朱劍軍,鄔 曄,唐文杰,李 劍

(湖南稀土金屬材料研究院,湖南長(zhǎng)沙 410126)

6156鋁合金熱變形行為的研究

朱劍軍,鄔 曄,唐文杰,李 劍

(湖南稀土金屬材料研究院,湖南長(zhǎng)沙 410126)

在Gleeble-1500熱/力模擬機(jī)上對(duì)試驗(yàn)6156合金進(jìn)行了熱壓縮試驗(yàn),研究了其在溫度300～450℃和應(yīng)變速率0.1～10 s-1條件下的熱變形行為。結(jié)果表明:熱變形過(guò)程中的流變應(yīng)力可以很好地用雙曲正弦本構(gòu)關(guān)系來(lái)描述,通過(guò)優(yōu)化α值,可以更精確地得到該合金的表觀激活能為240.97 kJ/mol。根據(jù)材料動(dòng)態(tài)模型,計(jì)算并分析了6156合金的加工圖。利用加工圖確定了熱變形的流變失穩(wěn)區(qū),而隨著變形溫度的升高及變形速率的降低,能量消耗效率η逐漸升高。

6156合金;流變應(yīng)力;本構(gòu)關(guān)系;加工圖

6156鋁合金是法國(guó)Pechiney公司研究開(kāi)發(fā)的一種新型航空用鋁合金[1,2],由于該合金含有一定量的Si、Mg、Cu、Mn元素,故耐蝕性比高強(qiáng)7xxx系合金好,強(qiáng)度比6xxx系合金高,且保持了優(yōu)良的成型性,因而該合金在航空航天、艦船、交通和建筑等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。作為一種重要的結(jié)構(gòu)材料,其高溫塑性變形時(shí)的流變應(yīng)力、變形特征和成形指標(biāo)等還缺乏深入研究,因而研究該合金高溫下的流變應(yīng)力隨變形條件下的變化規(guī)律是非常必要的。本文以6156合金為試驗(yàn)材料,研究了流變應(yīng)力模型及加工圖,通過(guò)對(duì)雙曲正弦函數(shù)的材料常數(shù)(α)采用α=β/n和優(yōu)化處理兩種方法進(jìn)行求解,以能更精確的得出合金的表觀激活能,從而為6156合金的熱加工工藝的制定與優(yōu)化提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用材料采用實(shí)驗(yàn)室制6156鋁合金鑄錠,鑄錠尺寸為110 mm×90 mm×40 mm,其分析的合金化學(xué)成分列于表1。壓縮試驗(yàn)前,鑄錠在箱式電阻爐進(jìn)行540℃×12 h+570℃×24 h雙級(jí)均勻化處理。

表1 6156鋁合金的化學(xué)成分 %

將均勻化處理過(guò)的合金鑄錠,沿?cái)D壓方向截取20 mm×20 mm×10 mm的方形試樣,用 Gleeble-1500熱模擬試驗(yàn)機(jī),選取不同溫度、不同應(yīng)變速率,對(duì)鋁合金試樣進(jìn)行平面應(yīng)變壓縮試驗(yàn)。壓縮過(guò)程中,在試樣兩端的槽內(nèi)填充潤(rùn)滑劑(75%石墨+20%機(jī)油+5%硝酸三甲苯脂),以減小摩擦對(duì)應(yīng)力的影響。壓縮試驗(yàn)結(jié)束后立即對(duì)試樣進(jìn)行水淬處理,以保留其變形組織。變形溫度范圍為350～450℃,應(yīng)變速率范圍為0.1～10 s-1,最大總壓縮應(yīng)變量為0.9(真應(yīng)變),熱模擬試驗(yàn)的升溫速率為2℃/s,保溫時(shí)間為5 min。試樣的實(shí)際溫度由焊接在試樣側(cè)面的熱電偶測(cè)量,反饋回控制系統(tǒng),為降低試樣表面與壓頭之間的摩擦力,在試樣上下兩表面添加石墨片作為潤(rùn)滑劑,以盡量減少端面摩擦力對(duì)真實(shí)應(yīng)力的影響。由 Gleeble-1500熱模擬機(jī)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集應(yīng)力、應(yīng)變、壓力、位移、溫度及時(shí)間等數(shù)據(jù),繪制真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

