摩擦系數(shù)對(duì)5083鋁合金熱壓縮試驗(yàn)變形行為影響的有限元模擬研究 總結(jié)：

綱要：

本文采用Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)在變形溫度為400℃、變形速率為0.13 s?1、變形量為50%條件下對(duì)5083鋁合金進(jìn)行了熱壓縮試驗(yàn)，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立DEFOM-3D有限元模型，通過軟件模擬了5083鋁合金在變形溫度為400℃、應(yīng)變速率為0.13 s?1、接觸摩擦系數(shù)分別為0、0.2、0.4以及0.6條件下的熱壓縮變形過程，研究了5083鋁合金在熱壓縮時(shí)與壓縮模具之間的接觸摩擦系對(duì)試樣形態(tài)、載荷力、應(yīng)變速率以及應(yīng)變分布的影響規(guī)律，為材料物體模擬過程的不均勻性研究提供了參考依據(jù)。在Gleeble-3800熱模擬機(jī)上進(jìn)行熱壓縮實(shí)驗(yàn)，試樣以10℃/s的速度加熱到400℃保溫2 min，試樣兩端添加石墨片并均勻涂上潤滑劑(75%石墨 + 20%機(jī)油 + 5%硝酸三甲苯脂)以減小摩擦的影響，然后以0.13 s?1的速度進(jìn)行50%的變形，熱壓縮完成后淬火冷卻。模擬試樣尺寸與試驗(yàn)試樣尺寸保持一致，均為Figure 1. Finite element model of the hot compression sample圖1. 有限元分析模型Φ10 × 15 mm，為減少計(jì)算量，選取圓柱體試樣的1/2進(jìn)行模擬運(yùn)算；兩端壓頭材料特征設(shè)定為剛性，壓縮試樣材料選用5083鋁合金，材料流變應(yīng)力曲線采用實(shí)測變形抗力曲線數(shù)據(jù)；試驗(yàn)過程中一端固定，另一端以恒定應(yīng)變速率0.13 s?1沿Z向變形至50% (真應(yīng)變0.69)；試樣兩端接觸摩擦系數(shù)分別設(shè)置為0、0.2、0.4和0.6；模擬過程中試樣整體溫度設(shè)定為400℃，為了簡化實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)更具有針對(duì)性，熱壓縮過程中不考慮熱傳導(dǎo)的影響。從圖2可知，在最理想情況下，即接觸摩擦系數(shù)為0時(shí)，試樣熱壓縮變形均勻，無鼓肚現(xiàn)象發(fā)生；隨著接觸摩擦系數(shù)的增加，試樣熱壓縮變形不均勻增大，鼓肚現(xiàn)象越明顯。從圖2可知，隨著接觸摩擦系數(shù)的增加，載荷力基本沒發(fā)生變化，即接觸摩擦系數(shù)對(duì)載荷力影響不大，說明在潤滑條件差的條件下進(jìn)行熱壓縮變形時(shí)對(duì)應(yīng)力–應(yīng)變曲線結(jié)果的準(zhǔn)確性影響不大。從圖5(a)可知，在接觸摩擦系數(shù)為0的理想條件下，試樣各區(qū)域的應(yīng)變量都相同，且與初始設(shè)置的名義應(yīng)變量一致均為0.69，在圖中表示為青色區(qū)域；隨著接觸摩擦系數(shù)的增加，熱壓縮變形的不均勻性也隨著增大。此時(shí)由于試樣兩端面與模具接觸處存在摩擦力，使得試樣變形時(shí)接觸面上的橫向位移被限制難于變形，也難以自由擴(kuò)展，而越靠近心部區(qū)域則限制越小，越容易發(fā)生變形，熱壓縮變形出現(xiàn)不均勻，同時(shí)由于變形時(shí)整個(gè)試樣體積不發(fā)生變化，這就必然導(dǎo)致中間尺寸大于兩端面，從而出現(xiàn)鼓肚現(xiàn)象，最終導(dǎo)致試樣熱壓縮時(shí)出現(xiàn)應(yīng)變速率和應(yīng)變分布的不均勻性 [5] [6] 。接觸摩擦系數(shù)越大，熱壓縮變形時(shí)試樣兩端面與模具之間的摩擦力也越大，對(duì)試樣兩端面的限制也越大，在形式上表現(xiàn)為鼓肚現(xiàn)象越明顯，如圖2(b)~(d)所示，在微觀組織上則表現(xiàn)為應(yīng)變速率和應(yīng)變分布出現(xiàn)不均勻性，且從兩端面到心部逐漸增大，如圖4和圖5所示。5. 結(jié)論本文通過有限元模擬研究了接觸摩擦系數(shù)對(duì)5083鋁合金熱壓縮的影響，未考慮試樣與模具之間以及試樣與空氣之間的熱傳導(dǎo)影響，后續(xù)將綜合考慮接觸摩擦系數(shù)和熱傳導(dǎo)對(duì)熱壓縮試驗(yàn)的影響，為材料物體模擬過程的不均勻性研究提供更準(zhǔn)確的參考依據(jù)。1) 5083鋁合金熱壓縮時(shí)，隨著接觸摩擦系數(shù)的增加，變形不均勻性增強(qiáng)，鼓肚現(xiàn)象越明顯。

