CN108710729A - 一种基于组织与性能控制的铝合金热成形工艺制定方法 - Google Patents

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李欢欢
胡志力
张文沛
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Abstract

本发明提出一种基于组织与性能控制的铝合金热成形工艺制定方法，包括以下步骤：1)针对铝合金做在特定工艺条件下力学性能、微观组织测定系列实验，收集实验结果数据；2)由上述实验收集而来的结果数据确定铝合金热成形工艺参数和其力学性能与微观组织之间的关系模型；3)利用所建立的模型进行铝合金热成形零件不同工艺条件下的力学性能与微观组织的精确计算，在此基础上进行热成形工艺的制定。本发明可针对所要求的组织和性能制定精准工艺，大大地减少了热成形工艺评定实验量，提高了生产效率。

Description

一种基于组织与性能控制的铝合金热成形工艺制定方法
技术领域
本发明属于汽车轻量化及金属板材成形加工的技术领域，尤其涉及一种基于组织与性能控制的铝合金热成形工艺制定方法。
背景技术
汽车轻量化成为汽车制造业发展的主要课题之一。铝合金因具有比强度高、密度小、耐腐蚀和可回收利用等特点，成为实现汽车减重的主要汽车轻量化材料。而铝合金在室温下成形性差，热成形工艺则可以解决这个这个问题，提高材料的成形性，生产形状复杂的汽车零件。在热成形过程中，涉及坯料、模具冷却系统和周围环境之间的热交换，坯料在成形时应力场和温度场不断发生变化，并伴随着内部微观组织的转变。内部微观组织发生了变化，必然会引起铝合金力学性能的变化。在现代零件生产流程的条件下，为了解决大规模生产与个性化需求之间的矛盾，只能最大限度地按照用户的需求组织生产。因此，如何根据产品的性能要求制定出合理的工艺路线，即组织-性能关系模型的逆向优化成为了当前现场最为关心的问题。精确的工艺制定需要清楚的知道各个工艺条件下的微观组织和力学性能，造成成本提高，产品的力学性能与微观组织都是需要通过取试样进行检测得到的，这样不但需要进行大量的产品取样和检验工作，投入大量的人力和物力，还会产生大量的不良品和废品，而且增加了生产成本，延长了生产周期。
为了解决这个问题，多元回归、模糊数学及人工智能专家系统等技术都被用来尝试着进行工艺评定。文献“马闻宇,王宝雨,周靖,等.铝合金热冲压板件多目标优化[J].哈尔滨工程大学学报,2015(9):1246-1251.”通过响应曲面法及多目标遗传算法NSGA-Ⅱ获得了AA6082铝合金板热冲压的工艺参数取值范围，文献“Lin J,Liu Y.A set of unifiedconstitutive equations for modelling microstructure evolution in hotdeformation[J].Journal of Materials Processing Tech,2003,143(1):281-285.”中提出一种热成形过程中的多尺度微观组织模拟模型，能够准确有效的分析金属高温塑性成形过程中的微观组织演变，对基于组织预测的工艺制定具有重要意义，但是该模型不能对铝合金时效后的析出相含量及分布进行预测，而铝合金热成形后的力学性能与析出相含量和分布密切相关。因此目前的工艺参数优化方法只能考虑力学性能或者微观组织，缺乏考虑组织与性能之间的耦合，并且存在着随机性和不确定性。如何将变形过程中的微观组织变化以及成形后零件的性能联合起来进行铝合金热成形工艺的精准制定成为关键问题。前文所提到的多尺度微观组织模拟模型能实现铝合金热成形过程中位错、晶粒、再结晶体积分数随着变形量的变化规律，另外研究发现，变形量与成形件的硬度、硬度与强度之间存在一定的数学关系，因此将多尺度微观组织模拟模型结合变形量与强度关系模型能实现坯料在热成形过程中微观组织和力学性能的精准预测，利用该模型进行铝合金热成形工艺的精准制定将拥有广阔的前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种基于组织与性能控制的铝合金热成形工艺制定方法，。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于组织与性能控制的铝合金热成形工艺制定方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1)数据收集，在特定热成形生产工艺下针对铝合金进行力学性能和微观组织测定系列实验，记录热成形实验的结果数据；
S2)建立模型，根据记录的结果数据确定铝合金热成形工艺参数和其力学性能与微观组织之间的关系模型；
S3)工艺制定，利用所确定的关系模型对铝合金热成形零件不同工艺条件下的力学性能与微观组织进行精确计算，在此基础上反推出所需力学性能和微观组织的工艺参数，从而完成铝合金热成形满足组织性能的精准工艺制定。
按上述方案，所述步骤S1)中的铝合金热成形过程为：铝合金板材先在300～580℃温度范围内固溶1～60min，将固溶后的板材从加热炉转移至冷模过程中的温度降至300～550℃，进行应变速率在0.001～100/s的拉伸变形，记录板材在拉伸变形下的应力应变曲线，计算板材在拉伸变形过程中的应变量，当板材拉伸发生断裂后立即水淬，并在2h内进行1～24h时效强化处理，记录不同应变量下板材的硬度及强度；所述的微观组织的结果数据包括时效强化处理后的位错密度、晶粒大小、再结晶体积分数、析出相尺寸及分布和密度。
按上述方案，所述步骤S2)中的铝合金热成形工艺和力学性能与微观组织的关系模型由多尺度微观组织模拟模型以及应变-硬度-强度模型耦合组成。
按上述方案，所述步骤S2)中的铝合金热成形工艺和力学性能与微观组织的关系模型需满足精确度，通过该模型计算得到的热成形工艺和力学性能与微观组织预测值需满足相对误差≤5％。
本发明的有益效果是：1、提出一种基于组织与性能控制的铝合金热成形工艺制定方法，针对所要求的组织和性能制定精准工艺，大大地减少了热成形工艺评定实验量，提高了生产效率。
附图说明
图1为本发明一个实施例的流程图；
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
如图1所示，一种基于组织与性能控制的铝合金热成形工艺制定方法，包括如下步骤：
S1)数据收集，在特定热成形生产工艺下针对铝合金进行力学性能和微观组织测定系列实验，记录热成形实验的结果数据；
S2)建立模型，根据记录的结果数据确定铝合金热成形工艺参数和其力学性能与微观组织之间的关系模型；
S3)工艺制定，利用所确定的关系模型对铝合金热成形零件不同工艺条件下的力学性能与微观组织进行精确计算，在此基础上反推出所需力学性能和微观组织的工艺参数，从而完成铝合金热成形满足组织性能的精准工艺制定。
步骤S1)中的铝合金热成形过程为：铝合金板材先在300～580℃温度范围内固溶1～60min，将固溶后的板材从加热炉转移至冷模过程中的温度降至300～550℃，进行应变速率在0.001～100/s的拉伸变形，记录板材在拉伸变形下的应力应变曲线，计算板材在拉伸变形过程中的应变量，当板材拉伸发生断裂后立即水淬，并在2h内进行1～24h时效强化处理，记录不同应变量下板材的硬度及强度；所述的微观组织的结果数据包括时效强化处理后的位错密度、晶粒大小、再结晶体积分数、析出相尺寸及分布和密度。
步骤S2)中的铝合金热成形工艺和力学性能与微观组织的关系模型由多尺度微观组织模拟模型以及应变-硬度-强度模型耦合组成。
步骤S2)中的铝合金热成形工艺和力学性能与微观组织的关系模型需满足精确度，通过该模型计算得到的热成形工艺和力学性能与微观组织预测值需满足相对误差≤5％。
实施例一
现以一种7075铝合金板材为例，对本发明的实施方式作具体说明。
(1)针对7075铝合金板材在Gleeble-3500热模拟试验机上做热成形实验，在板材上使用先将板材进行475℃/30min的固溶处理，分别降到温度为350℃、400℃、450℃，应变速率为0.01/s、0.1/s、1/s下的热拉伸，拉断后立即喷水淬火冷却到室温，输出热变形过程中的应力应变曲线，并将拉断的试样进行120℃/24h时效处理；
(2)实验获得不同温度、应变速率和变形量下时效后的微观组织和力学性能，需测定的微观组织包括位错密度、损伤、晶粒大小、再结晶体积分数、析出相尺寸及其分布和密度；需要测定的力学性能包括时效后的不同变形量对应的硬度和强度；
(3)由上述收集而来的数据利用matlab软件来确定多尺度微观组织模拟模型中的常数值，自此7075热冲压工艺参数和其微观组织之间的映射关系模型已经建立；
多尺度微观组织模拟模型表示为：
σ＝E(ε-εp)
式中，各变量物理意义如表1所示，其余参数为材料常数(通过步骤(1)中所得到的数据来确定)，本例中的常数值如表2所示。
表1多尺度微观组织模拟模型中变量的物理意义
表2多尺度微观组织模拟模型中所确定的常数值
(4)由上述收集而来的数据利用origin软件来拟合确定铝合金热成形零件的变形量(应变)与硬度和强度之间关系模型，自此7075热冲压工艺参数和其力学性能与微观组织之间的映射关系模型已完成建立；
应变与硬度、硬度与强度关系式为：
(5)利用所建立的工艺参数与性能-组织的关系模型：式(1)和式(2)，可以进行任意特定力学性能及组织下的铝合金热成形工艺参数的制定。

