长率小于平均凸耳峰高的增长率^[4]。而在250 ℃时，平均凸耳率随着拉深比的增大逐渐上升，但当拉深比超过2.53时，平均凸耳率随着拉深比的增大而迅速增加，原因在于此温度三个方向r值相差不大，拉深过程中筒形件的直径保持不变，随着板料直径增大，拉深后筒形件的高度增加，不同方向板料积累量的差值变大，凸耳峰部和谷部的高度差也相应增大，凸耳率上升^[11]。

图12为试验得到的不同拉深比的筒形件。上述现象表明5A06-O铝镁合金板厚方向的各向异性系数与平面方向的各向异性系数是与板料加工硬化程度和成形温度相关的变量。

2.4.3 成形温度对拉深件壁厚分布的影响

图13((a)~(f))分别为25、150、200、250、275 ℃差温拉深成形零件三个方向的壁厚分布图及各温度的最大减薄率。可以看出，成形零件在凸模圆角与筒直壁的交界处发生减薄最为严重，而45°方向的最大减薄量明显低于0°及90°方向。同样，筒壁边缘区45°方向的增厚量也明显低于0°及90°方向，这与5A06-O铝镁合金在45°方向有着最大的塑性应变比r值有关^[12]。随着温度由室温升高至250 ℃，成形零件的减薄与增厚情况得到改善，零件壁厚趋于均匀，这是由于随着温度的升高，板厚方向的各向异性值\overline{r}值增大，厚度方向不容易发生变形，有利于拉深成形。而在275 ℃成形的零件，其圆角部位的减薄相比250 ℃有所增加。

2.4.4 成形速度对拉深件成形性能的影响

在室温、DR=2.06条件下，分别以1、3、5 mm/s的速度对Φ35 mm试样进行拉深，其结果如图14所示。当拉深速度为1 mm/s时，筒形件的法兰区域产生了拉裂，而当速度为3 mm/s及5 mm/s时，试样能完全成形。对于多数铝镁合金，随着拉深速度的增加，其成形能力降低^[13]，然而5A06-O铝镁合金室温变形时会产生PLC效应，并且随着应变速率的增加，PLC效应显著减弱，有利于拉深成形^[14]。

图15为25~275 ℃三种拉深速度的极限拉深比，可以看出，在150~250 ℃，随着成形温度的升高，拉深速度对5A06-O板材成形性能的影响逐渐增大，在250 ℃时，当拉深速度从1 mm/s增加到5 mm/s，拉深比增加了0.176。根据郎利辉等测定的5A06-O铝镁合金力学性能参数可知^[14]，在25~300 ℃温度范围内，应变强化指数n值随着温度的升高而降低，但在温度一定时，随着应变速率的增大，n值增大，应变强化效应加强，并且随着温度的升高，应变速率敏感系数不断增大，材料的均匀变形能力增强^[15]。另外对于本试验中的差温成形，拉深时凸模初始为室温，其温度远低于毛坯及其余模具温度，当拉深速度较低时，成形所需时间较长，凸模与板料之间热量传递增多，凸模温度升高，差温效果下降，因此拉深速度越低，成形能力越差。而拉深速度较快时，凸模与板料接触的时间较短，板料与凸模之间依然存在较大的温差，有利于在板料径向产生梯度的温度分布，对于差温成形是有益的^[16-21]。当成形温度达到275 ℃，由于5A06-O铝镁合金相结构发生转变，三种拉深速度的极限拉深比相同。

2.4.5 成形速度对拉深件凸耳的影响

图16((a)~(d))为在150 ℃、DR=2.06时三种拉深速度成形筒形件的筒高分布情况。可以看出拉深速度的变化对凸耳形成的位置并未产生影响，三种拉深速度成形的筒形件凸耳均出现在与轧制方向成45°方向处。从图16(d)可以看出随着拉深速度的增加，平均凸耳率呈现上升趋势，这主要是由于当拉深速度较低时，材料流动较为缓慢，在筒形件边缘处能够形成均匀的形状。而当拉深速度增大时，材料流动迅速，加之在150 ℃时不同轧制方向的塑性应变比差别较大，因此在筒壁边缘处的高度差异就会被放大，导致平均凸耳率的升高。

3 结论

1) 5A06-O铝镁合金的厚向异性系数随着温度的升高先增大后减小，并在250 ℃取得了最大值，其平面各向异性系数，因此凸耳出现在筒形件45°方向，从断口形貌也可以看出，随着温度升高，成形性能逐渐提升。

2) 150~275 ℃温度范围内，平均凸耳率随着温度的升高先增大后减小，并在250 ℃有着最低的平均凸耳率。在150、200、275 ℃，平均凸耳率随着拉深比的增大呈现先增大后减小的规律，而在250 ℃，平均凸耳率随着拉深比的增大而增大。成形速度对5A06-O铝镁合金的成形性能有着显著影响，在室温及温热条件宜采用较快的拉深速度，以本试验中的5 mm/s为最佳，但随着拉深速度的增加，平均凸耳率呈现上升趋势。

3) 拉深件减薄最严重的地方发生在凸模圆角部位和筒壁传力区，增厚最严重的位置发生在筒壁边缘区。250 ℃成形的零件三个方向壁厚的分布最为均匀，有着最低的减薄率与增厚率，这与该温度下有着最大的r值有关。

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基金资助

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