Al-Cu-Mg-Ag合金的熱變形加工圖及其分析

曹素芳，潘清林，2，劉曉艷，陸智倫，何運(yùn)斌，李文斌

(1.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙410083;2.有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙410083)

Al-Cu-Mg-Ag合金的熱變形加工圖及其分析

曹素芳1，潘清林1，2，劉曉艷1，陸智倫1，何運(yùn)斌1，李文斌1

(1.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙410083;2.有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙410083)

為確定Al-Cu-Mg-Ag合金的熱加工工藝制度提供理論依據(jù)以及便捷的途徑，基于動態(tài)材料模型(DMM)理論和Ziegler失穩(wěn)判據(jù)，采用Al-Cu-Mg-Ag合金的熱變形實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了熱變形加工圖，并利用加工圖理論分析了該合金在熱變形過程中的變形行為.結(jié)果表明：Al-Cu-Mg-Ag合金熱變形時有2個失穩(wěn)區(qū)域，一是變形溫度為300～400℃、應(yīng)變速率為0.1～10 s-1的區(qū)域，二是變形溫度為450～500℃、應(yīng)變速率為1.0～10 s-1的區(qū)域;該合金的熱變形參數(shù)建議在變形溫度350～450℃、應(yīng)變速率0.001 s-1的范圍內(nèi)選取.

Al-Cu-Mg-Ag合金;加工圖;熱變形;動態(tài)材料模型;流變失穩(wěn)

國防和航空工業(yè)的高速發(fā)展對耐熱鋁合金提出了更高要求，國內(nèi)外學(xué)者先后在2014、2219、2519等合金的基礎(chǔ)上，通過向合金中添加Ag、RE(稀土)等元素，研制出一種新型的耐熱鋁合金Al-Cu-Mg-Ag，該合金不僅具有較高的室溫強(qiáng)度及耐損傷性能，而且在150～200℃下仍能保持較高強(qiáng)度和良好韌性［1］，因此，鋁合金Al-Cu-Mg-Ag能夠廣泛地滿足新一代高速飛行器、推進(jìn)器等結(jié)構(gòu)部件的要求.研究表明，熱變形條件對Al-Cu-Mg-Ag合金的力學(xué)性能有顯著影響［2-3］.熱變形試驗(yàn)可獲得不同條件下的流變應(yīng)力連續(xù)數(shù)據(jù)，它們不僅能用于流變行為研究，而且可用于獲得材料的加工圖.加工圖是變形溫度與應(yīng)變速率空間中的功率耗散圖與失穩(wěn)圖的疊印，根據(jù)加工圖可判別材料變形過程中的流變失穩(wěn)區(qū)，還可根據(jù)非失穩(wěn)區(qū)內(nèi)最大功率耗散系數(shù)區(qū)與顯微組織制定材料的最佳加工工藝制度(變形溫度與應(yīng)變速率)［4］.

本文采用加工圖來研究Al-Cu-Mg-Ag合金高溫變形特點(diǎn)及其組織變化規(guī)律，為確定Al-Cu-Mg-Ag合金的熱加工工藝制度提供理論依據(jù).

1 加工圖理論基礎(chǔ)

材料在加工過程中的力學(xué)行為可以采用包含流變應(yīng)力(σ)、應(yīng)變(ε)、應(yīng)變速率(˙ε)和變形溫度(t)的本構(gòu)方程來描述.Prasad提出用動態(tài)材料模型(DMM)描述材料的變形行為［5］.根據(jù)動態(tài)材料學(xué)模型，材料的加工過程服從冪律方程

式中K和m均為常數(shù).對于同種材料，不同的加工過程產(chǎn)生的變形量不同，所對應(yīng)的K和m值也不一樣.材料在加工過程中單位體積所吸收的總功率可以分為兩部分:

式中:P(≡σ˙ε)為總功率，是2個互補(bǔ)函數(shù)的和;G為耗散量;J為耗散協(xié)變量.式(2)中2個積分式分別代表G和J.J與G的變化率構(gòu)成了應(yīng)變速率敏感指數(shù)(m)的定義，即

結(jié)合式(1)和式(2)，可以得到

金屬材料熱變形從熱力學(xué)的觀點(diǎn)看是一個不可逆變化過程(組織變化和熱傳遞)［6］.結(jié)合不可逆熱力學(xué)和大塑性流變連續(xù)介質(zhì)力學(xué)［7-8］，可以證明:0＜m≤1.當(dāng)材料為理想線性耗散時，m= 1，此時J達(dá)到最大值Jmax.功率耗散效率參變量η與尺寸無關(guān)，定義為η=由式(4)可知

η是一個量綱為1的參數(shù)，反映了材料熱加工過程中的功率耗散特征，是ε、˙ε和t的函數(shù)，隨應(yīng)變速率和溫度的變化便形成了功率耗散圖.功率耗散圖上的等值線表示與材料的微觀結(jié)構(gòu)演化相關(guān)的相對熵產(chǎn)生率［9］，即η值的變化對應(yīng)著材料的微觀組織的變化，因此，可用來控制材料在熱加工后的顯微組織.一般來說，高η值對應(yīng)著最佳的加工性能區(qū)［10］.

