关于高强度铝合金热冲压成形和淬火特性的实验研究
J Degner, A Horn and M Merklein
摘要
在过去的几十年里，汽车车身制造领域严格的燃料消耗、CO2排放和产品的可回收性法规迫使汽车部门实施新的战略。由于具有较低的密度和良好的耐腐蚀性，铝成为了最相关的轻量化材料之一。最近，用于结构部件的高强度铝合金变得更为重要。然而这些合金的低成形性限制了它们的应用，因此，我们需要采用新颖的工艺策略来增强其成形性。一个有前景的方法是铝合金的热冲压。固溶热处理后一步工艺完成淬火和成型的组合处理能够使其可成形性的显著改善。此外，由于回弹减少，可以实现更高的制造精度。在本文中，分析了淬火过程中成形温度对后续的材料行为和传热的影响情况。因此，研究了热冲压过程中机械和热学材料的流动特性和传热系数等特性。
1 引言
由于汽车占欧盟二氧化碳排放总量的12％左右，欧盟已经立法为新车制定了强制性减排目标。到2021年，汽车需达到每公里平均95克二氧化碳排放[1]。由于排放限制是根据汽车的质量来设定的，所以汽车行业便侧重于轻量化战略。由于其较低的密度和良好的耐腐蚀性，铝合金成为了最相关的轻量化材料之一。 最先进的技术是将5000和6000系列铝合金用于内壳和外壳车身部件中[2]。一种追求整体轻量化的新方法是利用用于诸如B柱等结构部件的6000和7000系列的高强度铝合金。由于这些等级的材料具有高强度但低成型性以及会有回弹的发生，因此需要发明新颖的方法以便能够制造复杂的车身部件。2005年，Garrett等人提出了一种由固溶热处理（SHT）和随后的热冲压以及冷冲模淬火相结合的新工艺[3]。在传统的热成形工艺中，材料在T6淬火条件下形成，这是热处理后达到最大强度的条件，其中材料的机械性能在暴露于高温时会被严重破坏[3]。这种新方法的优点是，由于老化效应，材料在强化之前完成成形。此外，成形过程是用冷模具实现的，从而降低了刀具成本。由于铝合金的力学性能与温度有关[4]，对于工艺设计和后成形条件的部件的力学性能预测，在成形和淬火过程中的对热现象的精确建模变得至关重要。除了对流和辐射外，通过传导方式的热传递是整个成形过程中冷却坯料的主要机制（见图1）。传导可能受到坯料厚度，表面粗糙度，涂层厚度和接触压力的影响[5]。本文将研究高强度铝合金6111和铝合金7075的机械性能（如屈服强度和应变硬化）的温度依赖性。此外，使用淬火工具分析接触压力对两种合金的所得传热系数的影响。
图1.热冲压过程中的传热机制：传导，对流和辐射[5]
2 实验
2.1 材料
在本次研究中，瑞士Novelis公司提供了初始板厚t0 = 2.0mm的时效硬化型高强度铝合金铝合金6111（T4条件下固溶淬火）和铝合金7075（F条件下冷轧）。
2.2 热机械性能的测定
为了在高温下进行拉伸测试，首先进行激光切割并随后在测量区内根据DIN EN ISO 6892-2铣削几何形状的样本，以消除由于激光输入热量引起的机械性质变化。使用热机模拟器Gleeble 3500（DSI，USA），并通过光学应变测量系统Aramis（GOM mb H）实现应变演化的记录。热输入是电阻加热的结果，控制回路是通过K型热电偶实现的，这些热电偶通过焊接操作放置在试样的中间。 实验设置如图2所示。
图2.确定铝合金6111和铝合金7075（Gleeble 3500）热机械性能的实验装置
将样品加热至固溶热处理温度TsHT并固溶tsHT = 3分钟。 随后，根据从熔炉到压制机的转移确定的淬火速度，将样品淬火至测试温度，其中对流是主要的冷却机制。随后在等温条件下测量应变和力。测试在各种测试温度和应变率下进行，配置列于表1中。每次测试至少进行3次以进行统计学保证。
