含鈧Al－Zn－Mg合金的熱變形行為和顯微組織

李 波，潘清林，2，張志野，李 晨，尹志民

（1中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083；2中南大學(xué) 有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點實驗室，長沙 410083）

Al－Zn－Mg系合金屬于熱處理可強化鋁合金，具有適中的強度、優(yōu)良的焊接性能、較好的耐腐蝕性能和良好的加工性能等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于交通運輸、建筑、航空航天、軍事裝備等領(lǐng)域。在Al－Zn－Mg系合金中加入適量元素Sc和Zr，可析出與鋁基體完全共格的Al3（Sc，Zr）質(zhì)點，能夠明顯細化合金組織，改變主要強化相的尺寸形狀和分布，減小晶界無沉淀析出帶寬度，明顯提高合金的強度、塑性和熱穩(wěn)定性［1－3］。Kim［4］研究發(fā)現(xiàn)，在 Al－Zn－Mg合金中添加0.3%的Sc可以明顯細化晶粒，且拉伸強度和伸長率隨著Sc的含量增加而增大。Dev［5］等研究了微量元素Sc對Al－Zn－Mg合金焊縫組織與性能的影響，結(jié)果表明：添加Sc可以細化焊縫區(qū)晶粒，減少焊縫凝固時造成的裂紋，提高焊縫強度。Senkov［6］等研究了添加Sc對Al－Zn－Mg－Cu合金時效動力學(xué)的影響。然而，目前國內(nèi)外學(xué)者對含鈧Al－Zn－Mg合金的研究主要集中在鈧對合金成分設(shè)計、組織與性能、熱處理工藝及再結(jié)晶行為等方面的影響［7，8］，對其在高溫條件下的熱變形行為研究較少。

在金屬熱變形過程中，流變應(yīng)力是制定其擠壓、軋制等工藝的理論依據(jù)，與變形溫度、應(yīng)變速率、變形程度、合金化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)［9，10］。對合金開展高溫流變行為的研究，對于材料熱加工工藝的確定以及金屬塑性變形理論的研究均具有重要意義。本工作采用等溫熱壓縮實驗，研究該類合金在高溫變形時的流變應(yīng)力變化規(guī)律，構(gòu)建流變應(yīng)力模型，為制定熱變形工藝提供理論依據(jù)，同時還研究了合金在熱壓縮變形中微觀組織演變機理。

1 材料制備與實驗方法

實驗原材料為工業(yè)純鋁、純鎂和純鋅以及A1－Sc和A1－Zr中間合金。采用鑄錠冶金方法制備了Al－5.4Zn－2.0Mg－0.35Cu－0.3Mn－0.25Sc－0.12Zr（質(zhì)量分數(shù)／%）合金鑄錠。鑄錠于470℃均勻化處理24h，然后切取小塊試樣，加工成φ10mm×15mm的圓柱形壓縮試樣。為了減小試樣與壓頭之間的摩擦，壓縮試樣兩端各加工出一厚度為0.2mm的凹槽，在壓縮過程中，將凹槽內(nèi)均勻填充潤滑劑（石墨＋機油）。熱壓縮實驗在Gleeble－1500熱模擬試驗機上進行。應(yīng)變速率為0.001，0.01，0.1，1.0s－1和10s－1，變形溫度為340，380，420，460℃和500℃。熱壓縮實驗結(jié)束后立即對試樣進行水淬處理，以保留合金熱壓縮結(jié)束時的變形組織。將試樣沿壓縮方向切開，采用TECNAI G220透射電鏡對其微觀組織進行觀察，透射電鏡樣品經(jīng)機械預(yù)減薄后雙噴穿孔而成。電解液為硝酸＋甲醇（體積比為1∶3），溫度低于－25℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 合金熱壓縮變形的真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線

含鈧Al－Zn－Mg合金在高溫壓縮變形時的真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線如圖1所示，熱壓縮初期，合金流變應(yīng)力均隨應(yīng)變的增加而迅速增大至峰值，出現(xiàn)明顯峰值應(yīng)力，此時為過渡變形階段。當應(yīng)變超過一定值后，真應(yīng)力并不隨應(yīng)變量的繼續(xù)增大而發(fā)生明顯的變化，即呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流變特征。由圖1中還可以看出，在同一應(yīng)變速率下，隨變形溫度的降低，流變應(yīng)力明顯升高；在同一變形溫度下，隨應(yīng)變速率減小，流變應(yīng)力下降，說明合金在該實驗條件下具有正的應(yīng)變速率敏感性［11，12］。