6156鋁合金高溫壓縮變形時(shí)不同變形溫度和應(yīng)變速率條件下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖1所示。在300～450℃和0.1～10 s-1的條件范圍內(nèi),該合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,它包含了三個(gè)階段。第一階段,變形初期。加工硬化率高于軟化率,應(yīng)力先隨應(yīng)變的增加迅速上升,較小的變形引起應(yīng)力迅速增加;第二階段,當(dāng)出現(xiàn)一峰值后,流變應(yīng)力逐漸降低,表現(xiàn)出流變軟化的特征;第三階段,流變應(yīng)力基本保持恒定,這時(shí)加工硬化與流變軟化達(dá)到平衡,真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線趨于水平。流變軟化是鋁合金在高溫變形過(guò)程中真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的典型特征。它是由變形熱或材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性引起的。在相同的應(yīng)變速率下,流變應(yīng)力隨著變形溫度的升高而降低,這是由于溫度升高后,受熱激活影響的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力下降,空位、間隙原子等點(diǎn)缺陷也更加活躍;在相同的變形溫度下,隨著應(yīng)變速率的增加,材料的真應(yīng)力水平提高,說(shuō)明在該實(shí)驗(yàn)條件下,6156鋁合金具有正的應(yīng)變速率敏感性[1],即應(yīng)變速率越大,溫度越低,進(jìn)入穩(wěn)態(tài)流變階段時(shí)的真應(yīng)力逐漸增大,進(jìn)入穩(wěn)態(tài)變形更困難。

圖1 6156鋁合金在不同應(yīng)變速率下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

2.2 流變應(yīng)力方程

金屬和合金高溫塑性變形最顯著的特點(diǎn)是應(yīng)變速率受熱激活過(guò)程控制,其高溫流變應(yīng)力σ取決于變形溫度T和應(yīng)變速率˙ε,引入變形表觀激活能(Q)概念,熱變形的溫度與應(yīng)變速率條件可采用帶激活能項(xiàng)的Zener-Hollomon(Z)參數(shù)描述(式1)。在σ-˙ε-T作為獨(dú)立變量的前提下,熱變形本構(gòu)方程有冪函數(shù)(式2)、指數(shù)函數(shù)(式3)及雙曲正弦函數(shù)(式4)三種半經(jīng)驗(yàn)類(lèi)型的表征方案,它們均可轉(zhuǎn)化為σ=f(σ)型函數(shù)[3]。

式(1)～式(4)中,σ是流變應(yīng)力,R是氣體常數(shù),A、n1、β、α、n稱(chēng)為材料常數(shù),特別地,n1、n可稱(chēng)為硬化指數(shù),β可稱(chēng)為硬化系數(shù)。上述材料常數(shù)間一般認(rèn)為存在α=β/n1關(guān)系。一般認(rèn)為,冪函數(shù)形式(式2)適用于低應(yīng)力水平,指數(shù)函數(shù)形式(式3)適用于高應(yīng)力水平,而雙曲正弦函數(shù)形式(式4)適用于較寬的應(yīng)力與應(yīng)變速率范圍。

對(duì)式(2)、式(3)兩邊取對(duì)數(shù):

由式(5)和式(6)可知,當(dāng)變形溫度一定時(shí),n和β分別為ln˙ε-lnσ和ln˙ε-σ曲線的斜率。將不同變形條件下的峰值應(yīng)力值分別代入式(5)和式(6),繪制出相應(yīng)的ln˙ε-lnσ、ln˙ε-σ關(guān)系圖,如圖2所示。分別取圖2(a)、2(b)中所有直線斜率的平均值,得到n1=10.891 8,β=0.128 0,α=β/n=0.011 75 MPa-1。

在一定的應(yīng)變和應(yīng)變速率下,對(duì)式(4)取自然對(duì)數(shù)并求偏導(dǎo)得:

由式(7)知,當(dāng)Q與T無(wú)關(guān)時(shí),ln[sinh(α σ)]與1/T為線性關(guān)系,令式中K=?ln[sinh(α σ)]/?(1/ T),K為直線ln[sinh(α σ)]-1/T的斜率;n2為直線ln˙ε-ln[sinh(α σ)]的斜率。取峰值應(yīng)力和對(duì)應(yīng)的溫度值,繪制相應(yīng)的ln˙ε-ln[sinh(α σ)]圖;用最小二乘法線性回歸取平均值后n2=8.369 2。從雙曲正弦函數(shù)出發(fā),必須獲得合適的α值。按式(8)所示構(gòu)造優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),求解后可得到α′=0.026 9。

圖2 應(yīng)變速率與流變應(yīng)力的關(guān)系

式中σi為按(4)計(jì)算的各ε˙-T條件下的應(yīng)力值為該條件下的峰值應(yīng)力。

取αH=α′時(shí) ln˙ε-ln[sinh(αHσ)]、ln[sinh(αHσ)]-1 000/R T關(guān)系如圖3所示,按式(7)可得到平均激活能Q=240.97 kJ/mol,大于鋁合金的自擴(kuò)散激活能。

根據(jù)圖3(a)中直線的截距,即lnA-Q/R T的值,取其平均值可獲得A=2.865 3×1014s-1。通過(guò)其斜率,則可求得材料常數(shù)n的平均值為4.607 8。將求得的A、Q、n、αH等材料參數(shù)代入式(4),得到6156鋁合金熱壓縮時(shí)的流變應(yīng)力本構(gòu)方程為:˙ε= 2.865 3×1014[sinh(0.026 9)]4.6078exp(-240.97/RT)。

圖3 ln˙ε-ln[sinh(αHσ)]、ln[sinh(αHσ)]-1 000/R T關(guān)系圖

圖4 lnZ-ln[sinh(αHσ)]關(guān)系圖

將Q和變形條件代入式(4),求解不同條件下Z參數(shù),再繪制lnZ-ln[sinh(αHσ)]曲線,其關(guān)系如圖4所示。由圖4可以看出,lnZ與ln[sinh(αHσ)]成線性關(guān)系,對(duì)其進(jìn)行一元線性回歸,相關(guān)系數(shù)大于0.99,說(shuō)明6156合金高溫變形過(guò)程是受位錯(cuò)的熱激活過(guò)程控制的。從流變應(yīng)力曲線特征看,動(dòng)態(tài)回復(fù)為主要的變形軟化機(jī)制。動(dòng)態(tài)回復(fù)的發(fā)生與高溫變形過(guò)程中位錯(cuò)的交滑移、攀移以及位錯(cuò)間相互銷(xiāo)毀和湮滅有關(guān)。

為了檢驗(yàn)優(yōu)化參數(shù)的預(yù)測(cè)精度,采用這些函數(shù)預(yù)測(cè)應(yīng)力值(σi)與試驗(yàn)值(σP)間的方差(δ)作為數(shù)據(jù)。未優(yōu)化與優(yōu)化后的雙曲正弦函數(shù)的方差及激活能關(guān)系如圖5所示,由圖5可知,優(yōu)化過(guò)的模型方差要小于未優(yōu)化的雙曲正弦模型,且激活能也低一些。由圖中還可以看出當(dāng)溫度范圍在400～500℃時(shí),所取的激活能及方差要明顯小于350～500℃的溫度范圍。這說(shuō)明變形溫度越高,得出表觀激活能越小,經(jīng)優(yōu)化α值所得到的方差也就越小。由上述可見(jiàn),材料常數(shù)優(yōu)化處理可以提高雙曲正弦函數(shù)的精度。

