·486 工程科学学报，第40卷，第4期 sion strain states is greater than that on the tension-compression strain states. KEY WORDS aluminum alloy:M-K theory:forming limit curve:theoretical prediction:constitutive equations 目前，汽车行业发展迅速，为减轻车身重量，大 预测的可行性和准确性 量的轻质材料被应用在汽车上，其中应用最多的就 6016铝合金作为在汽车行业应用最广的材料， 是铝合金.因为，铝合金材料具有密度小，耐腐蚀性 其成形极限对生产实践具有重要意义，但是对于 好，比强度高、成本低等优点，所以将铝合金材料用 6016铝合金成形极限的报道还很少，所以本论文使 于汽车零部件的生产能够较大程度减轻汽车重 用理论预测和热冲压试验对6016铝合金在高温时 量口.但是，铝合金在室温条件下塑性差，很难成形 的成形极限曲线进行研究.建立了6016铝合金 复杂零件，成形极限曲线数值很小.大量的研究发 Fields--Bachofen形式的本构方程.使用M-K模型 现，升高温度可以提高材料的塑性和成形性，同 对6016铝合金成形极限曲线进行预测，分析板料初 时板材的成形极限曲线数值也会增加. 始厚度对曲线的影响，通过试验验证预测曲线的准 成形极限是板材成形领域中重要的性能指标， 确性.本文对6016铝合金在高温情况下成形极限 反映了在成形过程中材料发生塑性失稳之前板材可 曲线的测定所做的研究，在工程应用方面具有重要 达到的最大变形量。在各种板材成形性的评价方法 意义 中，成形极限曲线(forming limit curve,FLC)应用最 广泛，是评估板材成形性和解决板材冲压问题非常 1试验 有效的工具.考虑到在高温成形时应变速率的影 1.1材料 响，一些学者D-)通过控制冲头速度来进行Nakazi-- 本论文采用厚度为1mm的AA6016-T4P板材 ma试验.Park和Kimo比较了常规成形和增量成 进行试验，表1为所用材料的质量分数 形中板料的成形极限曲线，得到了成形极限曲线无 表16016铝合金化学成分（质量分数） 法描述增量成形应用中的失效，即应变超过常规成 Table 1 Chemical composition of 6016 aluminum alloy 形极限曲线而没有发生失效的结论.Jain等通过 Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Al 试验确定AA6111-T4板材在颈缩和断裂处的成形 1.00.20.130.090.420.04<0.010.02.其余 极限曲线.Arrieux回根据试验中板料失稳时的应 力状态与应变路径无关的现象，首次提出了成形极 1.2热拉伸试验 限应力图(forming limit stress diagram,FLSD)的概 将6016铝合金试样进行线切割，切割后得到的 念，并且基于Nakazima试验和Mises屈服准则对成 试样如图1所示，试样长度方向为轧制方向.将试 形极限应力图进行测定. 样装卡在Gleeble-3500热模拟实验机上进行热拉 成形极限曲线的理论计算是基于特定的塑性不 伸试验. 稳定理论，包括Swf的漫反射不稳定理论，Hil的 100 30 局部不稳定理论，M一K不稳定理论等，它使用不同 25 的屈服函数和塑性本构方程理论来计算极限应变. 目前应用最广泛的是M一K理论回.杨希英等回运 用基于韧性断裂准则的M-K模型对AA7075-0进 行了成形极限预测.余世浩等将Logan--Hosford 图1拉伸试样尺寸图（单位：mm) 屈服准则和Rossard本构方程引入到M-K理论中 Fig.1 Size of tensile sample (unit:mm) 对F钢的成形极限进行了理论预测，并对成形极限 为了能够使实验结果更加精确的反应铝合金变 图的影响因素进行了讨论研究.杜平梅等0基于 形过程中力学性能的变化，根据6016铝合金变形温 M-K理论对5A90铝锂合金和TRP钢进行了预测 度和应变速率范围，制定铝合金的高温拉伸试验方 和实验验证.马高山等的基于M-K理论对5A90铝 案，其试验工艺路线如图2所示.将试样以10℃· 锂合金在不同温度下的成形极限图进行了理论预 s的加热速度升温到510℃，然后再以5℃·s的 测，并在25~300℃对其进行了成形极限试验.以 速度加热至535℃，保温300s,然后以10℃·s的 上研究人员对成形极限的研究，均验证了MK理论 速度降到拉伸所需的温度.