圖1 含鈧Al－Zn－Mg合金熱壓縮變形真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線（a）0.001s－1；（b）0.01s－1；（c）0.1s－1；（d）1.0s－1；（e）10s－1Fig.1 True stress－true strain curves of Al－Zn－Mg alloy containing Sc during hot compression deformation（a）0.001s－1；（b）0.01s－1；（c）0.1s－1；（d）1.0s－1；（e）10s－1

2.2 合金熱壓縮變形的透射電鏡組織

圖2給出了不同熱變形條件下合金的TEM照片。在較低溫度（T＝380℃）和較高應(yīng)變速率（＝1s－1）的熱變形過程中，位錯通過攀移和交滑移，使處于同一滑移面上的異號位錯相互吸引而抵消，位錯密度降低；同號位錯相互排斥，并按照某種規(guī)律排列成位錯墻（見圖2（a）），位錯由高能態(tài)的混亂排列轉(zhuǎn)向低能態(tài)的規(guī)則排列，此時，合金中主要發(fā)生動態(tài)回復(fù)。隨著變形溫度的升高（T＝420℃），原子的動能增大，原子間的結(jié)合力減弱，臨界切應(yīng)力降低，更多滑移系被開啟，各滑移面上的位錯在運動中發(fā)生交叉纏結(jié)的幾率也相應(yīng)增大，形成更多的亞晶界（見圖2（b）），同時也儲存了更多的變形能，為動態(tài)再結(jié)晶提供了有利條件。當熱變形溫度為500℃時，隨著熱變形的進行，大角度晶界發(fā)生遷移，晶界變得清晰、平直，逐漸形成完整的再結(jié)晶晶粒（見圖2（c）），合金的主要軟化機制由動態(tài)回復(fù)轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)再結(jié)晶［13］。

圖2 試樣在不同變形條件下的透射電鏡組織（a）T＝380℃，＝1s－1；（b）T＝420℃，＝0.1s－1；（c）T＝500℃，＝1s－1Fig.2 TEM images of specimens compressed under different conditions（a）T＝380℃，＝1s－1；（b）T＝420℃，＝0.1s－1；（c）T＝500℃，＝1s－1

2.3 合金熱壓縮變形的流變本構(gòu)方程

金屬和合金在熱變形過程中，流變應(yīng)力σ是應(yīng)變速率和變形溫度T的函數(shù)。對不同熱加工數(shù)據(jù)的研究表明，σ，和T之間在不同的應(yīng)力水平下滿足不同的關(guān)系。在低應(yīng)力和高應(yīng)力水平下，流變應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系可分別用指數(shù)關(guān)系和冪指數(shù)關(guān)系描述，即

式中：A1，A2，n，β均為與溫度無關(guān)的常數(shù)；R 為氣體常數(shù)；T為變形溫度；Q為熱變形激活能，它反映材料熱變形的難易程度，是材料熱變形過程中重要的力學(xué)性能參數(shù)。

綜合考慮方程（1）和（2），Sellars和Tegart提出了采用包含變形激活能Q和溫度T的雙曲正弦形式修正的Arrhenius關(guān)系來描述這種熱激活穩(wěn)態(tài)變形行為，即

式中：A和α均為材料常數(shù)，α，β和應(yīng)力指數(shù)n之間滿足α＝β／n。式（3）可以在整個應(yīng)力范圍內(nèi)較好地描述常規(guī)熱加工過程的流變應(yīng)力變化規(guī)律。

Zener和Hollomon于1944年提出并驗證了應(yīng)變速率和變形溫度對流變應(yīng)力的影響可用Zener－Hol－lomon參數(shù)Z表示，其定義式為：

其物理意義是溫度補償?shù)淖冃嗡俾室蜃?。由式?）得

根據(jù)雙曲正弦函數(shù)的反函數(shù)公式

可將峰值應(yīng)力σ表述成Z參數(shù)的函數(shù)，即

由式（7）可知，如果能夠計算出A，Q，n和α等材料參數(shù)，便可求得任意變形條件下的應(yīng)力值。

假定在一定溫度下，變形激活能Q為常數(shù)，對式（1）和（2）兩邊取對數(shù)有：

取不同變形條件下的峰值應(yīng)力為流變應(yīng)力σ，分別以lnσ和ln、σ和ln為坐標作圖，用數(shù)學(xué)軟件 Origin作線性回歸，如圖3所示。由式（8）和式（9）可知，n為lnσ和ln關(guān)系的斜率，即圖3（a）中5條擬合直線的斜率平均值，得到n＝7.504。β為σ和ln關(guān)系的斜率，即圖3（b）中5條擬合直線的斜率平均值，得到β＝0.086MPa－1。則α值可由α＝β／n求出。

