【占美金属】人工时效时间对 6061 铝合金弯曲变形
的影响
人工时效时间对拉伸力学性能的影响
拉伸实验完成之后，将工程应力一应变曲线经过数据处理就可以得到试
样的真应力一真应变曲线 153-57，根据真应力一真应变曲线计算得到不
同热处理状态的 6061 铝合金材料的基本力学性能参数。
经过不同人工时效时长的热处理的 6061 铝合金板材的拉伸真实应力一
应变曲线如图 3-1 所示。在 ST 试样的拉伸曲线上可以明显观察到应力
一应变曲线并不是光滑的，而是出现了“锯齿”状的微小台阶，这被称为
是 PLC 现象。对产生该现象的理论解释，目前被广泛接受的是由于固溶
热处理后 6061 铝合金的第二相粒子 AIFeSi 在试样中均匀析出，由塑性
变形引起的晶格畸变使溶质原子聚集在析出相附近，随着塑性变形的过
程不断发生“钉扎”和“脱钉”的交替变化，在宏观上就表现为拉伸应力应
变曲线的不连续性。从图中可以看出，T6 态板材的延伸率远低于 ST 板
材，而拉伸应力明显高于 ST 板材，且随着人工时效时间的增长拉伸应
力逐渐增大。
图 3-2 所示是 6061 铝合金的应变硬化率曲线，实线是加工硬化率，虚
线是真应力。当加工硬化率 do/de 等于真应力σ时,材料在拉伸试验中开
始发生缩颈。当 ST 试样的塑性应变为 时，6061 铝合金试样出现
颈缩现象。当 T6-1h、T6-2h、T6-4h 和 T6-8h 试样的塑性应变分别为
、、、 时，6061 铝合金试样开始颈缩。可以看出，随着
人工时效时间的延长，6061 铝合金试样的加工硬化率逐渐变大。加工硬
化率曲线(实线)与真应力应变曲线(虚线)的交点提前，说明人工时效处理
使 6061 铝合金更容易发生颈缩变形。
不同人工时效的 6061 铝合金试样的各项材料性能参数如表 3-1 所示。
可以看出，材料的状态对其力学性能有很大的影响。ST 合金的屈服强度
o0.和抗拉强度最低，延伸率最高。随着时效时间的延长，T6 试样的屈
服强度 、抗拉强度 o 和应变硬化指数 n 值均明显提高，而延伸率和
应变硬化系数 K 则下降。T6-8h 试样的屈服比 caz/0,是 ST 试样的 4 倍。
随着人工时效时间的延长，T6 试样的屈服比逐渐减小。
图 3-3 为 ST，T6-1h，T6-2h，T6-4h，T6-8h 试样的强度和延伸率的变化
曲线图。可以看出，T6-1h 试样的屈服强度和抗拉强度快速增加，而延
伸率急剧减小，抗拉强度和屈服强度之间的差值也迅速减小。随着人工
时效时间的增加，6061 铝合金的强度缓慢增加，延伸率缓慢下降，并且
变化也逐渐变小。
SEM 扫描电镜断口观察
图 3-5 为不同人工时效时长的热处理工艺下 6061 铝合金断口的 SEM
形貌，图 3-6 为不同人工时效时长热处理后的 6061 铝合金断口 BSD
扫描图。
通过图 3-5、3-6 可以看出不同的人工时效时长的热处理对 6061 铝合金
断口的韧窝大小、深浅以及析出相的形状、大小、分布均造成不同的影
响。可以看出，ST 试样断口的韧窝形状接近圆形，深韧窝的数量较多，
可以观察到大韧窝嵌套小韧窝的现象，撕裂棱数量较少。结合图 3-6 可
知 ,ST 试样断口的单个韧窝内存在多块体积较大的块状 AIFeSi 析出相 ,
出现析出相聚积的情况;在经过人工时效处理 1h 后，T6-1h 试样的断口
的大尺寸韧窝的大小和形状改变不明显，但小尺寸的韧窝数量变多，韧
窝内析出相聚积的现象减少，析出相颗粒的体积变小，多数韧窝内只存
在单个块状和板条状 AIFeSi;随着人工时效时间继续延长，T6-4h 试样断
