1、Z分类号 密级U D C. 编号中 南 大 学CENTRAL SOUTH UNIVERSITY硕 士 学 位 论 文论 文 题 目 汽车用 5182 铝合金温变形行为 及其拉深成形性能的研究 学科 、专业 材料加工工程 研究生姓名 黄 电 源 导师姓名及专业技术职务 王孟君 教授 原 创 性 声 明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签
2、名： 日期： 年 月 日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。作者签名： 导师签名： 日期： 年 月中南大学硕士学位论文 摘要摘 要轻质材料在汽车上的应用已成为当前汽车工业研究的热点问题。5182 铝合金具有优良的力学性能和成形性能，是一种能应用到汽车车身的轻质材料。本文开展了 5182 铝合金温变形行为及其拉深成形性能的研究，为进一步开发和优化 5182 铝合金车身板提供依据。通过单
3、向温拉伸实验对 5182 铝合金在变形温度为 50300、应变速率为 0.0010.1s-1 范围内的流变应力行为进行了研究，得到了合金的真应力真应变曲线。采用改进后的 Fields-Backofen 方程，并拟合应变硬化指数 n、应变速率敏感性指数 m 和材料强度系数C，建立了 5182 铝合金板在不同变形温度和应变速率下的本构方程。通过金相显微镜、扫描电镜以及透射电镜对温拉伸后的组织和断口进行了观察分析，揭示了温变形过程中的动态回复和动态再结晶行为。通过 5182 铝合金板材的温拉深成形实验，研究了其温成形性能及工艺，并分析了拉深试样的断裂行为。在变形温度为 250，压边力为 3.0N/m
4、m2，变形速率为 0.1mm/s，并采用半固体润滑剂进行拉深变形时，5182 铝合金板可获得较优的拉深成形性能，拉深极限比达 2.5。在拉深过程中，裂纹容易在凸缘圆角与直边所形成的过渡区域相邻的直壁上产生和扩展，最终导致板料拉裂。n 值是评估 5182 铝合金板拉深性能的最佳参数。在相同的变形温度下，应变硬化指数 n 值越大，极限拉深比 LDR 越大；在不同的变形温度时，LDR 与 n 值的变化规律主要取决于其塑性变形能力和应变硬化能力两方面相互作用的结果。随着变形温度的增加，n 值减小，LDR 值逐渐变大，达到最大值；随后 n 值继续减小，而 LDR值则逐渐变小。关键词： 5182 铝合金，
5、温变形行为，拉深成形，本构方程，微观组织，成形性能中南大学硕士学位论文 ABSTRACTABSTRACTLightweight materials in automotive applications have become a hot issue on the auto industry. 5182 aluminum alloy has become one of the automotive lightweight materials because of its excellent mechanical properties and forming properties. In this
6、 paper，the temperature deformation behavior and drawing performance of 5182 aluminum alloy were studied in order to provide the basis for the further development and optimization of 5182 aluminum body sheets. Through the simple temperature tensile test on the 5182 aluminum alloy in 50300temperature,
7、 0.0010.1s-1 strain rate stress range， temperature tensile deformation behaviors were explored. The true stress-strain curves were obtained. Using the improved Fields-Backofen equation and fitting the values of n， m and C， the constitutive equation of 5182 aluminum alloy was established on different
8、 deformation temperature and strain rates. Through the microscope， scanning electron microscopy and transmission electron microscopy， the Microstructure and fracture after deformation were observed and analyzed. Dynamic recovery and recrystallization in the process of temperature deformation were st
9、udied.Furthermore, through the warm drawing experiments, the paper has researched the warm forming performance and technology of 5182 aluminum alloy, and analyzed its fracture behavior of the drawing process. Under the technological condition of forming temperature 250， blank holder force 3.0N/mm2，
