秦頤鳴，李德元，趙解揚(yáng)

(1.廣西平果百礦高新鋁業(yè)有限公司，廣西 百色 531400； 2.百色百礦集團(tuán)有限公司，廣西 百色 533000)

近年來，隨著軌道交通、智能通訊等先進(jìn)裝備制造業(yè)的發(fā)展，越來越多的鋁合金結(jié)構(gòu)件采用板材彎曲成型，因此，對(duì)鋁合金板材的彎曲性能提出了更高要求[1-2]。

一般采用支撐式彎曲法檢測(cè)鋁合金板材的彎曲性能，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 232、ISO 7438、ASTM E2180等，在彎曲試驗(yàn)后用肉眼觀察，試樣彎曲外表面無可見裂紋則評(píng)定為合格，而用戶一般要求的板材彎曲性能滿足使用工藝要求往往高于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(比如EN 485、GB/T 3880)。不同用戶的工藝彎曲參數(shù)繁多，促使鋁合金板材供應(yīng)商改造或購(gòu)買大型的彎曲試驗(yàn)設(shè)備，來滿足特殊客戶的工藝彎曲測(cè)試方法要求，且難以定量化板材彎曲性能并用于指導(dǎo)生產(chǎn)。

5182鋁合金作為工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的一種鋁合金，具有中等強(qiáng)度、良好的耐蝕性和焊接性等特點(diǎn)，主要用于加工易拉罐蓋、汽車板等[3-4]。本研究選擇國(guó)內(nèi)產(chǎn)量較大的5182-H111板材為研究對(duì)象，通過大量檢測(cè)5182-H111板材的拉伸性能(強(qiáng)拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率)和彎曲性能，摸索可以表征5182-H111板材彎曲性能的定量化指標(biāo)，并用于指導(dǎo)板材彎曲性能判定和生產(chǎn)。

1 試驗(yàn)研究方法

1.1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用5182-H111板材主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))符合GB 31180-2008標(biāo)準(zhǔn)的要求，Si 0～0.20%，F(xiàn)e 0～0.35%，Cu 0～0.15%，Mn 0.20%～0.50%，Mg 4.00%～5.00%，Cr 0～0.10%，Zn 0～0.25%，Ti 0～0.10%。試驗(yàn)用板材經(jīng)過半連續(xù)鑄造→均熱→熱軋工序，選擇4mm、6mm和8mm厚的5182-H111板材為研究對(duì)象，檢測(cè)同一塊板材的拉伸性能和彎曲性能。

板材彎曲性能試驗(yàn)方法為支撐式彎曲，參照ISO 7438執(zhí)行，如圖1所示，板材的彎曲試驗(yàn)按照EN485標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行彎曲，彎曲角=180°，折彎半徑=t(板材厚度)。彎曲試驗(yàn)后通過肉眼觀察板材表面形貌對(duì)彎曲裂紋進(jìn)行等級(jí)判定。板材拉伸試驗(yàn)方法參照GB/T 228.1進(jìn)行，采用美特斯CMT5305型材料試驗(yàn)機(jī)。應(yīng)該指出，本研究中彎曲試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)的板材取樣方向?yàn)檐埾颉?/p>

圖1 板材彎曲過程示意圖Fig.1 Diagram of plate bending test

2 結(jié)果與分析

2.1 板材拉伸性能和彎曲性能

通過肉眼觀察經(jīng)過彎曲試驗(yàn)的板材表面，將板材彎曲裂紋劃分為5個(gè)等級(jí)，各個(gè)等級(jí)特征如表1所示，彎曲裂紋等級(jí)數(shù)越小，板材彎曲性能越好。

表1 試驗(yàn)板材彎曲裂紋等級(jí)

圖2為5182-H111板材的拉伸性能和彎曲裂紋等級(jí)(Q)之間的關(guān)系，圖中的實(shí)心圓為同一彎曲裂紋等級(jí)板材的力學(xué)參數(shù)平均值。可以看出，(1) 彎曲裂紋等級(jí)(Q)和抗拉強(qiáng)度之間沒有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖2(a)所示；(2) 隨著屈服強(qiáng)度的降低，彎曲性能有提高的趨勢(shì)，如圖2(b)所示；(3) 板材伸長(zhǎng)率和彎曲裂紋等級(jí)(Q)之間存在較為明顯的線性關(guān)系，延伸率越高，板材彎曲性能越好，如圖2(c)所示。由于5182-H111板材的伸長(zhǎng)率A和Rm-Rp0.2(抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度之差)之間為線性關(guān)系為A=0.16(Rm-Rp0.2)+6.5，如圖2(d)所示，當(dāng)板材抗拉強(qiáng)度不變，降低屈服強(qiáng)度，可以提高板材的伸長(zhǎng)率，進(jìn)而提高板材的彎曲性能。可見，板材伸長(zhǎng)率可以表征彎曲性能。

圖2 5182-H111板材彎曲裂紋等級(jí)和力學(xué)性能之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between bending properties and mechanical properties of 5182-H111 plate

2.2 板材彎曲裂紋原因宏觀分析

5182-H111板材的伸長(zhǎng)率和彎曲裂紋等級(jí)之間存在較為明顯的線性關(guān)系，說明可以采用伸長(zhǎng)率來定量化板材的彎曲性能。板材的彎曲過程如圖1所示，假設(shè)彎曲過程中壓頭和板材的相切點(diǎn)為A、C點(diǎn)，并且板材厚度中心線Lc長(zhǎng)度保持不變，因此板材的AC側(cè)受壓，而BD側(cè)受拉，那么在彎曲過程中板材BD側(cè)的實(shí)際伸長(zhǎng)率A為：