2.3 测定传热系数
为了研究固溶热处理后接触压力下的淬火性能，使用了一个带有1.2379以外的接触板和一台Lasco TSP100S0液压机的实验室规模级的工具，参见图3。固溶热处理采用Rohde ME 17/13 SG室式炉进行，铝合金6111和铝合金7075的温度列于表1。尺寸为58 x 160 mm的固溶铝板在5 s内从炉中转移到压机中，放置在弹簧座销上，以避免在关闭工具时冷却。之后，通过调制样品表面上的压力来施加10MPa至40MPa的恒定接触压力。淬火期间的温度 - 时间演变通过K型热电偶记录，该热电偶是通过直径d = 1.1mm的钻孔定位在样品内部的。随后根据热力学方法将所得温度曲线用于测定传热系数，包括由不同温度的两个物体的温度梯度产生的热通量q [6]：
热通量是从热工件通过接触区域A传递到冷冲模的总热能，并且可以按照如下所写来计算：
代表样本的离散温度变化△T代表样本和接触板在每个时间步骤△t处的温差。根据[7]平均值920J /（kgK），可以假定比热容Cp在相关的温度范围内。为了计算每个增量的传热系数，使用成形操作进行时的铝合金6111的500°C和350°C之间的时间温度数据以及铝合金7075的400°C和2500°C的时间温度数据。随后，将计算出的值ai平均，即代表传热系数a [8]。
图3.铝合金6111和铝合金7075淬火性能研究工具
3结果与讨论
3.1测定热机械性能
基于记录的真实应力-高温拉伸测试的真实应变曲线，可以确定热机械性能，例如流动应力和应变硬化，以评估温度依赖性材料性能。图4显示了两种研究铝合金在固溶热处理后依赖于工艺相关温度范围变化的屈服应力。
图4.拉伸测试过程中铝合金铝合金6111和铝合金7075的屈服强度随温度和应变率的变化
在铝合金6111的情况下，在1.0s-1的应变速率下从350℃升高至500℃，导致流动应力降低约60％。通过将应变速率降低至0.1 s-1，减少量约为75％。对于7000系列的铝合金，在250℃和400℃之间的温度范围内，在1.0s -1和0.1s -1的应变速率下的温度相关衰减量分别约为30％和45％。比较两种合金得出这样的观点，即铝合金6111的温度相关的流动应力降低更明显，这可能与更高的测试温度有关，这是由于合金元素导致更高的固溶热处理温度造成的。一般来说，屈服强度随温度降低的现象可以通过动态恢复引起的热软化效应来解释。更高的变形温度可以增强合金的热激活过程，导致位错运动的加速和湮灭。由此，动态软化得到增强并且应力减小[9]。此外，应变速率的变化对铝合金7075的流动应力的影响比对铝合金6111的流动应力影响更大，这表现为流变应力对两种应变率的偏差更大。这也可能与铝合金6111更明显的软化行为有关。屈服强度在相同温度但不同应变率下的变化可以用更低的应变速率来解释，从而为动态再结晶等效应提供更多的能量积累时间，而动态再结晶的影响在更高的温度下会更频繁地发生[10]。
图5.铝合金6111和铝合金7075在拉伸测试过程中的应变硬化随温度和应变率的变化。
图5显示了铝合金6111和铝合金7075根据温度和应变速率的应变硬化指数。应变硬化演化的进展对应于屈服应力的演变，n随着温度的升高而降低。铝合金6111在350℃的温度和1.0s -1的应变速率下显示约0.1的应变硬化。如上所述，通过将温度升高到500℃，应变硬化为零，表明由于位错积累引起的加工硬化与由热效应引起的软化效应之间达到了平衡。将应变速率降低到0.1s-1将使450℃和500℃温度下的应变硬化指数变为负值，这意味着软化效应占主导地位，变形所需的力更小[11]。而铝合金7075时，可以看到它比铝合金6111更高的应变硬化指数，这可能又与不同的温度范围相关。由于不太明显的软化效果，加工硬化仍然盛行。对于铝合金7075，最高值0.2可以在250℃的温度和1.0s -1的应变速率下达到。对于400℃的温度，应变硬化指数也在0.ls-1的应变率下变为负值。