10、drawing speed 0.1mm/s and semi-solid lubricant， 5182 aluminum alloy can gain optimum drawing performance， and the drawing limit ratio (LDR) can reach 2.5. In the drawing process， the cracks in the flange fillet with straight edge have formed and expanded by the transitional region adjacent the strai
11、ght wall， which eventually led sheet fracture.The strain hardening index value (n) is the best parameter to assess the drawing performances of the 5182 aluminum alloy sheet. In the same deformation temperature， greater the n value is， greater the drawing limit ratio (LDR) is. However, in different d
12、eformation temperature, the forming performance of 5182 aluminum alloy sheet depends mainly on the result of the interaction between plastic deformation ability and strain hardening capacity. With the increase in temperature deformation, n values decrease, but LDR values become bigger gradually and
13、reach the maximum. Subsequently, n values continue to decrease, but LDR values begin to decline gradually.Key words: 5182 aluminum alloy, warm deformation behavior, drawing, constitutive equation, microstructure evolution, forming properties中南大学硕士学位论文 目录I目 录第一章 文献综述 .11.1 引言 .11.2 汽车用铝合金板的发展及研究现状 .2
14、1.2.1 国内外的发展概况 .21.2.2 2000 系和 6000 系汽车用铝合金板 .31.2.3 5000 系汽车用铝合金板 .31.2.4 汽车用铝合金板存在的问题 .41.3 汽车用铝合金板成形特性 .51.3.1 铝合金板材成形的分类 .61.3.2 铝合金板材的成形性能 .81.3.3 提高铝合金板成形性的特殊成形法 .101.4 铝合金的温拉伸变形行为 .111.4.1 流变应力-应变曲线特征 .121.4.2 本构方程的研究 .121.4.3 微观组织演变 .141.5 铝合金板材温成形工艺的研究现状 .161.5.1 温度组合模式的影响 .161.5.2 压边力的影响 .
15、161.5.3 润滑条件的影响 .171.5.4 其他成形条件的影响 .171.6 本课题研究的目的和意义 .18第二章 实验过程与方法 .192.1 实验方案 .192.2 实验材料及其制备 .202.3 温拉伸实验 .202.4 微观组织观察 .212.4.1 金相组织（OM）观察 .212.4.2 拉伸断口形貌（SEM）观察 .212.4.3 透射电镜（TEM）观察 .212.5 温成形实验 .21第三章 5182 铝合金温拉伸变形行为的研究 .243.1 真应力真应变曲线 .243.2 本构方程的建立 .263.2.1 本构模型的选择 .263.2.2 材料常数的计算与拟合 .273.
16、2.3 计算结果与实验结果比较 .313.3 微观组织分析 .313.3.1 金相组织 .313.3.2 断口形貌 .343.3.3 TEM 组织 .36中南大学硕士学位论文 目录II3.4 温变形软化机制探讨 .393.4.1 动态回复机制 .393.4.2 动态再结晶机制 .40第四章 5182 铝合金温拉深成形性能的研究 .424.1 成形工艺参数对成形性能的影响 .424.1.1 温度对成形性能的影响 .424.1.2 压边力对成形性能的影响 .434.1.3 拉深速度对成形性能的影响 .444.1.4 润滑条件对成形性能的影响 .454.2 断裂行为分析 .474.2.1 拉深成形的
17、断裂特征 .474.2.2 拉裂断口形貌 .484.3 成形性能与材料性能参数的相关性 .50第五章 结 论 .53参考文献 .54致 谢 .59公开发表论文和获奖情况 .60中南大学硕士学位论文 第一章 文献综述1第一章 文献综述1.1 引言随着汽车产业在全球的迅速发展，环境污染和能源短缺两大社会问题日益突出，这就促使汽车产业不得不将持续发展的核心放在能源和环保上，同时各国政府也在要求汽车制造企业降低其产品的能耗、减少污染、提高燃料的经济性 1，2 。在当代新能源技术发展尚未成熟时，汽车轻量化无疑是改善汽车上述性能的最佳途径。有数据表明 3：汽车自身的重量每降低100kg，油耗就可以减少0.