A=(Le-Lc)/Lc=(t/2)/(t/2+r)

(1)

式中，t為板材厚度，mm；r為壓頭半徑或彎曲半徑，mm。可見，在理想的彎曲過程中板材延伸率隨著t增大或r減小而增高，并與彎曲角度Φ無關(guān)。在板材厚度t不變的情況下，提高伸長(zhǎng)率A，板材表面產(chǎn)生彎曲裂紋的臨界彎曲半徑r則變小，說明提高板材伸長(zhǎng)率可以提高板材的彎曲性能，如公式(1)所示。

為了驗(yàn)證公式(1)是否合理，對(duì)3種厚度(板厚4mm/6mm/8mm)規(guī)格5182-H111板材進(jìn)行不同彎曲半徑的彎曲試驗(yàn)，折彎角度為180°，彎曲性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2和圖3所示。隨著板厚增大，產(chǎn)生彎曲裂紋的彎曲半徑也增大。根據(jù)表2中板材的延伸率和公式r=(t/2)×(1-A)/A，可以計(jì)算板材產(chǎn)生彎曲裂紋的臨界彎曲半徑(圖3中實(shí)線所示)，可見大于臨界彎曲半徑的板材均不產(chǎn)生彎曲裂紋，而低于臨界彎曲半徑的板材均產(chǎn)生彎曲裂紋。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，通過公式r=(t/2)×(1-A)/A，板材的延伸率可以較為準(zhǔn)確地定量化表征板材的彎曲性能。

表2 3種厚度規(guī)5182-H111板材的彎曲性能統(tǒng)計(jì)

注：彎曲角度為180°；☆表示無裂紋；★表示有細(xì)微裂紋；★表示有可見裂紋

圖3 3種厚度規(guī)格5182-H111板材的臨界彎曲半徑Fig.3 Critical bending radiuses of 5182-H111 plates

根據(jù)板材厚度t和彎曲半徑r，可以計(jì)算產(chǎn)生彎曲裂紋的板材臨界伸長(zhǎng)率AO，如公式(1)所示，如果板材伸長(zhǎng)率A≥AO，則板材彎曲無裂紋，否則產(chǎn)生彎曲裂紋。本研究采用(A-AO)/AO作為板材產(chǎn)生彎曲裂紋的臨界彎曲裂紋參數(shù)，(A-AO)/AO值為負(fù)值且越小，說明板材產(chǎn)生彎曲裂紋的可能性越高或彎曲裂紋等級(jí)越高。實(shí)際生產(chǎn)條件下5182-H111板材彎曲裂紋等級(jí)和(A-AO)/AO之間的關(guān)系如圖4所示，可以看出，當(dāng)(A-AO)/AO值為負(fù)值且越小，板材裂紋等級(jí)(Q)越高，而當(dāng)(A-AO)/AO值為正值且越大，板材表面無裂紋。

圖4 5182-H111板材彎曲裂紋等級(jí)和(A-AO)/AO之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between classification of bending crack and (A-AO) /AO of 5182-H111 plate

如上所述，板材伸長(zhǎng)率和厚度、彎曲半徑之間的關(guān)系式為A=(t/2)/(t/2+r)，因此板材伸長(zhǎng)率可以定量化表征5182-H111板材的彎曲性能，彎曲裂紋參數(shù)(A-AO)/AO可以作為5182-H111板材是否產(chǎn)生彎曲裂紋的判斷標(biāo)準(zhǔn)，但該參數(shù)是否適用于其他鋁合金材料仍需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

3 結(jié)論

(1) 5182-H111板材伸長(zhǎng)率和彎曲裂紋等級(jí)(Q)之間存在較為明顯的線性關(guān)系，延伸率越高，板材彎曲裂紋等級(jí)越低，彎曲性能越好；

(2) 板材伸長(zhǎng)率和厚度、彎曲半徑之間的關(guān)系式為A=(t/2)/(t/2+r)，理論分析和統(tǒng)計(jì)結(jié)果均表明板材伸長(zhǎng)率可以定量化表征板材彎曲性能；

(3) 可采用(A-AO)/AO作為板材產(chǎn)生彎曲裂紋的臨界彎曲裂紋參數(shù)，當(dāng)(A-AO)/AO值為正值且越大，板材表面無裂紋，在穩(wěn)定化生產(chǎn)條件下可以不檢測(cè)彎曲性能；而當(dāng)(A-AO)/AO值為負(fù)值且越小，板材裂紋等級(jí)(Q)越高，需要進(jìn)步一檢測(cè)板材彎曲性作為出廠檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

[1] Nakanishi H， Asano M， Yoshida H. Effect of aging precipitates on the bendability of an Al-Mg-Si alloy[C]//Materials Science Forum. Trans Tech Publications， 2014， 794: 572-577.

[2] 侯英瑋， 王瑩. 5083 鋁合金彎曲性能的試驗(yàn)研究[J]. 大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2012，33(1): 65-68.

[3] 孟繁平. 5182 合金成分優(yōu)化研究[J]. 鋁加工， 2015 (3): 30-34.

[4] 王孟君，周威，任杰， 等. 汽車用 5182 鋁合金的溫拉深成形性能[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)，2010，41(3): 133-136.