對式（3）兩邊取自然對數(shù)，整理可得

圖3 峰值應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系 （a）lnσ和ln的關(guān)系圖；（b）σ和ln的關(guān)系圖Fig.3 Relationships betweenσand （a）lnσ－ln；（b）σ－ln

α取本實驗所得0.0114MPa－1，以ln和ln［sinh（ασ）］為坐標作圖，并進行線性回歸，如圖4所示。從擬合結(jié)果看出，ln與ln［sinh（ασ）］之間的線性關(guān)系明顯。這說明該合金流變應(yīng)力與應(yīng)變速率之間的關(guān)系可以用雙曲正弦函數(shù)修正的Arrhenius關(guān)系很好地加以描述，這為通過調(diào)整應(yīng)變速率來控制熱加工的應(yīng)力水平能參數(shù)提供了理論依據(jù)［14，15］。

圖4 不同變形溫度下ln與ln［sinh（ασ）］關(guān)系圖Fig.4 Relationship between lnand ln［sinh（ασ）］

對式（4）兩邊取自然對數(shù)，并假定在恒應(yīng)變速率條件下變形時，一定溫度范圍內(nèi)Q保持不變，可得

以ln［sinh（ασ）］和1000／T 為坐標作圖，進行線性回歸，如圖5所示?？梢?，在相同應(yīng)變速率下，ln［sinh（ασ）］和1000／T 呈線性關(guān)系。

圖5 不同應(yīng)變速率下ln［sinh（ασ）］與變形溫度的關(guān)系Fig.5 Relationship between ln［sinh（ασ）］and T－1

考慮溫度對變形激活能的影響，對式（4）求偏微分可得：其中n為一定溫度下ln－ln［sinh（ασ）］關(guān)系曲線的斜率，S為應(yīng)變速率一定的條件下ln［sinh（ασ）］－（1／T）關(guān)系曲線的斜率，其值可通過圖4，5中各直線的斜率而求得。將n和S的值代入式（12）即可求出變形激活能Q＝150.25kJ／mol。

對式（4）兩邊取對數(shù)還可得：

將Q值和變形條件代入式（4）求出Z值，繪制lnZ－ln［sinh（ασ）］關(guān)系圖并進行線性擬合，結(jié)果如圖6所示。其線性關(guān)系表明合金高溫變形流變行為可以用Z參數(shù)描述，即該合金的高溫塑性變形受熱激活控制。由式（13）可知，圖5中直線的截距為lnA。由擬合結(jié)果可計算出材料常數(shù)A＝1.49×1010s－1。

圖6 Z參數(shù)與流變應(yīng)力的關(guān)系Fig.6 Relationship between ln［sinh（ασ）］and lnZ

將A，Q，n和α等材料常數(shù)代入式（3），得到合金用雙曲正弦函數(shù)修正的Arrhenius關(guān)系表示的流變應(yīng)力方程為

將以上所求材料常數(shù)代入式（7），即可得到合金用Z參數(shù)表達的流變應(yīng)力方程

2.4 討論

上述分析表明，合金在高溫熱壓縮變形時的流變行為主要受應(yīng)變、應(yīng)變速率和變形溫度的影響，且同時存在加工硬化和動態(tài)軟化兩個過程。在熱加工變形初期，隨著應(yīng)變的增加，合金中的位錯密度急劇增大，由于合金中晶界、雜質(zhì)、位錯纏結(jié)或第二相粒子的作用，極大地阻礙了位錯的運動，造成位錯塞積現(xiàn)象，從而導(dǎo)致加工硬化產(chǎn)生。具體表現(xiàn)在真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線：隨著應(yīng)變的增加，流變應(yīng)力呈直線迅速提高。隨著變形量的進一步加大，位錯塞積數(shù)目和合金中的空位濃度也隨之增大，同時位錯塞積導(dǎo)致的應(yīng)力集中也為位錯的開始運動提供了足夠的能量，此時，動態(tài)軟化程度逐漸提高，加工硬化現(xiàn)象減弱，流變應(yīng)力隨變形量大的加大而開始出現(xiàn)不同程度的減小。最后，由于位錯的交滑移、攀移以及位錯的脫釘?shù)纫鸬能浕c應(yīng)變硬化達到動態(tài)平衡時，真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線接近于一水平線，變形進入穩(wěn)態(tài)流變階段［16－18］。