材料動態(tài)模型的連續(xù)失穩(wěn)判據(jù)是基于ZIEGLER［11］提出的塑性流變變?yōu)椴环€(wěn)定的條件，這一判據(jù)是根據(jù)不可逆熱力學(xué)極值原理建立的:

式中D(˙ε)是給定溫度條件下的耗散函數(shù)，是材料本構(gòu)變形行為具有的特征.根據(jù)動態(tài)材料模型，D(˙ε)等于耗散協(xié)變量J，結(jié)合式(3)，得到Ziegler失穩(wěn)判據(jù):

把參數(shù)ξ(˙ε)作為溫度和應(yīng)變速率的函數(shù)作圖，在負(fù)值區(qū)域會出現(xiàn)流變失穩(wěn)，這樣的圖被稱作為失穩(wěn)圖.

根據(jù)加工圖可以確定加工的安全區(qū)和流變失穩(wěn)區(qū).安全區(qū)在微觀機(jī)制上與動態(tài)再結(jié)晶、動態(tài)回復(fù)和超塑性有關(guān)［12］.在材料的安全加工區(qū)，η值越大表明材料內(nèi)在可加工性越好.

2 Al-Cu-Mg-Ag合金加工圖及其分析

采用Al-5.3Cu-0.8Mg-0.5Ag-0.3Mn-0.15Zr(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)合金為研究對象.壓縮試驗(yàn)在Gleeble-1500熱模擬機(jī)上進(jìn)行，通過自動控制系統(tǒng)在預(yù)設(shè)的溫度和應(yīng)變速率下進(jìn)行恒溫、恒應(yīng)變速率壓縮.實(shí)驗(yàn)變形速率為0.001、0.01、0.1、1、10 s-1，變形溫度為 340、380、420、460、500℃，總壓縮量為60%.壓縮實(shí)驗(yàn)完成后立即對試樣進(jìn)行水淬，以保留合金壓縮變形后的變形組織.

對合金的熱變形實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)合金在同一應(yīng)變、不同應(yīng)變速率和變形溫度下的流變應(yīng)力繪制出不同溫度下Al-Cu-Mg-Ag合金對數(shù)應(yīng)力ln σ與對數(shù)應(yīng)變速率ln˙ε間的關(guān)系(見圖1).由圖1可見，在溫度和應(yīng)變不變的情況下，ln σ與ln˙ε近似為線性關(guān)系，因此，可從采用動態(tài)材料模型中的計算方法計算加工圖，并且能夠準(zhǔn)確地確定加工圖中的流變失穩(wěn)區(qū)域.

在給定應(yīng)變和變形溫度的條件下，為保證m值的精度，采用多項(xiàng)式擬合lg σ與lg˙ε的函數(shù)關(guān)系:

式中a1、a2、a3和a4均為常數(shù).再由式(3)可得

將lg˙ε值代入式(9)即可獲得相應(yīng)應(yīng)變速率敏感指數(shù)m的值，再將m值代入式(5)就可以計算出不同變形溫度和應(yīng)變速率下Al-Cu-Mg-Ag合熱變形時的能量耗散效率值η.在由t和lg˙ε所構(gòu)成的平面內(nèi)繪制出等功率耗散效率η值的輪廓曲線圖(見圖2)，即功率耗散圖.功率耗散圖實(shí)際代表熱加工變形過程中的顯微組織變化率，因此又被稱作“顯微組織軌跡”.加工圖中局部區(qū)域存在功率耗散效率最大值，代表特殊的顯微組織機(jī)制或流變失穩(wěn)機(jī)制.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)，然而由于楔形裂紋破壞機(jī)制通常也對應(yīng)高功率耗散效率，因此分析加工圖需要進(jìn)一步的顯微組織佐證［13-14］.

圖1 Al－Cu－Mg－Ag合金的對數(shù)應(yīng)力與對數(shù)應(yīng)變關(guān)系

將式(9)代入式(7)能夠得到參數(shù)ξ(˙ε)的表達(dá)式:

在由t和lg˙ε構(gòu)成的平面內(nèi)繪制出ξ(˙ε)＜0的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)變形會出現(xiàn)流變失穩(wěn)，如圖2所示.圖2為Al-Cu-Mg-Ag合金熱變形時應(yīng)變?yōu)?.3和0.5的加工圖，其中A區(qū)域?yàn)榱髯兪Х€(wěn)區(qū)，B區(qū)域?yàn)樽冃伟踩珔^(qū).從圖2可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變?yōu)?.3和0.5的加工圖基本相似，但是變形量大時其流變失穩(wěn)區(qū)域較大，因此，下面主要分析應(yīng)變0.5時的加工圖分布.

