基于材料微观组织演变的铝合金本构模型研究.pdf

冶金与材料第 44 卷基于材料微观组织演变的铝合金本构模型研究李容容1，李世康1，2，郭宇1，2，余长柏1，袁建东1（1.湖州学院 智能制造学院，浙江 湖州313000；2.湖州学院 湖州市绿色能源材料与电池梯次利用重点实验室，浙江 湖州313000）冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 44 卷 第 1 期2024 年 1 月Vol.44 No.1Jan.2024摘要：文章在 Gleeble-1500 热模拟实验机上通过轴对称等温压缩实验得到 6061 铝合金的真实应力-应变曲线，研究了该合金高温变形时的流变力学行为。以位错密度、晶粒尺寸及再结晶分数为内变量构建基于材料微观组织变化的 6061 铝合金流变应力本构模型，通过参数反求方法求解了高温流变应力本构参数。结果显示该模型能够准确描述 6061 铝合金在热变形过程中发生的加工硬化及动态回复、动态再结晶现象，能够准确预测材料晶粒尺寸变化以及微观组织的再结晶体积分数。关键词：微观组织；本构模型；参数反求基金项目：国家级大学生创新训练计划项目（202213287002），湖州市科技计划项目（2021YZ19）。作者简介：李容容（2000），女，广西贵港人，主要研究方向：塑性成形。通讯作者：李世康（1986），男，河南兰考人，主要研究方向：金属塑性加工。Al-Mg-Si 系可热处理强化铝合金咱1暂，由于具有成型性好、耐蚀性强、中等强度等特点，近年来在汽车领域的应用比重不断上升，成为交通工具轻量化、现代化的有效途径。通过高温变形实验，研究铝合金在一定变形温度、变形速度和变形程度范围内材料流变应力行为的特点及其显微组织的演变规律，了解其热变形性能的影响因素，对控制铝合金热加工制品的组织与性能，制定最优化的工艺方案以及优化模具设计和设备选型等都具有重要的指导意义咱2-3暂。基于此，本项目针对汽车用 6061 铝合金的动态力学性能和微观组织演变预测这一科学问题。首先，通过在 Gleeble-1500 热模拟实验机上进行热模拟试验，基于晶粒演变和应力应变曲线研究 6061 铝合金高温变形行为。在此基础上，基于位错密度、晶粒尺寸和再结晶分数等参数建立 6061 铝合金流变应力本构模型，通过参数反求方法求解高温流变应力本构参数。最后，将计算结果与实测结果进行对比，形成 6000 系铝合金流变应力和晶粒尺寸演变的预测方法。1实验方法与结果本实验所采用的 6061 铝合金经半连续铸造而成，为了探索均匀化处理后铸锭的热加工特性，6061 铝合金铸锭采用 550保温 12h 后立即水淬的均匀化处理工艺，再加工出尺寸为直径 10伊15mm 的圆柱体轴样品，最后在 Gleeble-1500 热模拟实验机上进行了热加工模拟实验，热模拟后试样立即进行水淬。压缩前圆柱形试样两端填充 75%石墨+20%机油+5%硝酸三甲苯酯，以减少变形过程中摩擦对流变应力的影响。加热方式为自导电方式，热电偶直接焊在试样中部，连续测温，以便实验过程中计算机自动控温，使实验过程始终按照预设的温度方案进行。热模拟实验的升温速率为10/s，保温时间为 3min。试样温度分别为 300、350、400、450和 500，应变速率分别 0.01、0.1、1 和 10s-1。2内变量本构方程建立2.1位错密度的影响考虑到加工硬化与动态恢复过程中晶粒长大对位错密度的影响，位错密度和应变之间的关系，采用考虑晶粒尺寸影响的位错密度模型咱4暂，公式如下：籽=籽0e-着dd0蓸 蔀rd+U赘1-e-着dd0蓸 蔀rd蓸蔀-c1籽1-c2Xdrex蓸蔀Xdrex（1）式中：d0为原始晶粒尺寸，赘 指软化指数，U 指硬化指数，Xdrex为动态再结晶百分数，Xdrex为动态再结晶百分数增量。2.2晶粒尺寸的影响以位错密度变化率对晶粒尺寸的影响为主要参考咱5暂，公式如下：d=琢0d-0+琢1着pd-1-琢2Xdrex3d2（2）式中：琢0、琢1、琢2、酌0、酌1、酌2、酌3是与材料有关的常数。