當合金在較高溫度壓縮變形時，合金熱激活作用較強，原子動能增加，原子振動的振幅增大，原子間的結(jié)合力減弱，臨界切應(yīng)力降低，提高了位錯與空位的活躍性，位錯攀移幾率增加，使得流變應(yīng)力變小。在較低的應(yīng)變速率變形時，螺型位錯的交滑移和韌性位錯的攀移有足夠時間進行，它們之間的相互抵消和重排進行得更充分，位錯密度減小，亞晶界能夠很好地形成。隨著溫度升高或應(yīng)變速率的減小，取向差較小的亞晶發(fā)生合并，亞晶尺寸增大，開始形成完整的再結(jié)晶晶粒，使得熱變形中的加工硬化得到消除或部分消除。在真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線上的具體表現(xiàn)是隨著應(yīng)變速率的降低，流變應(yīng)力減?。?9，20］。

3 結(jié)論

（1）該合金高溫壓縮時屬于正應(yīng)變速率敏感材料，在應(yīng)變速率一定的條件下，合金的流變應(yīng)力隨變形溫度的降低而增大；在變形溫度一定的條件下，合金的流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率的降低而減小。

（2）當熱變形溫度為500℃，應(yīng)變速率為1s－1時，隨著熱變形的進行，大角度晶界發(fā)生遷移，晶界變得清晰、平直，有完整的再結(jié)晶晶粒產(chǎn)生。動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，使得熱變形中的加工硬化得到消除或部分消除。

（3）該合金的熱變形激活能為150.25kJ／mol，熱壓縮變形時的流變應(yīng)力可用Zener－Hollomon參數(shù)來描述：

［1］WU L M，WANG W H，HSU Y F et al.Effects of homogenization treatment on recrystallization behavior and dispersoid distribution in an Al－Zn－Mg－Sc－Zr alloy［J］.Journal of Alloys and Compounds，2008，456（1－2）：163－169.

［2］LI B，PAN Q L，ZHANG Z Y，et al.Characterization of flow behavior and microstructural evolution of Al－Zn－Mg－Sc－Zr alloy using processing maps［J］.Materials Science and Engineering A，2012，556：844－848.

［3］曾渝，尹志民，潘青林，等.超高強鋁合金的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2002，33（6）：592－596.ZENG Yu，YIN Zhi－min，PAN Qing－lin，et al.Present research and developing trends of ultra high strength aluminum alloys［J］.Journal of Central South University of Technology：Nature Science，2002，33（6）：592－596.

［4］KIM J H，KIM J H，YEOM J K，et al.Effect of scandium content on the hot extrusion of Al－Zn－Mg－（Sc）alloy［J］.Journal of Materials Processing Technology，2007，187－188（12）：635－639.

［5］DEV S，ARCHIBALD STUART A，RAI DEV KUMAAR R C，et al.Effect of scandium additions on microstructure and mechanical properties of Al－Zn－Mg alloy welds［J］.Materials Science and Engineering A，2007，467（1－2）：132－138.

［6］SENKOV O N，SENKOVA S V，SHAGIEV M R.Effect of Sc on aging kinetics in a direct chill cast Al－Zn－Mg－Cu alloy［J］.Metallurgical and Materials Transactions A，2008，39（5）：1034－1053.

［7］WU Y L，F(xiàn)ROES F H，ALVAREZ A，et al.Microstructure and properties of a new super－h(huán)igh－strength Al－Zn－Mg－Cu alloy C912［J］.Materials and Design，1997，18（4－6）：211－215.

［8］何運斌，潘青林，劉元斐，等.Sc和Zr復(fù)合微合金化對Al－Zn－Mg－Cu合金組織與性能的影響［J］.輕合金加工技術(shù)，2005，33（9）：41－43.HE Yun－bin，PAN Qing－lin，LIU Yuan－fei，et al.Effects of minor scandium and zirconium on microstructure and tensile properties of Al－Zn－Mg－Cu alloys［J］.Light Alloy Fabrication Technology，2005，33（9）：41－43.