圖5 不同溫度范圍下,試驗(yàn)方差及表觀激活能對(duì)比

2.3 加工圖

動(dòng)態(tài)材料模型將金屬的熱加工過(guò)程視為一個(gè)系統(tǒng),這個(gè)系統(tǒng)中,包括有功率源(液壓能)、功率的儲(chǔ)存(工具)以及功率的消耗(工件)。能量由功率源產(chǎn)生,傳輸?shù)焦ぞ叨鴥?chǔ)存能量,進(jìn)而通過(guò)界面?zhèn)鬏斀o工件,工件自身在經(jīng)歷塑性變形中消耗能量。功率消耗在以下兩方面:(1)由工件塑性變形引起的粘塑性熱,稱(chēng)之為耗散量,用G表示;(2)工件塑性變形過(guò)程中組織變化(如:回復(fù)、再結(jié)晶、孔洞形成楔形裂紋、超塑性和相變等)而耗散的功率,稱(chēng)之為耗散協(xié)量,用J表示。

功率分配可由如下表示:

由式(9),功率的分量J和G之間有如下關(guān)系:

這個(gè)比值即材料的應(yīng)變速率敏感系數(shù)m。由這個(gè)系數(shù),動(dòng)態(tài)本構(gòu)方程可表示為:

式(11)稱(chēng)為動(dòng)態(tài)本構(gòu)方程,它是沿動(dòng)態(tài)變形過(guò)程作積分的結(jié)果,即在某一應(yīng)變速率下的瞬間變形,根據(jù)離散化原則對(duì)每個(gè)材料單元的動(dòng)態(tài)軌跡所作積分。敏感系數(shù)m可用不同的應(yīng)變速率試驗(yàn)中測(cè)量得到的連續(xù)流動(dòng)應(yīng)力值計(jì)算而得。由式(9)得:

冶金學(xué)過(guò)程變化是由于耗散協(xié)量J的變化引起的,當(dāng)材料處于理想線性耗散狀態(tài)時(shí),m=1,此時(shí)J達(dá)到最大值,即:

引入功率耗散效率參數(shù)η:

可以看出,效率η直接與應(yīng)變速率敏感指數(shù)m相關(guān)。

在應(yīng)變速率和溫度所構(gòu)成的二維平面上繪出等功率耗散效率因子(η)的曲線即為功率耗散圖。功率耗散圖中高功率耗散區(qū)定義為具有最佳加工性能區(qū)。

根據(jù)大應(yīng)變塑性變形不可逆熱力學(xué)極值原理,Prasad等根據(jù)Ziegler提出的最大熵產(chǎn)生率原理,認(rèn)為如果耗散函數(shù)D(˙ε)同應(yīng)變速率 ˙ε滿(mǎn)足不等式dD/d˙ε＜D/˙ε時(shí),會(huì)出現(xiàn)變形失穩(wěn),式中D是在給定溫度下的耗散函數(shù)。按照動(dòng)態(tài)材料模型原理,D等于耗散協(xié)量J。因此流變失穩(wěn)的條件為:

將式(9)代入上式,最終可化簡(jiǎn)為:

所以,失穩(wěn)條件也與應(yīng)變速率敏感指數(shù)m相關(guān)。

在應(yīng)變速率˙ε和溫度T所構(gòu)成的二維平面上繪出ξ(˙ε)＜0的區(qū)域即為熱加工失穩(wěn)圖。即如果系統(tǒng)不能以施加在系統(tǒng)上的應(yīng)變速率以上的速率產(chǎn)生熵,那么系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)變或者形成流變失穩(wěn)。

將熱加工失穩(wěn)圖疊加于功率耗散圖之上就可得到材料的熱變形加工圖。應(yīng)用熱加工圖來(lái)分析合金的加工性能不僅可以?xún)?yōu)化加工工藝而且可以避免流變不穩(wěn)定區(qū)域。試驗(yàn)6156合金在真應(yīng)變?yōu)?.9時(shí)的加工圖如圖6所示,其他應(yīng)變的加工圖與此類(lèi)似。圖中陰影區(qū)為流變失穩(wěn)區(qū),等值線上的數(shù)字表示功率耗散系數(shù)。由圖6可以看出,圖中失穩(wěn)區(qū)較少,僅在變形溫度為623～650 K、1～10 s-1范圍內(nèi),出現(xiàn)流變失穩(wěn)區(qū),可加工范圍寬,說(shuō)明該合金可加工性較好。變形溫度及應(yīng)變速率不同,合金的動(dòng)態(tài)能量消耗行為明顯不同。隨著變形溫度的升高及應(yīng)變速率的降低,η值逐漸增加,即合金的動(dòng)態(tài)能量消耗能量增強(qiáng),應(yīng)變量對(duì)其熱加工圖的形狀影響不大。