18、7L/km。因此，最大限度地降低汽车自重成为当前各汽车企业开发的热点。而实现汽车轻量化的途径有 4：小型化，发展小排量汽车；结构的合理化，汽车及零部件的优化设计；轻量化材料的应用。其中采用轻量材料是减轻汽车自重最简单有效的方法，因此，轻量化材料在汽车上的应用成为当前汽车工业研究的热点问题。近年来汽车用钢材的占有量在不断下降，铝、镁等轻合金及塑料、复合材料的应用大幅增加 1，2，5 。与钢铁材料相比，铝合金具有密度小、比强度和比刚度较高、弹性好、抗冲击性能好和相当高的再回收率、再生率等一系列优良特征，因此受到人们的普遍关注。用铝合金材料作为汽车车身内外板代替传统碳钢板，可使车身减重大约47%，降
19、低油耗达28.2%。而且承力相同时，铝合金比钢轻60% ；承受同样的冲击，铝板比钢板多吸收50%的冲击能，更具安全性 6。镁合金的密度仅为铝的2/3，意大利Fiat公司也成功开发镁合金使汽车部件减重25 7，但考虑到镁合金存在易腐蚀、强度相对较低、高温蠕变抗力较差及价格等综合因素，铝合金无疑是现代汽车工业中最具竞争力的轻质材料。据欧洲铝业协会预测 8：在今后5年内平均汽车耗铝量将达150kg/辆，2010年世界汽车年耗铝量将达1000万吨。美国资深汽车工程师David Scholes9也预言：未来轿车上的每一个零件都可用铝合金来生产，1015年后会有越来越多的铝合金用于汽车，而且铝合金制品完全
20、可能比塑料还轻。Rolls-Royce 10推出的一款轿车，其车身框架全部是用铝合金制成，是迄今为止在轿车上使用的最大的铝合金整体结构。虽然目前铝合金的成本仍比钢铁材料贵，但随电力工业和冶炼技术的发展，必然带来其产量巨增而成本下降，同时从汽车工业的可持续发展来看，铝合金大规模的进入汽车工业领域已为时不远，21世纪必将是汽车铝化的时代。汽车工业作为我国国民经济的支柱产业之一，未来五年对铝合金材料的需求量将达3240 万吨 3，7 ，汽车工业将成为我国铝合金材料的重要消费市场之一。我国铝资源丰富，应用铝及铝合金无疑是汽车产业蓬勃发展的重要保证，因此中南大学硕士学位论文 第一章 文献综述2研究和开发
21、汽车用铝合金具有重要的意义。1.2 汽车用铝合金板的发展及研究现状1.2.1 国内外的发展概况汽车车身是汽车中用材量和质量最大的部件，约占汽车总重量的30 2，所以汽车车身的轻量化对于减轻汽车自重具有重要的意义。在汽车车身铝合金板的研究和应用方面，美国、日本和德国等汽车工业强国一直走在世界的前列。早在20世纪初期，美国就将铝合金板用到汽车车身上，如福特公司生产的“黑貂”汽车；日本汽车使用铝合金板起源于1985年马自达产的RX-7汽车的顶盖，接着1990年推出的Acura NSX型全铝运动车 1，11 。近年来，日本国内也开始在一些批量生产的汽车上采用铝合金板，如日产汽车公司生产的Sedrick
22、车等，其使用部位主要是顶盖。日产Seama车的行车箱盖、丰田Alttzewafon车的后门也采用铝合金板，并且轻型汽车也开始采用铝合金板 12。德国奥迪公司面向欧洲市场投放的A8型铝制汽车，自重减轻 46.8%，结构件的刚性/ 质量比提高14% 12。可见汽车用铝合金板的研究具有十分重要的地位。目前汽车工业的先进技术均掌握在发达国家和跨国公司手中，由于相关的工业设计、材料标准、关键专利技术等都受到严格的知识产权保护，从而严重制约了我国汽车工业的发展。第一汽车集团公司与美国福特公司联合设计的高级红旗轿车，原设计为铝制发动机盖板，但由于国内尚未生产轿车外车身用铝合金板材，不得不用钢板制造 3。除此
23、之外，奥迪A6 型和A9 型等轿车也存在此类问题 11，12 。因此铝合金板材在国产汽车上的应用具有非常大的潜力，同时开发高质量汽车用铝合金材料及其成形工艺也是大势所趋。近年来，国内关于铝合金车身板的研究开展过一些工作，如中南大学的汪明朴 6等人在 6010合金中加入一定量的富Ce混合稀土，研究了该合金的时效特性，发现添加稀土的6010铝合金车身板材成形性能和力学性能优于6010板材；郑州大学的关绍康 13等人对6000系车身板铝合金时效析出方面也做了一些研究，但这些研究均未形成系统化。此外，我国的铝加工厂生产车身板的经验少，东北轻合金加工厂曾试产过轿车车门用5000系铝合金板，但其强度和抗凹