3.2 测定传热系数
为了研究热冲压过程中的热传递，记录了工具关闭后的温度变化。图6显示了铝合金6111和铝合金7075在不同接触压力10,20,30和40 MPa下的温度-时间曲线。可以看出，对于两种材料而言，较高的梯度表示更高的接触压力会导致更快的冷却速度。此外，两种合金都表现出不同的淬火性能。对于铝合金6111，淬火速率更高，变化的接触压力导致的不同，没有铝合金7075那么明显。这可以通过固溶热处理过程中的较高温度导致材料软化增加来解释。因此，粗糙度峰值可能会更平滑，从而使工具与样品更早的完全接触，进而导致更快的冷却。
图6.工具关闭后铝合金6111和铝合金7075淬火过程中的温度-时间曲线
随后分别针对铝合金6111和铝合金7075（图7）在500℃-350℃和400℃-250℃之间的相关温度范围内计算传热系数a。对于这两种合金，增加接触压力会导致更高的传热系数。这是随着接触压力增加而增加真实接触面积的结果。真正的接触区是一个表面的原子与另一个表面的原子接触的区域。由于样品与刀具之间的热传递是通过真实的接触面而不是明显的接触面来实现的，所以在低接触压力条件下，实际接触面积很小，导致通过传导的传热系数值较低。随着接触压力增加，实际接触面积相应增加，导致传热系数缓慢增加[12]。在铝合金7075的情况下，传热系数随着接触压力的增大而不断升高。压力从10MPa增加到40MPa导致约80％的热传递放大。与此相反，铝合金6111显示随着接触压力从10MPa增加到20MPa，传热系数没有明显增加。一种解释可能是由于在低压下实际接触面积小，且较高的表面粗糙度导致工具与样品的完全接触有所延迟。对于较高的接触压力，可以注意到传热系数增加，并且可以计算出约9kW / m2K的最大值。通过比较两种合金，可以说铝合金6111显示出较高的热传导系数，这可能与其由于合金的化学成分不同导致的较高热导率有关。
图7.铝合金6111和铝合金7075在淬火过程中随着接触压力从10 MPa增加到40 MPa的传热系数的变化。
5 结论
在上述研究中，我们已经进行了实验用来研究等温拉伸测试过程中的热力学特性以及不同接触压力对高强度铝合金6111和铝合金7075的淬火特性的影响。首先，屈服应力和应变硬化指数已被用于研究温度和应变速率对后续材料性能的影响。随着温度升高而递减的值说明，屈服应力和应变硬化指数都表现出与温度有关的特性。主要机理是由于例如动态回复和动态再结晶引起的热激活软化机制。另外，实验表明铝合金6111的软化效果更明显，这可能是由于更高的固溶热处理温度而导致的更高测试温度所引起的。此外，可以利用实验室规模的淬火工具研究热传导。基于温度-时间数据，计算相关温度区域内两种铝合金的传热系数。由于一个表面的原子与另一个表面的原子接触的实际接触面积的增加，而使热传导随着压力的增加而增加。本文研究显示，两种合金的传热性能不同，铝合金6111具有更高的传热系数。最后，在已获得的数据基础上，我们可以开展热力学材料性能的数值模拟并用于制造高强度铝部件的工艺设计。
参考文献
[1] Regulation (EU) No. 333/2014 of the European Parliament and of the Council, 11 mar
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