圖2 Al－Cu－Mg－Ag合金的加工圖

從圖2(b)可以發(fā)現(xiàn)有2個失穩(wěn)區(qū)，一是溫度為300～400℃、應(yīng)變速率為0.1～10 s-1的區(qū)域，圖3(a)為變形溫度340℃、應(yīng)變速率10 s-1時的SEM照片，可以看出此變形條件下組織發(fā)生局部流動，出現(xiàn)了嚴(yán)重的不均勻變形，這主要是因?yàn)樵谧冃螠囟群艿?、?yīng)變速率較高時，變形在很短的時間內(nèi)完成，大量的塑性功轉(zhuǎn)變成熱，在很短的時間內(nèi)變形熱來不及散失，造成局部溫度升高，從而產(chǎn)生局部流動［15］;另一個是溫度為450～500℃、應(yīng)變速率為1.0～10 s-1的區(qū)域，圖3(b)為變形溫度500℃、應(yīng)變速率10 s-1時的SEM照片，此變形條件下，試樣出現(xiàn)了裂紋.因此，在這2個區(qū)域內(nèi)的加工條件不適合Al-Cu-Mg-Ag合金進(jìn)行熱加工.

圖3 不同變形條件下Al－Cu－Mg－Ag合金的SEM照片

圖4 不同變形條件下Al－Cu－Mg－Ag合金的顯微組織

圖4為應(yīng)變速率0.001 s-1時不同溫度條件下Al-Cu-Mg-Ag合金的顯微組織.在低溫區(qū)(＜350℃)，隨著應(yīng)變速率的增加，功率耗散系數(shù)先逐漸增大，在應(yīng)變速率0.01 s-1、溫度300℃時功耗系數(shù)達(dá)到峰值26%，隨后又逐漸減小，可以看出在整個低溫區(qū)域功率耗散系數(shù)都比較低而且顯微組織分布也不均勻，因此該區(qū)域并非最佳加工性能區(qū).在中溫區(qū)(350～450℃)，隨著應(yīng)變速率的增加功率耗散系數(shù)先逐漸減小，在應(yīng)變速率0.001 s-1、溫度420℃時功耗系數(shù)達(dá)到峰值34%，其對應(yīng)的顯微組織如圖4(a)所示，其晶粒比較細(xì)小.在高溫區(qū)(450～500℃)，最大耗散效率出現(xiàn)在500℃，應(yīng)變速率為0.001 s-1，最大值達(dá)到38%，其對應(yīng)的顯微組織如圖4(b)所示，可以看出，在該變形條件下，Al-Cu-Mg-Ag合金發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，但是其晶粒尺寸明顯增大.

從上面的分析可知，Al-Cu-Mg-Ag合金在溫度300～500℃、應(yīng)變速率0.001～10 s-1變形時會出現(xiàn)2個失穩(wěn)區(qū)域.在350℃以上具有很好的塑性.但由于高溫區(qū)變形時形成的組織粗大，對其力學(xué)性能產(chǎn)生影響，而中溫區(qū)變形的組織細(xì)小，因此中溫區(qū)是該合金的適宜的熱變形區(qū)，可以進(jìn)行熱鍛、熱擠壓等變形.

3 結(jié)論

1)基于動態(tài)材料模型和Ziegler失穩(wěn)判據(jù)建立的加工圖能夠準(zhǔn)確直觀地反映材料在不同變形條件下的組織演變規(guī)律，為材料的熱變形工藝提供了更便捷有效的工具.

2)Al-Cu-Mg-Ag合金進(jìn)行熱變形時有2個失穩(wěn)區(qū)域:一是變形溫度為300～400℃、應(yīng)變速率為0.1～10 s-1的區(qū)域;二是變形溫度為450～500℃、應(yīng)變速率為1.0～10 s-1的區(qū)域.

3)在350℃以上Al-Cu-Mg-Ag合金具有很好的塑性，該合金的熱變形參數(shù)建議在變形溫度350～450℃，應(yīng)變速率為0.001 s-1的范圍內(nèi)選取.

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The thermal deformation processing maps and their analysis of Al－Cu－Mg－Ag alloy

CAO Su-fang1，PAN Qing-lin1，2，LIU Xiao-yan1，LU Zhi-lun1，HE Yun-bin1，LI Wen-bin1
(1.School of Materials Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083，China;2.The Key Laboratory of Nonferrous Materials Science and Engineering of Ministry of Education，Changsha 410083，China)

To provide theoretical foundation and convenient way for the determination of thermal processing technology of Al-Cu-Mg-Ag alloy，the processing maps of this alloy were obtained from the thermal deformation experiment data，based on the dynamic material model(DMM)and Ziegler instability criterion，and the hot deformation behavior was characterized by the analysis of the processing maps.The results show that there are two unstable regions at 300～400℃ and 0.1～10 s-1and at 450～500℃ and 1.0～10 s-1.The temperature of 350～450℃ and the strain rate of 0.001 s-1are recommended.

Al-Cu-Mg-Ag alloy;processing maps;thermal deformation;dynamic material mode;flow instability

TG146 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-0299(2011)02-0126-04

2009-12-08.

曹素芳(1986-)，男，碩士研究生;

潘清林(1964-)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

潘清林，E-mail:pql@mail.csu.edu.cn.

(編輯 程利冬)