基于Al6061合金高温流变特性的粘塑性凝固方程修正及本构行为研究

《Materials Chemistry and Physics》：Research on Modification of Viscoplastic Solidification Equation and Constitutive Behavior Based on High-Temperature Rheological Properties of Al6061 Alloy

Al6061合金半固态变形的粘塑性本构模型优化及验证，通过引入cohesion参数c重构流变方程，结合高温压缩实验数据修正Johnson-Cook模型，使应力应变预测误差从24.02%降至7.87%，显著提升复杂应力条件下的流变行为描述能力。

　　

张俊鹏|贾新宇|刘秦|关瑞|季成|艾兴刚|李胜利

辽宁科技大学材料与冶金学院，中国辽宁省鞍山市114051

摘要

在半固态金属变形的数值模拟中，准确确定金属粘塑性变形的起始点并使用高质量的本构方程对于模拟半固态下的粘塑性流变行为至关重要。与粘塑性相关的临界固相体积分数以及其他相关参数通常被用作预测粘塑性变形和模拟材料流动响应的计算基础。因此，本研究对Al6061合金的热加工本构行为进行了基础分析。通过引入粘聚力c来进一步改进和优化粘塑性方程，重新定义了与固相体积分数相关的流变参数A和B。在此基础上，开发了一种改进的Johnson-Cook (JC) 本构模型，用于表征Al6061合金在半固态加工过程中的流变行为，其预测误差从24.02%显著降低到7.87%，预测精度提高了67.5%。这一改进显著提高了该模型描述非平衡凝固条件下复杂流变行为的能力。

引言

由于对轻质工业产品需求的不断增加，结构优化与轻质材料应用的融合发展取得了显著进展。Al6061合金因其优异的加工性、耐腐蚀性和高温性能而被广泛应用于航空航天、汽车制造和铁路运输领域。然而，传统工艺生产的Al6061合金越来越无法满足某些特殊服务环境中的严格抗损伤要求^[1]。因此，探索新型制造工艺以提高Al6061合金的性能至关重要。半固态加工技术作为液态和固态之间的中间成形工艺，能够实现高质量、高效率的近净成形，并有效改善铝合金的强度和硬度等关键性能。当合金在固液共存状态下进行加工时，它们通常会在高温、应力等因素的影响下表现出复杂的流变行为^[2]。研究表明，铝合金在固液两相区域的流变行为由于固相和液相体积分数的影响而表现出粘塑性变形^[2]。随着固相体积分数的增加并达到临界点，固液混合物相转变为半固态，其流动行为会遇到显著阻力。在外部压缩力的作用下，两相区域内的固体骨架会发生压缩或膨胀，导致混合物相表现出粘塑性流变行为^{[3], [4]}。显然，两相的体积分数直接决定了金属的粘塑性变形行为。因此，确定粘塑性变形的临界固相分数并研究其粘塑性流变特性对于实现Al6061合金的稳定、高质量生产至关重要。

在确定金属粘塑性变形的临界固相分数时，通常参考Nguyen在1994年对A356合金进行的高温拉伸/压缩实验^[5]。Nguyen发现，铝合金粘塑性的临界固相分数强烈依赖于固相体积分数相关的参数。因此，准确计算这些固相体积分数相关参数对于确定固液两相区域内粘塑性变形的精确起始点以及表征该相域内的金属流变行为起着关键作用。在此基础上，Oyane^[6]、Abouaf^[7]等人开发了一个热力学模型，用于根据等效应力计算固相体积分数相关参数A和B^[6]。然而，需要注意的是，该模型中与参数A和B相关的函数最初是从高温粉末压实的背景下推导出来的。这一过程本质上是静水压的，缺乏拉伸分量且偏应力很小。目前，简单的压缩测试仍然是最广泛采用的表征金属粉末行为的偏应力测试方法，尽管它涉及不确定的流动方向并且与纯剪切条件有显著偏差。因此，Oyane等人的框架不能作为应用于干燥或液饱和粘塑性多孔介质时显著偏离完全静水压应力状态的可靠基础。与基本上经历静水压的金属粉末不同，半固态合金可能受到覆盖整个应力空间的应力作用。在这种情况下，当液体间隙压力相对于宏观测量的应力可以忽略不计时，固相体积分数函数就会出现^[8]。相关文献表明，这种固相体积分数函数表现出压缩特性，因此采用类似于干燥粉末压实时使用的等效应力公式来分析固体多孔介质是合理的。这表明，固相体积分数相关参数的解析公式可以有效描述两相区域中金属的粘塑性变形。在与半固态加工相关的研究中，大多数学者通常采用高温粉末压实拉伸和压缩测试来解释金属的流变行为^[9]。Bordeaux^[9]对固相体积分数约为f_s≈0.95的Al₁₂Zn₃Mg进行了比较轴向拉伸和压缩测试，发现给定应变率下，压缩过程中的轴向应力是拉伸过程中的2到5倍。对于含有更高液相分数的合金，预计也会出现类似的不对称性^[9]。这表明，从粉末压实模型中得到的流变参数A和B在描述液饱和条件下的半固态变形时适用性有限。