內(nèi)容：

1. 引言

熱壓縮變形試驗(yàn)是一種被廣泛使用的試驗(yàn)方法，主要用于在不同變形溫度、變形速率和變形量條件下利用熱力實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置對(duì)小試樣的各種變形過程進(jìn)行模擬，可快速、準(zhǔn)確地獲得材料在試驗(yàn)條件下性能和組織的變化規(guī)律，從而為實(shí)際生產(chǎn)中定制各種熱加工工藝提供準(zhǔn)確的參考依據(jù) [1] [2] [3]

目前，對(duì)5083鋁合金熱壓縮模擬試驗(yàn)的文章很多，但對(duì)熱壓縮試驗(yàn)過程自身影響因素的研究較少 [4]

本文采用Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)在變形溫度為400℃、變形速率為0.13 s?1、變形量為50%條件下對(duì)5083鋁合金進(jìn)行了熱壓縮試驗(yàn)，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立DEFOM-3D有限元模型，通過軟件模擬了5083鋁合金在變形溫度為400℃、應(yīng)變速率為0.13 s?1、接觸摩擦系數(shù)分別為0、0.2、0.4以及0.6條件下的熱壓縮變形過程，研究了5083鋁合金在熱壓縮時(shí)與壓縮模具之間的接觸摩擦系對(duì)試樣形態(tài)、載荷力、應(yīng)變速率以及應(yīng)變分布的影響規(guī)律，為材料物體模擬過程的不均勻性研究提供了參考依據(jù)

2. 試驗(yàn)方法2.1. 試驗(yàn)材料與物理模擬實(shí)驗(yàn)材料為已再結(jié)晶的5083鋁合金熱軋板材，然后經(jīng)機(jī)加工成Φ10 × 15 mm的圓柱體試樣

在Gleeble-3800熱模擬機(jī)上進(jìn)行熱壓縮實(shí)驗(yàn)，試樣以10℃/s的速度加熱到400℃保溫2 min，試樣兩端添加石墨片并均勻涂上潤滑劑(75%石墨 + 20%機(jī)油 + 5%硝酸三甲苯脂)以減小摩擦的影響，然后以0.13 s?1的速度進(jìn)行50%的變形，熱壓縮完成后淬火冷卻

然后對(duì)物理模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，收集熱壓縮過程中的變形抗力曲線，將其作為材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)導(dǎo)入DEFORM-3D數(shù)值模擬軟件

2.2. 有限元模型的建立本試驗(yàn)采用DEFORM-3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行建模并對(duì)熱壓縮過程進(jìn)行有限元模擬，所建模型如

圖1所示

黃色為5083鋁合金試驗(yàn)材料，灰色為壓縮模具

模擬試樣尺寸與試驗(yàn)試樣尺寸保持一致，均為



Figure 1. Finite element model of the hot compression sample

圖1. 有限元分析模型Φ10 × 15 mm，為減少計(jì)算量，選取圓柱體試樣的1/2進(jìn)行模擬運(yùn)算；兩端壓頭材料特征設(shè)定為剛性，壓縮試樣材料選用5083鋁合金，材料流變應(yīng)力曲線采用實(shí)測變形抗力曲線數(shù)據(jù)；試驗(yàn)過程中一端固定，另一端以恒定應(yīng)變速率0.13 s?1沿Z向變形至50% (真應(yīng)變0.69)；試樣兩端接觸摩擦系數(shù)分別設(shè)置為0、0.2、0.4和0.6；模擬過程中試樣整體溫度設(shè)定為400℃，為了簡化實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)更具有針對(duì)性，熱壓縮過程中不考慮熱傳導(dǎo)的影響

3. 試驗(yàn)結(jié)果與分析3.1. 試樣形態(tài)如

圖2所示為5083鋁合金在接觸摩擦系數(shù)分別為0、0.2、0.4和0.6條件下以0.1 s?1速度經(jīng)50%熱壓縮變形后試樣的最終形態(tài)

