热传导对5083 铝合金热压缩试验变形行为影响的有限元模拟研究

陈纪强，盘健进，桑高峰

（广西柳州银海铝业股份有限公司，广西 柳州 545000）

热压缩变形试验是一种被广泛使用的试验方法，主要用于在不同变形温度、变形速率和变形量条件下利用热力实验模拟装置对小试样的各种变形过程进行模拟，可快速、准确地获得材料在试验条件下性能和组织的变化规律，从而为实际生产中定制各种热加工工艺提供准确的参考依据[1，2]。目前，对5083 铝合金热压缩模拟试验的文章很多，但对热压缩试验过程自身影响因素的研究较少[3]。本文通过采用DEFOM-3D 有限元模拟软件模拟5083 铝合金在变形温度为400℃、应变速率为0.13s-1、热传导时间分别为0s、0.5s、1s 以及1.5s 条件下的热压缩变形过程，研究了5083 铝合金在热压缩时与压缩模具之间的热传导对试样形态、载荷力以及应变分布的影响规律，为实际工业生产提供参考依据。

1 试验材料与方法

本试验采用DEFORM-3D 数值模拟软件进行建模并对热压缩过程进行有限元模拟。模拟试样尺寸为Φ10×15mm，为减少计算量，选取圆柱体试样的1/2 进行模拟运算；两端压头材料特征设定为刚性，压缩试样材料选用5083 铝合金；试验过程中一端固定，另一端以恒定应变速率0.13s-1沿Z 向变形至50%（真应变0.69）；分别选取均温试样与低温模具接触0s、0.5s、1s 以及1.5s 不同时间热传导后进行热压缩模拟；为了使试验更具有针对性，热压缩过程中不考虑摩擦因素的影响，且只考虑试样与模具之间的热传导。

2 试验结果与分析

2.1 热传导时间对试样形态的影响

如图1 所示为5083 铝合金在热传导时间分别为0s、0.5s、1s和1.5s 条件下以0.13s-1速度经50%热压缩变形后试样的最终形态。从图1（a）可知，在最理想情况下，即不存在试样与模具之间的热传导时，试样热压缩变形均匀，无鼓肚现象发生。当试样与模具之间存在热传导时，试样热压缩时产生变形不均匀，发生鼓肚现象。这是因为当试样与模具之间存在热传导时，试样端面由于与模具接触，形成端面低温区，而此时心部温度较高，使得试样变形时两端面被限制难于变形，也难以自由扩展，而越靠近心部区域则限制越小，越容易发生变形，热压缩变形出现不均匀，同时由于变形时整个试样体积不发生变化，这就必然导致中间尺寸大于两端面，从而出现鼓肚现象[4，5]。随着热传导时间的增加，试样热压缩变形不均匀性减小，鼓肚现象越不明显。这是因为随着热传导时间的增加，试样整体温度均匀性趋于一致，端面温度与中心温度差逐渐减小，因此变形均匀性得到改善，鼓肚现象越不明显。

图1 不同热传导时间下试样热压缩模拟结果

图2 不同热传导时间对载荷力的影响

2.2 热传导时间对应力-应变曲线的影响

如图2 所示为5083 铝合金在热传导时间分别为0s、0.5s、1s和1.5s 条件下载荷力随模具行程的变化。从图2 可知，随着热传导时间的增加，载荷力也不断增大，即热传导对载荷力影响较大，表明试样与模具之间热传导时间越长，热压缩变形时应力-应变曲线结果越不准确。这是因为当试样与模具之间存在热传导时，试样温度会不断降低，而温度越低，5083 铝合金的变形抗力越大，对应的模具载荷力也必须随着增加。因此，在进行热压缩模拟试验时，需保证试样与模具温度的均匀性以减少对载荷力的影响。

2.3 热传导时间对应变的影响

图3 不同热传导时间下试样的应变分布图

如图3 所示为5083 铝合金在热传导时间分别为0s、0.5s、1s和1.5s 条件下试样纵截面的应变分布图。试样与模具之间的热传导对应变分布有很大的影响。从图3（a）可知，在热传导为0的理想条件下，试样各区域的应变量都相同，且与初始设置的名义应变量一致均为0.69，在图中表示为青色区域。当试样与模具之间存在热传导时，应变分布开始出现不均匀现象，从端面到心部逐渐变大，且名义应变集中在1/4 高度区域，如图3（b）所示。随着热传导时间的增加，热压缩变形的不均匀性得到改善，试样两端部的低变形区域减小，名义区域增加。这是因为热传导时间较短时，试样上下两端面与模具接触而温度降低较快，此时心部温度较高，热压缩变形主要发生在变形抗力较低的心部。随着热传导时间的增加，试样整体的温度趋于一致，变形抗力也趋于一致，从而导致热压缩变形趋于均匀。

3 结论

（1）5083铝合金热压缩时，当试样与模具之间存在热传导时，试样热压缩时产生变形不均匀，发生鼓肚现象，随着热传导时间的增加，试样热压缩变形不均匀性减小，鼓肚现象越不明显。

（2）5083 铝合金热压缩时，热传导对载荷力影响较大，表明试样与模具之间热传导时间越长，热压缩变形时应力-应变曲线结果越不准确。

（3）5083 铝合金热压缩时，当试样与模具之间存在热传导时，应变分布开始出现不均匀现象，从端面到心部逐渐变大，且名义应变速率和应变集中在1/4 高度区域，随着热传导时间的增加，热压缩变形的不均匀性得到改善，试样两端部的低变形区域减小，名义区域增加。