铝合金蠕变试验及本构模型建立
第28卷 第1期
2008年2月
航 空 材 料 学 报
JOURNAL OF AERONAUTI CAL MATER I A LS
Vol 128, No 11 February 2008
铝合金蠕变试验及本构模型建立
黄 硕, 万 敏, 黄 霖, 迟彩楼, 季秀升
1
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2
(11北京航空航天大学机械工程及自动化学院, 北京100083; 21沈阳飞机工业有限公司, 沈阳110034)
摘要:对新铝合金7B04分别在三个不同时效温度(145℃, 155验, 试验表明温度、时间、应力对7B04; 材料蠕变行为的本构模型, 参数。
关键词:7B04; ; 本构模型
中图分类号:TG146文献标识码:A 文章编号:100525053(2008) 0120093204
在新一代大型军、民用飞机的制造中, 整体壁板
的数量多、尺寸大、形状复杂, 为此国际上发展了蠕变时效成形技术。在国内, 由于缺乏基础研究, 对蠕变时效成形理论及机理的研究不足, 没有能精确描述成形过程的分析模型, 无法对成形过程进行精确控制, 蠕变时效成形尚未达到工业化应用。但随着军用和民用航空对大型高性能飞机日益迫切的需求, 蠕变时效成形将在制造大型复杂整体壁板方面发挥其独特优势。蠕变通常是指在温度不变、载荷不变的条件下, 物体的变形随着时间的增长而缓慢增大的现象, 温度、时间、应力等因素对蠕变性能都
[1]
有影响。蠕变时效成形利用合金材料在时效温度下蠕变而产生应力松弛的特性, 对试件弹性加载获取初始变形, 并通过施加恒定载荷保持试件的变形, 及在恒温中放置一段时间, 在这过程中部分弹性应变逐渐转化为蠕变应变, 而且材料内的应力水平会随着时间的增长而降低, 从而达到成形的目的, 在成形的同时, 材料经过人工时效, 金属晶体脱溶析出, 改变了材料的微观结构, 从而改善材料的力学性能, 如提高屈服极限、抗拉强度以及金属抗应力腐蚀
[2]
能力。因此材料的蠕变特性决定了其蠕变时效成形性能。
7B04铝合金是A l 2Zn 2Mg 2Cu 系高强铝合金, 具有韧性较高和耐应力腐蚀较好的特点, 广泛应用于某飞机的机身和机翼等蒙皮壁板零件。
收稿日期:2006209214; 修订日期:2006210209基金项目:国家自然科学基金(50675010)
作者简介:黄硕(1982—) , 男, 硕士研究生, (E 2mail )
huangshuo82521@t om 1com 。
本研究选用7B04铝合金预拉伸板, 制成蠕变
试验标准试件, 分别在不同时效温度下进行不同应力水平的多组蠕变性能试验。在性能试验的基础上, 对试验数据进行分析处理, 建立能直接用于有限元数值模拟的蠕变本构模型。
1 蠕变的经验规律
二十世纪初, Andrade 首次提出了蠕变这个名词, 并将典型的蠕变曲线分为以下三个阶段。 第一阶段是减速蠕变阶段又称过渡蠕变阶段, 这一阶段开始时的蠕变速率很大, 随着时间增加, 蠕变速率逐渐减小, 直至最小值; 第二阶段蠕变的速率几乎不变, 说明蠕变阻力随着变形增加(加工硬化) , 又由于回复作用而降低(软化) , 两个过程刚好达到平衡, 因此称它为稳态阶段。 第三阶段是蠕变速率不断增长, 到材料断裂称为蠕变加速阶段。由于第三蠕变阶段所经历的时间很短材料将失效, 所以通常情况下感兴趣的是蠕变第一和第二阶段。 在一定的温度下, 一个受单向拉伸应力的试样的蠕变应变ε随时间而增加的规律与温度、应力、时
[3]
间及组织状态有关, 一般可以用下述方程表示
ε=F (σ, T, t, s ) (1) 式中, σ—应力; T —温度; t —时间; s —材料结构因子。上述函数在一定的温度和应力范围内, 在固定的材料结构因子条件下, 可以分离为时间、温度、应力函数之积, 即:
ε=f 1(σ) f 2(t ) f 3(T ) (2
)
[3]
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式中, f 1(σ) —蠕变方程的应力分离函数, 其变化规
律称为蠕变应力律; f 2(t ) —蠕变方程的时间分离函数, 其变化规律称为蠕变的时间律; f 3(T ) —蠕变方程的温度分离函数, 其变化规律称为蠕变温度律。据此建立的蠕变理论主要有陈化理论、时间硬化理论、应变硬化理论、恒速理论等。 本工作所研究的是材料分别在不同温度下的蠕变规律, 并由此提出在不同温度下的蠕变本构模型, 因此在本文中不考虑蠕变的温度律, 本构关系可表示为:
ε=f 1(σS ) f 2(t ) (
(1) 蠕变的应力律 有关蠕变应力律1种, 如:
σn Nort on 公式 f 1) =A
σ0) Dort on 公式 f 1(σ) =C exp (σ/
σ0) Mcvetty 公式 f 1(σ) =A sin h (σ/
[4]
伸计双侧测量夹具的位移, 试验前用适当增量的力
检查引伸计的装卡质量, 必要时对引伸计进行调整, 使两侧读数的平均值与任一侧读数之差除以平均值的百分比不大于15%。用计算机对整个试验过程进行控制与数据采集, 实时记录轴力、变形等。212 试验方法 对于7B04铝合金, 通常的人工时效温度在110
[7]
～170℃, 时效时间不超过。温度过低蠕变效率低, 蠕时明显, 通过125℃, , 经过20h 蠕变应变1所示, 蠕变效率较低, 所以这个; 温度过高材料容易发生过时效, 导致材料的力学性能降低。因此本工作重点考察在145℃, 155℃, 165℃下20h 内材料的蠕变性能。根据本文的工程背景, 在某型号壁板的蠕变时效成形的生产中, 板料受压贴模后板的
[8]
主蠕变区(其发展趋势是从板的外层表面向中心部位发展) 的应力主要分布在200MPa 到300MPa 之间, 因此本文选择这个范围的应力作为试验应力进行恒温恒载蠕变试验。试验方案如表1所示, 每个应力水平两个以上试验, 取集中性较好的几组数据点拟合出一条曲线, 曲线上的点作为这个温度应力下的试验数据点
。
[6]
(4) (5) (6)
以上各式中除s 外其余皆为常数。 (2) 蠕变的时间律 材料蠕变变形随时间的变化规律因材料、施加应力及温度水平不同而呈现出差异, 可以用经验公
[5]
式表示, 也可以用理论公式表示。时间律函数通常以多项式的形式表达, Andrade 首先提出了时间律可表示为:
m l
(7) f 2(t ) =t +C t +D t
式中, m 为一个分数, l 为一个整数。这个经验公式
的每一项分别描述了蠕变的三个阶段, 即:瞬态蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段。
2 蠕变试验及本构关系的确定
211 试样制备及试验装置
试验采用7B04铝合金, 状态为T7451(预拉伸厚板经固溶热处理后在规定时间内, 施以一定量的永久拉伸变形, 然后进行双级人工时效) , 原材料厚50mm, 先铣成35mm, 沿厚度方向水切割切片, 再铣成3mm 的板条, 按照文献[6]线切割成蠕变标准试样。
图1 125℃, 300M Pa 下蠕变试验曲线
Fig 11 Creep test curve under 300M Pa at 125℃
表1 试验方案
Table 1 Test scheme
[***********][***********][***********][***********][***********][1**********] 蠕变试验在热环境电子万能试验机上进行。将试件放在保持恒温(可自动调节温度) 的加热炉内, 保证温度波动控制在±1℃, 实现恒温加载。试验机通过电子控制调节使试验机保持恒载, 试验机在使用范围内力值相对误差应不大于±110%, 示值相对变动度应不大于110%, 符合国标G B /T2039—1997的要求。应变测量采用固定在试件上的特殊引长夹具, 将夹具的端部从炉中引出, 然后采用两个轴向引
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213 试验数据及本构关系的确定
铝合金蠕变试验及本构模型建立95
通过试验, 得到了145℃, 155℃, 165℃下20h 内不同应力水平的时间22蠕变应变试验数据(蠕变应变、应力, 时间) , 采用能够较好描述试验中材料蠕变行为的本构模型, 对这些数据进行非线性最小二乘拟合, 得到了每个温度下的蠕变本构方程中的材料参数。 通过蠕变试验曲线可以看到, 在145℃下和试验应力范围内, 蠕变主要处于第一阶段, 因此在本构
m
方程中时间律采用f 2(t ) =t , 应力律采用f 1(
σ) =σ, 本构关系可表示为:A
ε=A σn t m ( 在155℃第一、二阶段, f 2(t )
m
σn , 本构关系可表=t +C t, 应力律采用f 1(σ) =A n
在165℃下和试验应力范围内, 蠕变主要处于
第一阶段和第二阶段, 同样也采用式(9) 的本构关系。