從

圖2可知，在最理想情況下，即接觸摩擦系數(shù)為0時(shí)，試樣熱壓縮變形均勻，無鼓肚現(xiàn)象發(fā)生；隨著接觸摩擦系數(shù)的增加，試樣熱壓縮變形不均勻增大，鼓肚現(xiàn)象越明顯

3.2. 接觸摩擦系數(shù)對(duì)應(yīng)力–應(yīng)變曲線的影響如

圖3所示為5083鋁合金在接觸摩擦系數(shù)分別為0、0.2、0.4和0.6條件下的載荷力隨模具行程的變化

從

圖2可知，隨著接觸摩擦系數(shù)的增加，載荷力基本沒發(fā)生變化，即接觸摩擦系數(shù)對(duì)載荷力影響不大，說明在潤滑條件差的條件下進(jìn)行熱壓縮變形時(shí)對(duì)應(yīng)力–應(yīng)變曲線結(jié)果的準(zhǔn)確性影響不大

3.3. 接觸摩擦系數(shù)對(duì)應(yīng)變速率的影響如

圖4所示為5083鋁合金在接觸摩擦系數(shù)分別為0、0.2、0.4和0.6條件下試樣縱截面的應(yīng)變速率分布圖

從圖4(a)可知，在接觸摩擦系數(shù)為0的理想條件下，試樣各區(qū)域的應(yīng)變速率都相同，且與初始



(a)



(b)



(c)



(d)Figure 2. Thermal compression simulation results of specimens under different contact friction coefficients. (a) 0 s; (b) 0.5 s; (c) 1 s; (d) 1.5 s

圖2. 不同接觸摩擦系數(shù)條件下試樣熱壓縮模擬結(jié)果

(a) 0 s; (b) 0.5 s; (c) 1 s; (d) 1.5 s



Figure 3. Influence of different contact friction coefficient on load force

圖3. 不同接觸摩擦系數(shù)對(duì)載荷力的影響



(a)



(b)



(c)



(d)

Figure 4. The strain rate distribution of the specimen under different contact friction coefficients. (a) 0 s; (b) 0.5 s; (c) 1 s; (d) 1.5 s

圖4. 不同接觸摩擦系數(shù)條件下試樣的應(yīng)變速率分布圖

(a) 0 s; (b) 0.5 s; (c) 1 s; (d) 1.5 s設(shè)置的名義應(yīng)變速率一致均為0.13 s?1，在圖中表示為青色區(qū)域；隨著接觸摩擦系數(shù)的增加，熱壓縮變形的不均勻性也隨著增大

當(dāng)接觸摩擦系數(shù)為0.2時(shí)，應(yīng)變速率分布開始出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，從端面到心部逐漸變大，且名義應(yīng)變速率集中在1/4高度區(qū)域，如

圖4(b)所示；當(dāng)接觸摩擦系數(shù)為0.4時(shí)，應(yīng)變速率分布的不均勻性進(jìn)一步增大，端部的應(yīng)變速率僅為0.05 s?1，而心部的應(yīng)變速率達(dá)到0.2 s?1，且青色的名義區(qū)域收窄；當(dāng)接觸摩擦系數(shù)繼續(xù)增加達(dá)到0.6時(shí)，應(yīng)變速率分布極不均勻，心部的應(yīng)變速率達(dá)到0.24 s?1，且紅色范圍進(jìn)一步增加，青色的名義區(qū)域進(jìn)一步收窄，而四角區(qū)域也出現(xiàn)紅色范圍則是因?yàn)椋慕菂^(qū)域在熱壓縮時(shí)受到Z方向模具的壓力和X方向由于摩擦存在引起的拉力以及兩側(cè)對(duì)其Z方向的拉力相互作用導(dǎo)致變形速率大于周圍區(qū)域

3.4. 接觸摩擦系數(shù)對(duì)應(yīng)變的影響如

圖5所示為5083鋁合金在接觸摩擦系數(shù)分別為0、0.2、0.4和0.6條件下試樣縱截面的應(yīng)變分布圖從圖5(a)可知，在接觸摩擦系數(shù)為0的理想條件下，試樣各區(qū)域的應(yīng)變量都相同，且與初始設(shè)置的名義應(yīng)變量一致均為0.69，在