24、陷性不能满足车身板的要求。同时受轧机辊身长度的限制，其板材宽度最大为1600mm，难以满足制造轿车车身冲压件广泛需求的宽度大于1800mm的板材 14。西南铝加工厂现有一条1+1 铝板带热粗精轧生产线，工作辊宽度为2800mm，并具有良好的高精深冲板材的生产条件，有能力生产幅宽大于1800mm的铝合金车身板 3。特别是 1+4热连轧的升级改造，使其铝加工热轧设备达到世界先进水平，中南大学硕士学位论文 第一章 文献综述3为我国车身用铝合金板的发展创造条件。虽然我国汽车车身铝合金板的应用基本属空白，但应加快研究步伐，尽早开发出具有我国独立知识产权的新型汽车车身铝合金板。1.2.2 2000 系和
25、6000 系汽车用铝合金板2000 系和 6000 系铝合金均属于热处理可强化的合金，都具有较高的强度和一定的冲压成形性能，还具有高的焊接性能、抗腐蚀性能，可以在涂漆后的烘烤期间发生沉淀硬化作用 6。2000系合金主要以Cu和Mg为合金元素，其强化相为CuAl 2或CuMgA1 2。该系合金拥有良好的锻造性、较高的强度和一定的烤漆硬化性 6，13 。不过2000系铝合金的抗蚀性比其他工业铝合金差。在北美，AA2036和AA2008被认为是2000系铝合金中较为适用于车身板的合金 6， 15。AA2036合金是以CuAl 2为强化相的合金，具有良好的成形性而用于汽车外板，如车盖、底板盖，司机室等
26、，取代钢板时，可使外壁减轻5560% 6。但这种材料在低温人工时效时表现为强度下降，烤漆时要获得足够的强度，则需要较高的温度和较长的时间。然而，未来的烤漆温度很可能会因为新改进的环保型漆在汽车行业的应用而进一步降低，这样就限制了其在烤漆过程中获得强化。而AA2008合金为CuMgAl 2作强化相的合金，具有较好的成形性，而且在烤漆过程中不会表现出性能的降低 15。但这种材料由于强化相形核困难，时效硬化速度慢，烤漆硬化能力较低，因而其应用被限制于车身内板 16。6000系合金主要以Mg和Si为合金元素，该系合金强度适中，成形性和耐蚀性好，易着色，综合性能优良。通过涂装烘干(170200/2030
27、min)工序后强度得到提高，所以可以用于外板等要求强度和刚性均较高的部位 6，15 。欧美国家主要是以6000系合金为基础开发铝合金车身板，如车盖、后行李箱盖以及车门等车身构件。美国70年代研制了AA6009和AA6010两种汽车用铝合金板，其具有相近的力学性能，且T4状态下的屈服强度较低，约为 180MPa，但塑性较好，成形后喷漆烘烤过程中可实现人工时效，获得较高的强度，且不出现吕德斯线。这两个合金既可以单独用来做内外层壁板，也可用AA6009合金制造内层壁板，而用AA6010合金制造外层壁板，两个合金的废料不需分离，可以混合回收后自身使用或做铸件的原料 6。后来，美国相继开发了AA6022
28、和AA6111合金，AA6022合金的抗蚀性好，其6022-T4E29（为Alcoa 内部热处理）已专利化，并投入工业化生产。而AA6111在T4状态下的强度为150170MPa ，烤漆后的强度超过200MPa 1，这为制造车身板提供了良好的初始成形性和最终的使用性能。中南大学硕士学位论文 第一章 文献综述41.2.3 5000 系汽车用铝合金板在日本，由于要求汽车用铝合金板的成形性与钢材相近，因此主要以5000系为基础开发轿车车身用铝合金板材 14，17 。5000系合金属于Al-Mg 系合金，Mg是主要的合金元素，固溶于铝基体中，是一种热处理不可强化合金，其强度、成形性和抗腐蚀性等方面具有传统碳钢板的优点 16。5000系合金存在两个缺点 14：吕德斯线和吕德斯延迟。吕德斯线是产品表面出现一系列新台阶或锯齿状变形带。如果晶粒尺寸