对比成形过程中的晶粒尺寸长大和动态再结晶过程中的晶粒尺寸减小，在高应变速率多道工序成型过程下，晶粒来不及长大，式子的第二项也可以忽略。2.3动态再结晶的影响在晶体材料的中度至低能量层错中，位错密度会增大到明显的塑性变形，最终在不同密度的局部就会高到足以允许变形过程中的再结晶成核。文章采用公10第 1 期式计算再结晶分数咱6暂袁公式如下：Xdrex=1-exp-茁d着-琢10着p着0.5蓸蔀kd蓘蓡（3）式中：kd和 茁d都是常数，着 指应变，着p指峰值应变，着0.5指结晶分数为 50%时的应变。在给定情况下，公式可以很好地用来模拟再结晶过程。2.4统一本构方程的建立形变热处理工艺中，位错密度对动态再结晶过程中晶粒尺寸和组织的演变起到非常重要的作用。Kocks-Mecking 模型是一个基于内变量咱7暂的位错密度模型，其假定塑性流动的动力学是由一个单一的结构参数确定，表示如下：（4）式中：滓0指初始应力值，d 指动态再结晶过程中的晶粒尺寸，酌d代表常量，U 是一个与加工硬化和稳态应力有关的参数。综上所述，可以得到以位错密度、晶粒尺寸和再结晶分数为内变量的材料微观组织演变的本构模型。3模型参数确定与验证3.1模型参数确定若已知 a0、a1、a2、酌0、酌1、酌2、酌3、茁d、kd等材料参数，利用公式（1）可以直接计算出在不同着、T 条件下材料的晶粒长大尺寸，因此可以采用参数反求的方法，通过不断修正晶粒尺寸长大方程参数，多次迭代减小计算晶粒尺寸与实测晶粒尺寸的误差，最终获得高精度的晶粒长大方程。在反求计算中，参数 a0、a1、a2、酌0、酌1、酌2、酌3、茁d、kd等为设计变量，为保证解的多样性，尽可能扩大各变量范围，定义 5n9，0.01琢0.02，0Q4.0伊105，1.0伊1017A1.0伊1018。在参数 a0、a1、a2、酌0、酌1、酌2、酌3、茁d、kd等共同影响下，适应度函数 f（a0、a1、a2、酌0、酌1、酌2、酌3、茁d、kd）可表示如下：着p=A1着m1expm1Q1RT蓸蔀（5）着c=琢10着p，式中 琢10=0.8（6）f（a0、a1、a2、酌0、酌1、酌2、茁d）=Ni=1移（滓（i）calculate（a0、a1、a2、酌0、酌1、酌2、茁d）-滓（i）experiment（7）式中：N 为实验次数，滓（i）experiment为第 i 组实验测得的峰值应力，滓（i）calculate（n，a，Q，A）为计算得到的第 i 组实验条件下的峰值应力。通过参数反求最终确定 6061 铝合金再结晶尺寸方程中的各项材料参数，见表 1。表 1模型参数值参数名称数值参数名称数值籽0/m-210E6kd1.281酌d1.002a08.332C30.02a188.57C40.95a20.2303滋/GPa26.35酌011.9518b/J/mol2.858E-10酌10.3115茁d1.5079酌20.1413a100.8酌31.434滓0/MPa3.7654-3.2模型验证3.2.1晶粒尺寸模型的验证表 2 是对 6061 铝合金在高温变形过程中晶粒尺寸计算值与实验值的对比。其平均相对误差低于 2。研究结果表明，文章建立的 6061 铝合金晶粒尺寸长大模型对测试数据的预测精度较高，这说明本文建立的 6061铝合金晶粒尺寸长大模型可以较好地描述 6061 铝合金在变形温度为 300500，应变速率为 0.0110s-1的微观组织演变行为，具有较好的稳定性和可靠性。3.2.2流动应力应变曲线验证图 1 是对 6061 铝合金在不同变形条件下高温压缩变形的真应力-真应变曲线计算值与实验值的对比。研究结果表明，文章建立的 6061 铝合金动态内变量本构模型对测试数据的描述精度较高，这说明本文建立的 6061铝合金动态内变量本构可以较好地描述 6061 铝合金在变形温度为 573773，应变速率为 0.0110s-1的微观组织演变行为，具有较好的稳定性和可靠性。