均匀化处理10s后，在工程科学学报，第 40 卷，第 4 期 sion strain states is greater than that on the tension--compression strain states． KEY WOＲDS aluminum alloy; M--K theory; forming limit curve; theoretical prediction; constitutive equations 目前，汽车行业发展迅速，为减轻车身重量，大 量的轻质材料被应用在汽车上，其中应用最多的就 是铝合金． 因为，铝合金材料具有密度小，耐腐蚀性 好，比强度高、成本低等优点，所以将铝合金材料用 于汽车零部件的生产能够较大程度减轻汽车重 量［1］． 但是，铝合金在室温条件下塑性差，很难成形 复杂零件，成形极限曲线数值很小． 大量的研究发 现［2--5］，升高温度可以提高材料的塑性和成形性，同 时板材的成形极限曲线数值也会增加． 成形极限是板材成形领域中重要的性能指标， 反映了在成形过程中材料发生塑性失稳之前板材可 达到的最大变形量． 在各种板材成形性的评价方法 中，成形极限曲线( forming limit curve，FLC) 应用最 广泛，是评估板材成形性和解决板材冲压问题非常 有效的工具［6］． 考虑到在高温成形时应变速率的影 响，一些学者［7--9］通过控制冲头速度来进行 Nakazi￾ma 试验． Park 和 Kim［10］比较了常规成形和增量成 形中板料的成形极限曲线，得到了成形极限曲线无 法描述增量成形应用中的失效，即应变超过常规成 形极限曲线而没有发生失效的结论． Jain 等［11］通过 试验确定 AA6111--T4 板材在颈缩和断裂处的成形 极限曲线． Arrieux［12］根据试验中板料失稳时的应 力状态与应变路径无关的现象，首次提出了成形极 限应力图( forming limit stress diagram，FLSD) 的 概 念，并且基于 Nakazima 试验和 Mises 屈服准则对成 形极限应力图进行测定． 成形极限曲线的理论计算是基于特定的塑性不 稳定理论，包括 Swift 的漫反射不稳定理论，Hill 的 局部不稳定理论，M--K 不稳定理论等，它使用不同 的屈服函数和塑性本构方程理论来计算极限应变． 目前应用最广泛的是 M--K 理论［9］． 杨希英等［2］运 用基于韧性断裂准则的 M--K 模型对 AA7075--O 进 行了成形极限预测． 余世浩等［3］将 Logan--Hosford 屈服准则和 Ｒossard 本构方程引入到 M--K 理论中 对 IF 钢的成形极限进行了理论预测，并对成形极限 图的影响因素进行了讨论研究． 杜平梅等［4］基于 M--K 理论对 5A90 铝锂合金和 TＲIP 钢进行了预测 和实验验证． 马高山等［5］基于 M--K 理论对 5A90 铝 锂合金在不同温度下的成形极限图进行了理论预 测，并在 25 ～ 300 ℃ 对其进行了成形极限试验． 以 上研究人员对成形极限的研究，均验证了 M--K 理论 预测的可行性和准确性． 6016 铝合金作为在汽车行业应用最广的材料， 其成形极限对生产实践具有重要意义，但是对于 6016 铝合金成形极限的报道还很少，所以本论文使 用理论预测和热冲压试验对 6016 铝合金在高温时 的成形极限曲线进行研究． 建 立 了 6016 铝 合 金 Fields--Bachofen 形式的本构方程． 使用 M--K 模型 对 6016 铝合金成形极限曲线进行预测，分析板料初 始厚度对曲线的影响，通过试验验证预测曲线的准 确性． 本文对 6016 铝合金在高温情况下成形极限 曲线的测定所做的研究，在工程应用方面具有重要 意义． 1 试验 1. 1 材料 本论文采用厚度为 1 mm 的 AA6016--T4P 板材 进行试验，表 1 为所用材料的质量分数． 表 1 6016 铝合金化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of 6016 aluminum alloy % Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Al 1. 0 0. 2 0. 13 0. 09 0. 42 0. 04 ＜ 0. 01 0. 02 其余 1. 2 热拉伸试验 将 6016 铝合金试样进行线切割，切割后得到的 试样如图 1 所示，试样长度方向为轧制方向． 将试 样装卡在 Gleeble--3500 热模拟实验机上进行热拉 伸试验． 图 1 拉伸试样尺寸图( 单位: mm) Fig． 1 Size of tensile sample ( unit: mm) 为了能够使实验结果更加精确的反应铝合金变 形过程中力学性能的变化，根据 6016 铝合金变形温 度和应变速率范围，制定铝合金的高温拉伸试验方 案，其试验工艺路线如图 2 所示． 将试样以 10 ℃· s － 1的加热速度升温到 510 ℃，然后再以 5 ℃·s － 1的 速度加热至 535 ℃，保温 300 s，然后以 10 ℃·s － 1的 速度降到拉伸所需的温度． 均匀化处理 10 s 后，在 · 684 ·