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6111铝合金热变形流变行为及本构模型 为应对能源危机，满足航天、汽车工业等领域的发展需求，结构轻量化逐步成为加工领域的研究热点.国内外的研究表明：6000系可热处理铝合金是生产变形铝合金汽车外板的合适材料，铝质零件的导热性好，可以有效散发发动机的热量，在满足相关强度要求的前提下与钢制零件相比可减重50%.然而铝合金板料在室温下的成形能力较差，传统的加工工艺很难加工复杂的零件.针对铝合金常温成形难问题，Mohamed提出一种针对铝合金板料的热冲压冷漠淬火工艺.该工艺将热冲压及热处理相结合，在热成形结束后同时完成淬火，保证其获得过饱和固溶体，以获得形状复杂以及高强度的零件.在该工艺提出后，国内外很多学者做了大量研究.文献通过热压缩试验，修正了6082铝合金的热变形流变应力曲线，建立了基于双曲正弦函数的全应变本构方程.文献利用准静态试验数据获得7050T7451铝合金高温高应变率下流变应力特征及本构方程应变强化参数.文献通过热拉伸试验研究铝合金的高温拉伸流变行为，通过线性回归分析计算6061铝合金的应力指数及变形激活能，获得其高温拉伸条件下的流变应力本构方程. 本文针对6111铝合金，采用*****0KN高温材料试验机对该材料在不同温度区间以及应变速率下进行热拉伸试验，得到一定应变速率与温度下的真应力真应变曲线，分析材料热力学性能，研究高温条件下材料流变应力的变化规律.根据试验数据建立高温条件下材料的本构方程，进而获得高温流变状态下的模型计算曲线.用于表征6111铝合金在热冲压同步淬火阶段的力学行为. 1 试验方案 材料选用某铝业提供的6111铝合金板材，厚度为2 mm，其化学成分如表1所示.通过线切割沿轧制方向切割拉伸试样，尺寸如图1所示. 将加工好的拉伸试样在*****0KN高温材料试验机上进行等温拉伸试验.试验方案如图2所示，方案包括了同步淬火阶段关键的试验路线，用于确定热成形淬火一体化过程中复杂的热力组织耦合关系.其中A为铝合金固溶强化温度，一般6xxx系铝合金的固溶温度为500～570 ℃.合金固溶强化后必须进行淬火，T为目标变形温度.热拉伸试验步骤为：以5 ℃·s-1的速度加热至500 ℃，再以3 ℃·s-1的速度加热到560 ℃，保温15 min，控制试样各部温差≤10 ℃，消除试样内部温度梯度，达到充分固溶.合金固溶强化后必须立即进行淬火，形成过饱和固溶体.淬火冷却速度会对合金性能产生重要影响，冷却速度过快会增大合金的残余应力和变形，从而影响合金的强度和韧性，过慢则会导致过饱和度降低.因此选择冷却速度10 ℃·s-1，分别冷却至550，450和350 ℃，并保温60 s，使得试样温度均匀分布，然后分别以0.1，1和10 s-1的应变速率进行单向拉伸试验.记录变形过程中应力、应变、温度等试验数据，最终得到550，450和350 ℃时的热拉伸应力应变曲线.拉伸斷裂后试样如图3所示. 2 试验结果与分析 不同温度及应变率下6111铝合金真应力真应变曲线如图4所示. 由图4可以看出，6111铝合金的流变应力随温度的增加而降低，这是因为温度越高，位错运动的阻力越小.流变应力随应变速率的增大而增大，是由于铝合金是正应变速率敏感材料.6111铝合金热变形分为应变硬化和稳态流变两个阶段.应变硬化是由于开始阶段随着应变的增加，位错迅速增殖，位错间的交互作用越来越强烈，位错运动的阻力增大，流变应力增大.同时在高温状态下，位错也会发生重组与合并，发生动态回复和再结晶软化.当加工硬化与软化达到平衡时，流变应力随应变的增大逐渐趋向定值达到饱和状态，真应力真应变曲线几乎是一条直线. 3 模型建模与参数获取 本构模型是指将流变应力视作真应变的函数.热变形过程中，金属板料的流变应力受到材料加工硬化和动态回复软化效应共同影响.金属高温本构模型描述了热变形过程中应力随应变、应变速率和温度的变化规律，可表示为： 式中：σ为流变应力；ε为塑性应变；ε·为应变速率；T为热力学温度. 针对6111铝合金塑性变形阶段的流变应力，由于曲线的初始值是材料的屈服点（0，σs）.当硬化与软化效应平衡时，流变应力曲线几乎是条直线，所以Voce模型并不适合描述铝合金.但是Voce的外推模型（HS模型）属于饱和模型，是一种可以描述饱和型应变特性的本构方程.在应变达到一定值后，应力的增加趋于定值.将硬化指数n的概念引入，其公式为： 式中：σs为屈服应力；σ0为饱和流变应力；Δσ=σ0-σs表示由于温度上升而导致的流变应力下降值；n为硬化系数；m为动态回复参数. 式（2）说明流变应力是由屈服应力、温度、应变速率和应变相关的加工硬化部分共同组成的.当温度、应变速率恒定时