圖6 試驗(yàn)6156合金在真應(yīng)變?yōu)?.9時(shí)的加工圖

利用動(dòng)態(tài)材料模型所繪制的熱加工圖能夠成功地反映出材料在各種溫度和變形速率條件下變形時(shí),其內(nèi)部組織變化機(jī)制,并能預(yù)測(cè)獲得良好熱加工性能的最佳溫度和變形速率范圍。η參數(shù)反映出在一定的溫度和應(yīng)變速率范圍內(nèi)各種組織變化機(jī)制。對(duì)于安全的熱變形機(jī)制有動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,動(dòng)態(tài)回復(fù)和超塑性,如果有楔形裂紋和區(qū)域變形的形成則表明懸危險(xiǎn)的熱加工。從熱加工圖可以看出,應(yīng)變量對(duì)熱加工圖的影響不大。隨著變形溫度的升高及應(yīng)變速率的降低,能量消耗效率逐漸升高,即合金的動(dòng)態(tài)能量消耗能量增強(qiáng)。η的峰值對(duì)應(yīng)的區(qū)域?yàn)椴牧系耐耆俳Y(jié)晶區(qū),而η則描述的是材料熱變形過(guò)程中因顯微組織改變而消耗的能量與總能量的比值。試驗(yàn)材料在變形溫度500℃左右、應(yīng)變速率為0.1 s-1時(shí),能量消耗效率η達(dá)到峰值,約為33%～35%。

3 結(jié) 論

1.在應(yīng)變速率為0.1～10 s-1、變形溫度350～500℃條件下,6156合金的流變應(yīng)力在開(kāi)始階段隨應(yīng)變的增加而迅速增加,當(dāng)真應(yīng)變超過(guò)一定值后,真應(yīng)力開(kāi)始下降并逐漸趨于穩(wěn)定。隨著變形溫度的降低和應(yīng)變速率的增加,流變應(yīng)力增加。

2.熱變形過(guò)程中的流變應(yīng)力可以很好地用雙曲正弦本構(gòu)關(guān)系來(lái)描述,通過(guò)優(yōu)化α值,可以更精確地得到該合金的表觀激活能為240.97 kJ/mol。其熱變形本構(gòu)方程為:

3.應(yīng)變量對(duì)其熱加工圖的形狀影響不大,隨著溫度的升高及應(yīng)變速率的降低,η值逐漸增加,即合金的動(dòng)態(tài)能量消耗效率逐漸升高。在變形溫度500℃左右、應(yīng)變速率為0.1 s-1時(shí),能量消耗效率η達(dá)到峰值,約為33%～35%。

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Study on 6156 Aluminum Alloy Hot Deformation Behavior

ZHU Jian-jun,WU Ye,TANG Wen-jie,LI Jian
(Hunan Research Institute of Rare Earth Materials,Changsha410126,China)

Gleeble-1500 thermal/mechanical simulator tests on 6156 alloy hot compression tests were studied in the temperature 300～450℃and strain rate of 0.1～10 s-1under the conditions of hot deformation behavior.The results show that:during hot deformation,the flow stress can be well described by the hyperbolic sine constitutive;by optimizing the value ofα,it can obtain more accurately the apparent activation energy of the alloy which is 240.97 kJ/mol.According to the dynamic materials model,it calculated and analyzed the 6156 alloy processing maps.With use of hot deformation processing maps,it identified areas of flow instability,and as the deformation temperature and deformation rate decreased gradually,the energy consumption efficiencyηin creased.

6156 alloy;flow stress;constitutive;processing maps

TG166.3

A

1003-5540(2011)03-0038-05

朱劍軍(1968-),男,工程師,主要從事材料壓力加工研究。

2011-05-08