圖中表示為青色區(qū)域；隨著接觸摩擦系數(shù)的增加，熱壓縮變形的不均勻性也隨著增大

當(dāng)接觸摩擦系數(shù)為0.2時(shí)，應(yīng)變分布開始出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，從端面到心部逐漸變大，且名義應(yīng)變集中在1/4高度區(qū)域，如

圖5(b)所示；當(dāng)接觸摩擦系數(shù)為0.4時(shí)，應(yīng)變分布的不均勻性進(jìn)一步增大，端部的應(yīng)變僅為0.096，而心部的應(yīng)變達(dá)到1.16 s?1，且青色的名義區(qū)域收窄；當(dāng)接觸摩擦系數(shù)繼續(xù)增加達(dá)到0.6時(shí)，應(yīng)變分布極不均勻，心部的應(yīng)變達(dá)到1.27 s?1，且黃色范圍進(jìn)一步增加，青色的名義區(qū)域進(jìn)一步收窄



(a)



(b)



(c)

(d)

Figure 5. The strain distribution of the specimen under different contact friction coefficients. (a) 0 s; (b) 0.5 s; (c) 1 s; (d) 1.5 s

圖5. 不同接觸摩擦系數(shù)條件下試樣的應(yīng)變分布

圖(a) 0 s; (b) 0.5 s; (c) 1 s; (d) 1.5 s4. 分析與討論試樣熱壓縮時(shí)變形的不均勻性導(dǎo)致了鼓肚現(xiàn)象的發(fā)生，對(duì)試樣的應(yīng)變速率和應(yīng)力分布產(chǎn)生了不同程度的影響

在最理想情況下，即接觸摩擦系數(shù)為0時(shí)，試樣熱壓縮時(shí)各區(qū)域變形是均勻一致的，也無鼓肚現(xiàn)象的發(fā)生，如

圖2(a)所示

當(dāng)熱壓縮時(shí)試樣兩端面存在接觸摩擦?xí)r，試樣熱壓縮開始出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象

此時(shí)由于試樣兩端面與模具接觸處存在摩擦力，使得試樣變形時(shí)接觸面上的橫向位移被限制難于變形，也難以自由擴(kuò)展，而越靠近心部區(qū)域則限制越小，越容易發(fā)生變形，熱壓縮變形出現(xiàn)不均勻，同時(shí)由于變形時(shí)整個(gè)試樣體積不發(fā)生變化，這就必然導(dǎo)致中間尺寸大于兩端面，從而出現(xiàn)鼓肚現(xiàn)象，最終導(dǎo)致試樣熱壓縮時(shí)出現(xiàn)應(yīng)變速率和應(yīng)變分布的不均勻性 [5] [6]

接觸摩擦系數(shù)越大，熱壓縮變形時(shí)試樣兩端面與模具之間的摩擦力也越大，對(duì)試樣兩端面的限制也越大，在形式上表現(xiàn)為鼓肚現(xiàn)象越明顯，如圖2(b)~(d)所示，在微觀組織上則表現(xiàn)為應(yīng)變速率和應(yīng)變分布出現(xiàn)不均勻性，且從兩端面到心部逐漸增大，如圖4和圖5所示

5. 結(jié)論

本文通過有限元模擬研究了接觸摩擦系數(shù)對(duì)5083鋁合金熱壓縮的影響，未考慮試樣與模具之間以及試樣與空氣之間的熱傳導(dǎo)影響，后續(xù)將綜合考慮接觸摩擦系數(shù)和熱傳導(dǎo)對(duì)熱壓縮試驗(yàn)的影響，為材料物體模擬過程的不均勻性研究提供更準(zhǔn)確的參考依據(jù)

1) 5083鋁合金熱壓縮時(shí)，隨著接觸摩擦系數(shù)的增加，變形不均勻性增強(qiáng)，鼓肚現(xiàn)象越明顯

2) 5083鋁合金熱壓縮時(shí)，接觸摩擦系數(shù)對(duì)載荷力影響不大，即潤滑條件對(duì)應(yīng)力–應(yīng)變曲線的準(zhǔn)確性沒有顯著影響

3) 5083鋁合金熱壓縮時(shí)，接觸摩擦系數(shù)對(duì)應(yīng)變速率和應(yīng)變分布影響顯著，從試樣兩端面到心部逐漸增大，且隨著接觸摩擦系數(shù)的增加，變形不均勻性增大，應(yīng)變速率和應(yīng)變分布差異更顯著

基金項(xiàng)目廣西創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)重大專項(xiàng)(桂科AA17202011)、廣西科技計(jì)劃項(xiàng)目(桂科AA16380039)

NOTES*通訊作者

參考文獻(xiàn)

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