口的韧窝以小尺寸、浅韧窝为主 ,并且韧窝形状较扁 ,数量增多 ,但分布不
均匀,韧窝中可以观察到大量针状、板条状的 AIFeSi.由此可以得出:固溶
热处理后进行人工时效热处理的试样，韧窝尺寸变小，深度变浅，析出
相由颗粒状变化为板片状，析出相体积变小，分布相对弥散均匀。析出
相对位错的阻碍作用加强，所以人工时效热处理的试样塑性较固溶试样
变差。
弯曲变形性能
图 3-7 所示为不同人工时效的 6061 铝合金试样三点弯曲后的形状。可
以 看 出 ， ST 态 试 样 发 生 变 形 的 区 域 圆 角 最 大 ， 材 料 的 体 积 分 数 最
大;T6-8h 试样发生变形的区域圆角最小，材料体积分数最小。可见，人
工时效时间越长，6061 板材的弯曲角度越小，参加弯曲变形的材料的体
积分数越小。
首先，对有限元仿真模型进行试验验证。图 3-8 所示是有限元仿真输出
的挠度-力曲线与实验值的对比，其中实线表示仿真值，点表示实验值。
可以看出，有限元仿真结果和实验结果符合良好。从图中可以看出，当
挠度为 7mm 时，T6 铝合金试样开始发生塑性变形。当挠度为 2mm 左
右时，ST 铝合金试样进入塑性变形阶段。当挠度相同时，T6 铝合金试
样的载荷明显高于 ST 铝合金试样，而 T6 铝合金试样的载荷随着人工时
效时间的延长而逐渐增大。观察图中的实验得到的挠度-力散点图，注意
到当挠度为 时，T6 铝合金试样的载荷开始减小，而 ST 铝合金
试样的载荷继续增大。这主要是因为 ST 铝合金试样的 n 值大于 T6 铝
合金试样，n 值越大，材料的应变硬化能力越强，颈缩前均匀变形能力
越好。并且由图 3-2 可知，T6 板材的应变硬化率随着人工时效时间的延
长而逐渐变大，发生颈缩变形的时间逐渐提前。所以 T6 铝合金试样力-
位移曲线的下降点比 ST 铝合金试样出现得早，并且人工时效时间越长
的板材，试验数据曲线的下降点出现地越早。
弯曲变形区域的曲率分布
图 3-9 显示了挠度为 35mm 时，T6-8h 弯曲试样变形上表面的主曲率的
分布。通过 DIC 操作方法，可以提取图中所示直线上均匀分布的 100 个
点的主曲率 p。
由图 3-10 可知，ST 试样的主曲率 p 最大，试样上各点的局部变形程度
最大。弯曲试样的变形处曲率越大，则说明曲率半径越小，局部弯曲程
度越大。随着人工时效时间的延长，T6 试样的曲率逐渐减小，局部变形
程度逐渐减小。由于压头下压过程中挡住了试样的 AB 区域，不能被
DIC 的摄像机拍到散斑的位移情况，曲率在云图上显示为图 3-10 中的
AB 段。在 BC 区域，沿着试样的长度方向，曲率从峰值开始减小到
。图 3-9 中的点 Q 的主曲率为 ，而由图片可以看出点 Q 处
位于支撑件外，不在弯曲区域内，因此可以认为在曲率大于 的区
域发生弯曲变形，曲率小于 的区域可以认为没有发生弯曲变形。
如图 3-10 所示，试样在不同热处理条件下的弯曲变形长度约为 47mm。T6
板材的主曲率 p 相差较小，局部变形程度趋于接近。
图 3-11 显示了回
弹后不同热处理状态的 6061 铝合金试样的弯曲半径和回弹前不同热处
理状态的试样曲率积分值。可以看出，ST 试样的弯曲半径 R 最大，弯曲
变形区域最大，说明 ST 试样有较多体积的材料参与了弯曲变形。同时，
ST 试样的曲率积分最大，表明其弯曲变形程度最大。随着人工时效时间
的延长，T6 试样的弯曲半径和曲率积分均减小。这可能是由于 T6 试样
的弯曲强度随着人工时效时间的延长而逐渐增大，弯曲度逐渐减小。由