Claims (4)

1.一种基于组织与性能控制的铝合金热成形工艺制定方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1)数据收集，在特定热成形生产工艺下针对铝合金进行力学性能和微观组织测定系列实验，记录热成形实验的结果数据；
S2)建立模型，根据记录的结果数据确定铝合金热成形工艺参数和其力学性能与微观组织之间的关系模型；
S3)工艺制定，利用所确定的关系模型对铝合金热成形零件不同工艺条件下的力学性能与微观组织进行精确计算，在此基础上反推出所需力学性能和微观组织的工艺参数，从而完成铝合金热成形满足组织性能的精准工艺制定。
2.根据上述权利要求1所述的一种基于组织与性能控制的铝合金热成形工艺制定方法，其特征在于，所述步骤S1)中的铝合金热成形过程为：铝合金板材先在300～580℃温度范围内固溶1～60min，将固溶后的板材从加热炉转移至冷模过程中的温度降至300～550℃，进行应变速率在0.001～100/s的拉伸变形，记录板材在拉伸变形下的应力应变曲线，计算板材在拉伸变形过程中的应变量，当板材拉伸发生断裂后立即水淬，并在2h内进行1～24h时效强化处理，记录不同应变量下板材的硬度及强度；所述的微观组织的结果数据包括时效强化处理后的位错密度、晶粒大小、再结晶体积分数、析出相尺寸及分布和密度。
3.根据上述权利要求1所述的一种基于组织与性能控制的铝合金热成形工艺制定方法，其特征在于，所述步骤S2)中的铝合金热成形工艺和力学性能与微观组织的关系模型由多尺度微观组织模拟模型以及应变-硬度-强度模型耦合组成。
4.根据上述权利要求3所述的一种基于组织与性能控制的铝合金热成形工艺制定方法，其特征在于，所述步骤S2)中的铝合金热成形工艺和力学性能与微观组织的关系模型需满足精确度，通过该模型计算得到的热成形工艺和力学性能与微观组织预测值需满足相对误差≤5％。
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