根据上述分析, 通过对蠕变试验数据拟合, 得到了本构方程中的材料参数, 见表2所示。
表2蠕变本构方程材料参数
Table 2 Constants of creep constitutive equati on Te mperature /℃
145A
n
m
C
9. 21. . . 6. 9180
0. 473440. 382000. 23300
—
0. 10000. 2393
示为:
ε=A σn (t m +C t )
(9)
根据试验数据及拟合结果画出纵坐标为蠕变实
际应变, 横坐标为时间的蠕变试验数据点和拟合曲线, 如图2所示, 可看出所得到的本构关系能较好的描述材料在20个h 内三个温度下一定应力范围内不同应力水平条件下的蠕变行为。
图2 7B04铝合金蠕变拟合曲线和试验结果
Fig 12 7B04alu m inu m all oy creep fitting curves and test result (a ) 145℃; (b ) 155℃; (c ) 165℃
1990
3 结论
(1) 试验得到了7B042T7451铝合金预拉伸板的蠕变曲线, 通过分析建立了材料蠕变行为的本构模型, 能较好地描述材料的蠕变行为。 (2) 温度、时间、应力对7B04铝合金的蠕变行为都有较大的影响, 当温度一定时, 应力增大, 蠕变变形随之增大; 同样当应力水平一定时, 温度升高, 蠕变变形也随之增大。
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I nternati onal
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Alu m i n u m Alloy Creep Test and Its Constituti ve M odeli n g
HUANG Shuo , WAN M in , HUANG L in , CH I Cai 2l ou , J I Xiu 2sheng
21Technol ogy Research I nstitute, Shenyang A ircraft I ndustry Cor porati on L i m ited, Shenyang 110034, )
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(11School of Mechanical Engineering and Aut omati on, Beijing University of Aer onautics and A str onautics, Beijing 100083, China;
Abstract:Creep age for m ing technol ogy was devel oped f or shape one 2p iece panels of the ne w generati on m ilitary and civilian large aircraft 1I n order t o m ing and p resent alu m inu m all oy creep constitutive model used in creep age f or m ing si on, m all oy creep mechanical p r operty was studied by carrying out creep tests under different at such as 145℃, 155℃and 165℃1Result shows that te mperature, ti m e and stress level 1A set of creep constitutive equati ons that can describe the material creep be 2havi or app r op riately were p in light of the creep experience la ws, and the material constants of creep constitutive equati on were fitted by method of nonlinear least squares 1
Key words:7B04alu m inu m all oy; creep age f or m ing; creep test; constitutive model