此可以看出，ST 板的弯曲性能最好，人工时效的增加有利于提高试样的
弯曲强度。
有限元数值模拟
板料回弹的有限元仿真设置
LS-DYNA 包含一个全面支持求解器的前后处理模块 LS-Prepost，以及两
个主求解器模块 Explicit 和 Standardl58]。本文中，铝合金试件在弯曲
过程中需要用动态显示方法进行模拟，回弹过程选择静态隐式算法。仿
真 模 拟 的 整 体 思 路 为 : 采 用 LS-Dyna 输 入 数 据 文 件 中 的 关 键 字
*INTERFACE SPRINGBACK LSDYNA 生成 dynain 文件，输出试件进
行弯曲变形后的应力应变水平，然后弯曲后的分析结果作为回弹分析的
初始状态，重新定义边界条件，进行之后将弯曲模具卸载，定义回弹约
束点，进行三点弯曲的仿真计算。
几何模型的构建
建立简化的有限元仿真模型，如图 3-12 所示。弯曲试样为几何可变形体，
单元尺寸为 ，材料模型为各向同性弹塑性材料 MAT-24 号
材料。为了兼顾仿真回弹的准确性和计算效率，沿厚度方向的积分点数
设为 5;为了防止在发生大变形是产生体积自锁现象，仿真时的沙漏类型
设置为 6。压头和支座的几何形状不变，设置为刚体，不必额外赋予截
面属性。试件和模具之间的接触定义为硬接触，库伦摩擦系数设为 。
应力应变分布
有效塑性应变和等效应力由均匀分布在上表面和下表面的路径 1 和路径
2(在板材背面，处于与路径 1 对称的位置)上的 46 个单元中提取，如图
3-14 所示。卸载前上下表面等效应力分布如图 3-15。结果表明，ST 试
样的等效拉压应力和等效压应力在所有试样中均为最小，且等效应力沿
厚度方向的变化最小。而随着时效时间的延长，T6 试样上下表面的等效
拉应力和等效压应力逐渐增大，其差值也逐渐增大。
材料参数对回弹和截面畸变的影响
幂指数硬化模型σ=Ks"因其形式简单，能准确描述大多数金属的真实应力
应变关系而得到广泛应用。如图 3-16 所示，随着加工硬化指数 n 值的增
大，中性层系数 k 值增大，回弹角迅速减小。ST 试样的应变硬化指数 n
最大，中性层系数 k 最大，回弹角最小。可以看出，值越大，试样的中
性层系数 k 值就越接近 ，回弹就越小。
图 3-16 应变硬化指数 n 对 k 值和回弹的影响
研究发现，K 值作为幂指数硬化模型中的重要参数之一，对成形过程中
的厚度分布的均匀性有着明显的影响[591。在弯曲过程中,材料沿着宽度
方向(X 方向)从试样的中间向两侧边缘流动，呈现出试样中部变薄，两侧
变厚的截面畸变现象。一般用翘曲度,来表示截面的变形程度，如图 3-17
所示。
本章小结
本章基本内容和结论如下:
(1)固溶热处理使得 6061 铝合金材料大量析出 AIFeSi，材料的塑性和延
伸率得到增强，使材料在大应变率范围内具有良好的变形性能。人工时
效处理使得 AIFeSi 析出相的尺寸变小，在材料内的分布更均匀，对位错
的阻碍加强，从而导致材料的强度变大，延伸率变小。随着人工时效时
间的延长，6061 铝合金的加工硬化率逐渐增大，越容易出现缩颈现象。
(2)随着人工时效时间的延长，T6 板材上下表面的等效压应力和等效拉应
力增大，导致回弹量增大。
(3)随着人工时效时间的延长，6061 板材的加工硬化指数 n 减小，中性层
系数 k 值增大,回弹角度变大。应变硬化系数 K 的增大促进了 6061 板材
的厚度的不均匀分布和截面的变形
下篇文章：预拉伸对 6061 铝合金力学性能的影响
以上文章仅供参考，以实际数据为准。