［9］李紅恩，沙愛學(xué).TC18鈦合金熱壓參數(shù)對流動應(yīng)力與顯微組織的影響［J］.材料工程，2010，（1）：85－88.LI Hong－en，SHA Ai－xue.Effects of hot process parameters on flow stress and microstructures of TCl8titanium alloy［J］.Journal of Materials Engineering，2010，（1）：85－88.

［10］NAKAI M，ETO T.New aspects of development of high strength aluminum alloys for aerospace applications［J］.Materials Science and Engineering A，2000，285（1－2）：62－68.

［11］廖舒綸，張立文，岳重祥，等.GCr15熱變形行為與流變應(yīng)力模型的研究［J］.材料工程，2008，（4）：8－10，14.LIAO Shu－lun，ZHANG Li－wen，YUE Chong－xiang，et al.Research on thermal deformation behavior and model of flow stress of GCrl5steel［J］.Journal of Materials Engineering，2008，（4）：8－10，14.

［12］IWAMURA S，MIURA Y.Loss in coherency and coarsening behavior of Al3Sc precipitates［J］.Acta Materialia，2004，52（7）：591－600.

［13］李雄，張鴻冰，阮雪榆，等.40Cr鋼流變應(yīng)力的分析及模擬［J］.材料工程，2004，（11）：41－44，49.LI Xiong，ZHANG Hong－bing，RUAN Xue－yu，et al.Analysis and modeling of flow stress of 40Cr steel［J］.Journal of Materials Engineering，2004，（11）：41－44，49.

［14］何振波，李慧中，梁霄鵬，等.Al－Zn－Mg－Sc－Zr合金的熱變形行為及加工圖［J］.中國有色金屬學(xué)報，2011，21（6）：1220－1228.HE Zhen－bo，LI Hui－zhong，LIANG Xiao－peng，et al.Hot defbrmation behavior and processing map of Al－Zn－Mg－Sc－Zr alloy［J］.The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2011，21（6）：1220－1228.

［15］李俊鵬，沈健，閆曉東，等.溫度對7075鋁合金熱變形顯微組織演化的影響［J］.中國有色金屬學(xué)報，2008，18（11）：1951－1957.LI Jun－peng，SHEN Jian，YAN Xiao－dong，et al.Effect of temperature on microstructure evolution of 7075alloy during hot deformation［J］.The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2008，18（11）：1951－1957.

［16］臧金鑫，鄭林斌，張坤，等.新型超高強 Al－Zn－Mg－Cu鋁合金熱壓縮變形的流變應(yīng)力行為［J］.航空材料學(xué)報，2011，31（11）：35－39.ZANG Jin－xin，ZHENG Lin－bin，ZHANG Kun，et al.Flow stress behavior of a new high strength Al－Zn－Mg－Cu alloy during hot compression deformation［J］.Journal of Aeronautical Materials，2011，31（11）：35－39.

［17］趙美蘭，孫文儒，楊樹林，等.GH761變形高溫合金的熱變形行為［J］.金屬學(xué)報，2009，45（11）：79－83.ZHAO Mei－lan，SUN Wen－ru，YANG Shu－lin，et al.Hot deformation of behavior GH761wrought Ni base superalloy［J］.Acta Metallurgica Sinica，2009，45（11）：79－83.

［18］王春旭，劉憲民，田志凌，等.超高強度23Co14Nil2Cr3MoE鋼的熱變形行為研究［J］.航空材料學(xué)報，2011，31（6）：19－23.WANG Chun－xu，LIU Xian－min，TIAN Zhi－ling，et al.Hot deformation behavior of 23Co14Ni12Cr3MoE ultra－h(huán)igh strength steel［J］.Journal of Aeronautical Materials，2011，31（6）：19－23.

［19］吳文祥，韓逸，鐘皓，等.2026鋁合金熱壓縮變形流變應(yīng)力行為［J］.中國有色金屬學(xué)報，2009，19（8）：1403－1408.WU Wen－xiang，HAN Yi，ZHONG Hao，et al.Flow stress behavior of 2026aluminium alloy under hot compression deformation［J］.The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2009，19（8）：1403－1408.

［20］蹇海根，姜鋒，鄭秀媛，等.高強高韌B93鋁合金的熱變形行為［J］.中南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，42（8）：2291－2296.JIAN Hai－gen，JIANG Feng，ZHENG Xiu－yuan，et al.Hot deformation behavior of high strength and toughness B93aluminum alloy［J］.Journal of Central South University：Science and Technology，2011，42（8）：2291－2296.