鋁合金材料成形性能研究

文/何成，周晶晶·安徽江淮汽車集團股份有限公司

針對兩種當前車身常用的鋁合金材料，通過單向拉伸試驗和液壓脹形試驗對材料的力學性能進行研究。首先通過單向拉伸試驗研究兩種鋁板材料的力學性能參數，得到了真實的應力-應變曲線，然后通過液壓脹形試驗研究和對比兩種鋁材的成形極限，最后分析了兩種材料的脹形微觀性能。

隨著汽車輕量化和個性化的發展，汽車車身材料更多的選擇鋁合金等輕質材料，鋁合金部分替代原有鋼材，被廣泛應用于汽車車身制造。其材料特性的變化不僅影響著成形工藝的制定，材料的強度和厚度也影響到成品的使用性能。

目前，汽車車身覆蓋件所選的鋁合金材料大多為5xxx和6xxx材料。該材料雖具有強度高、性能好的優點，但其室溫下延伸率低、塑性變形能力差、回彈嚴重等問題，使傳統沖壓成形工藝很難滿足零件制造的要求。況且，鋁合金板材表面極易被模具劃傷，易產生沖擊線、滑移線等缺陷，難以滿足汽車覆蓋件表面高精度要求。因此，迫切需要確定汽車車身覆蓋件用鋁合金材料的力學性能、成形極限及成形微觀組織演化，進而為合適成形制造工藝的選取及鋁合金材料在汽車領域的應用提供一定的理論依據。本文選擇了當前車身應用較為廣泛的兩種鋁合金材料，分別為鋁合金5182-O和6016-T4，對材料進行了單向拉伸、液壓脹形試驗及微觀掃描和電鏡SEM觀察。

單向拉伸試驗

首先對鋁合金5182-O和6016-T4材料進行單向拉伸試驗，獲取其力學性能參數和應力-應變本構關系。單向拉伸試驗設備采用電子萬能試驗機，試樣尺寸及試件，如圖1和圖2所示。

圖1 單拉試樣尺寸

圖2 單拉試件

單向拉伸試驗獲取兩種板材的力學性能參數5182-O見表1，6016-T4見表2，兩種材料的應力-應變本構關系曲線如圖3和圖4所示。

圖3 鋁合金5182-O真實應力-應變曲線

圖4 鋁合金6016-T4真實應力-應變曲線

脹形試驗

試驗裝置

脹形試驗是研究材料成形性能的重要基礎試驗之一，按照試驗方式的不同可分為剛性Erichson試驗和液壓脹形試驗。由于本課題是基于充液成形工藝的大型鋁合金覆蓋件成形，故采用液壓脹形研究材料的成形性能。

液壓脹形試驗裝置簡圖如圖5所示，成形過程通過壓邊筋壓緊法蘭處材料限制其流動，同時通過壓力傳感器和位移傳感器獲得脹形液室壓力和板料脹形高度，壓力和位移測量裝置如圖6所示。為了獲得成形試件的極限應變，采用網格法測量脹形件的應變分布。同時為了獲得鋁合金板材液壓成形極限圖，通過更換不同橢圓度凹模獲得不同應力狀態下的脹形試件，試驗采用的圓形凹模直徑為φ100mm，橢圓凹模其長軸(a)為100mm，短軸(b)依次為100mm、80mm和60mm，橢圓度(b/a)分別為1.0、0.8、0.6，如圖7所示。

圖5 液壓脹形試驗裝置簡圖

表1 5182-O鋁合金板材力學性能參數

表2 6016-T4鋁合金板材力學性能參數

圖6 壓力和位移測量裝置

試驗結果

脹形試驗得到的試件，如圖8所示。以鋁合金5182為例，3種凹模形狀下試件極限脹形高度分別為26.0mm、25.1mm和24.5mm，如圖9所示。可以看出，隨著凹模比率減小，材料極限脹形高度也減小。

圖7 脹形用不同橢圓凹模

圖8 橢圓凹模液壓脹形試件

圖9 鋁合金5182-O試件極限脹形高度

圖10 試驗材料極限圖

成形極限泛指板材塑性成形過程出現拉伸失穩或壓縮失穩前所能承受的最大變形程度，不僅反映了板材在塑性失穩前所具有的最大變形能力，也是衡量各種成形方法、成形性能的重要指標。為了獲得不同應變條件下的板材成形極限，采用不同橢圓度凹模進行兩種板材液壓脹形試驗，通過應變網格測量方法得到兩種板材破裂極限曲線，如圖10所示，從圖中可以看出，鋁合金5182-O較6016-T4成形極限高。

微觀性能

圖8為三種凹模下鋁合金5182-O和6016-T4的脹形試件,斷口形貌如圖11和12所示，可以看出，對于鋁合金5182-O，當凹模橢圓度(b/a)為1.0時，試件破裂位置在頂點處并兩端沿45°軋制方向擴展，斷口中心位置分布韌窩，形狀為橢球形，密度較小。韌窩兩側分布著剪切唇，斷口類型為韌窩-剪切型。當凹模橢圓度(b/a)為0.8和0.6時，試件破裂形式均為頂點處破裂，裂紋沿軋制方向分布并沿垂直軋制方向發展。斷口截面布滿韌窩，韌窩密度較大，大韌窩內分布著小韌窩，韌窩形狀多為球形和橢球形，斷口類型為典型的韌窩型斷裂。對于鋁合金材料6016-T4，三種凹模形式試件斷面均貫穿不同形狀韌窩，均為韌窩型斷裂。

圖11 鋁合金5182-O斷口形貌

圖12 鋁合金6016-T4斷口形貌

鋁合金5182-O和6016-T4在三種凹模相同脹形高度下，試件頂點位置微觀組織形貌如圖13和14所示。可以看出成形過程兩種材料均有部分析出相，有的為針狀、有的為點狀。這些析出相均可能成為裂紋的形核位置，是潛在破裂的位置。對兩種材料而言，凹模橢圓度(b/a)為1.0時試件的析出相較少，橢圓度(b/a)為0.8時試件析出相形狀尺寸及數量均多于橢圓度(b/a)為1.0時，而橢圓度(b/a)為0.6時的析出相最多，潛在破裂性也較大，最容易發生破裂缺陷。

圖13 鋁合金5182-O微觀組織形貌

圖14 鋁合金6016-T4微觀組織形貌

結束語

伴隨著鋁合金材料在車身上的應用越來越廣泛，鋁合金材料的種類和性能直接影響到新制造工藝的選取及最終產品的性能。本文通過橢圓凹模液壓脹形試驗確定了5182-O板材的極限脹形高度，其中不同橢圓度0.6、0.8和1.0的極限脹形高度分別為24.5 mm、25.1mm和26.0mm，得到了兩種鋁合金材料的成形極限圖。同時，兩種材料的斷口形貌顯示，均為典型韌窩型斷裂。材料變形過程均有一定的微觀析出相，這些析出相均是破裂的潛在發生位置。企業對鋁合金材料的試驗研究將轉化為技術參數，為后期的沖壓件工藝分析提供數據支持。