4结论文章在 Gleeble-1500 热模拟实验机上通过轴对称表 2非样本晶粒尺寸变形温度/益300300350350400400450450500500真应变0.30.60.940.940.30.940.940.940.30.6应变速率/s-10.01100.0110.010.10.01100.010.01实验值79.1383.4684.5192.9882.1497.8992.3587.8982.9891.99计算值79.7084.6193.6093.0979.6693.4993.6192.1979.6786.29误差0.7%1.4%10.8%0.1%-3.0%-4.5%1.4%4.9%-4.0%-6.2%d/滋m李容容等：基于材料微观组织演变的铝合金本构模型研究11冶金与材料第 44 卷图 16061 铝合金应力应变曲线计算值与实测值对比（a）0.01s-1（b）0.1s-1（c）1s-1（d）10s-1True StrainTrue StrainTrue StrainTrue Strain等温压缩实验得到均匀化退火后 6061 铝合金的真实应力-应变曲线，以位错密度、晶粒尺寸及再结晶分数为内变量构建基于材料微观组织变化的 6061 铝合金流变应力本构模型，研究了该合金高温变形时的流变力学行为。其主要结论如下：（1）6061 铝合金流变应力宏观上受变形温度、应变量和应变速率的影响，微观上受位错密度、晶粒尺寸和再结晶分数等的影响。（2）参数反求法具有求解效率快，计算精度高等特点，可以获得可靠的材料内变量参数，模拟值与实验结果吻合较好。内变量本构模型能够准确描述 6061 铝合金在热变形过程中的再结晶分数、晶粒大小和流变应力演变。参考文献1 熊炜，刘瑛，曾积威，等.ACC复合管行星轧制物理模拟及工艺优化（1）-3003铝合金本构关系及加工图 J.粉末冶金材料科学与工程，2017，22（4）：458-467.2 杨忠慧，李新军，万敏，等.7055铝合金蠕变试验及本构模型建立 J.塑性工程学报，2013，20（6）：89-93.3Shikang L，Luoxing L，Zhiwen L，et al.Microstructure and ItsInfluence on the Welding Quality of 6063 Aluminum AlloyPortholeDieExtrusionJ.Materials，2021，14（21）：6584-6584.4Apps P J，Bowen J R，Prangnell P B.The Effect of Second-Phase Particles on the Severe Deformation of Aluminium Alloysduring Equal Channel Angular ExtrusionM.WileyVCHVerlag GmbH&Co.KGaA，2005.5Galiyev A，Kaibyshev R.Microstructural Evolution in ZK60Magnesium Alloy during Severe Plastic DeformationJ.MA原TERIALS TRANSACTIONS，2001，42（7）：1190-1199.6Wang X，Br俟nger E，Gottstein G.The role of twinning duringdynamic recrystallization in alloy 800HJ.Scripta Materialia，2002，46（12）：875-880.7 赵辉，鹿守理.热轧微观组织的计算机模拟及性能预报（二）J.轧钢，1997（6）：58-61.0.00.20.40.60.81.00.00.20.40.60.81.00.00.20.40.60.81.00.00.20.40.60.81.01201008060402001601401201008060402001801501209060300210180150120906030012