为了准确表征这些条件下的金属流变行为，许多学者从不同角度进行了研究。在这些方法中，Johnson-Cook模型因其适用于高应变率、高温和大变形条件而被广泛用于各种材料加工场景的应力-应变数值预测^[10]。Shivakumar^[11]和Liang^[12]研究了铝合金在高温拉伸变形过程中的应变率、断裂时间、断裂应力、断裂应变和试样伸长特性，确认了铝合金的变形行为在很大程度上取决于温度、应力和时间^[11]。Ding^[13]在加工硬化规则中引入了一个静态恢复项^[13]。Geng^[14]修改了JC模型中的应变率硬化系数^[14]。Xie^[15]修正了强度随温度和应变的变化^[15]。Chen^[16]研究了从室温到固相线的变形范围，并开发了一个解析模型来校正热软化效应^[16]。Wang^[17]通过加入温度依赖的应变软化项修正了温度-应变率乘积项^[17]。Xu^[18]调整了应变、温度和应变率对应变率敏感性的影响^[18]。Wang^[19]引入了一个新的温度项，以定量建立温度、弹性模量、恒压比热容和泊松比之间的内在关系^[19]。Li^[20]通过考虑动态再结晶效应修改了JC模型，以考虑温度依赖性^[20]。Xu^[21]研究了6061-T6铝合金在高速切割(HSC)下的剪切滑移变形特性，并根据应变硬化、应变率强化和热软化效应曲线的趋势对JC模型进行了三阶段优化^[21]。Shen^[22]分析了6061铝合金在高温压缩下的真实应力-应变曲线，发现流动应力与应变率和温度呈负相关^[22]。他们通过用Voce硬化模型替换应变项并调整应变率敏感系数和热软化指数修正了JC本构模型^[22]。Liu^[23]通过双向压缩-拉伸热膨胀测试获得了材料在温度范围内的应力-应变曲线^[23]。基于原始的加工硬化率模型，他们确定了一个高精度的成形温度范围，为实际制造提供了指导^[23]。Rudnytskyj^[24]研究了6061铝合金的热轧过程，并使用Garofalo-Arrhenius、改进的JC和Hensel-Spittel模型评估了各种塑性应变^[24]。然而，对于Al6061合金的半固态加工，尚未开发出能够准确描述应变率依赖性的非线性敏感性以及应变和应变率之间耦合效应的应力-应变本构方程^[24]。

本研究通过等温热压缩实验研究了Al6061合金在固液两相区域的应力-应变关系。详细分析了不同温度（580°C、590°C、600°C、610°C）和应变率（0.01 s^-1、0.1 s^-1、1 s^-1、10 s^-1）对Al6061合金流变行为的影响。进一步修改和优化了Al6061合金两相区域的粘塑性本构方程，具体确定了固相体积分数相关的流变参数（A和B）。此外，还开发并改进了一个改进的Johnson-Cook本构模型，以准确描述Al6061合金在两相区域的流变行为。

材料与方法

本研究聚焦于Al6061合金（化学成分见表1），在两相温度范围内进行了单次轴向压缩实验。使用THERMECMASTOR-Z100KN热模拟测试机（如图1所示）在不同加工温度和压缩率下对试样进行了热压缩测试。具体的实验程序如下：

标准的热压缩试样尺寸为Φ8 × 10 mm，采用线切割方式制备

应力-应变曲线

通过在不同变形温度（580 °C、590 °C、600 °C和610 °C）和应变率（0.01 s^-1、0.1 s^-1、1 s^-1、10 s^-1）下的等温热压缩实验获得了Al6061合金的应力-应变曲线，如图2所示。

在Jia等人的工作中^[1]，通过等温热压缩实验获得的应力-应变曲线分析了Al6061合金在两相区域的粘塑性变形行为

结论

基于Jia等人的研究^[1]，本研究在580 °C、590 °C、600 °C和610 °C的温度下，以及0.01 s^-1、0.1 s^-1、1 s^-1、10 s^-1的应变率下，通过单次热压缩实验分析了Al6061合金在固液两相区域的应力-应变关系。确定了应变率和变形温度对Al6061合金在两相区域应力-应变行为的影响

作者贡献声明

贾新宇：验证、项目管理、调查。张俊鹏：撰写——初稿、项目管理、调查、数据管理、概念化。关瑞：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、方法论、资金获取、概念化。刘秦：资源管理、方法论、数据管理。季成：撰写——审稿与编辑、监督、概念化。李胜利：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念化。艾兴刚：

利益冲突

代表所有作者，通讯作者声明不存在利益冲突。

数据可用性

本研究期间生成和/或分析的数据集可应要求向通讯作者索取

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了辽宁省创新联盟重大项目（2023JH1/11200012）、国家自然科学基金（52304352）以及辽宁高校基本科研经费（LJ212410146076、LJ212410146038、LJ222410146022、LJ232410146036）的财政支持。