含Sc的Al－Cu－Li合金熱壓縮變形的流變應(yīng)力行為和顯微組織

隆 平，潘清林，梁文杰，張麥秋，聶輝文

含Sc的Al－Cu－Li合金熱壓縮變形的流變應(yīng)力行為和顯微組織

隆 平1，潘清林2，梁文杰2，張麥秋1，聶輝文1

（1.湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 教務(wù)處，湖南 株洲 412004；2.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083）

采用Gleeble－1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)，在變形溫度為380℃～500℃和應(yīng)變速率為0.001～10 s－1的條件下對(duì)含鈧鋁鋰合金的熱變形行為進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：含鈧鋁鋰合金流變應(yīng)力隨變形溫度升高和應(yīng)變速率的降低而減小。以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用作圖法和線性回歸方法求解得出各參數(shù)數(shù)值和流變峰值應(yīng)力方程，利用該方程預(yù)測(cè)流變應(yīng)力值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好；該合金在高溫壓縮變形中，在變形溫度大于470℃和應(yīng)變速率小于0.1 s－1時(shí)，合金發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，且溫度越高、應(yīng)變速率越低，該合金越易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。在380℃～470℃，0.1～10 s－1條件下，對(duì)該合金進(jìn)行熱變形加工較為適宜。

含鈧鋁鋰合金；熱壓縮變形；流變應(yīng)力；顯微組織

含Sc鋁鋰合金與不含Sc的鋁鋰合金相比，不僅強(qiáng)度高、塑性好，而且具有優(yōu)異的焊接性能和低溫性能，在航空航天領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［1－2］，是一種最理想的高性能鋁合金材料。

鋁鋰合金塑性較差，熱加工過程中變形抗力大，容易開裂。作者采用軸對(duì)稱等溫壓縮實(shí)驗(yàn)?zāi)M熱加工過程，研究不同熱變形條件下Al－3.50Cu－1.50Li－0.12Zr－0.10Sc合金的真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線，利用Sellars和Tegart提出的模型，采用統(tǒng)計(jì)回歸方法建立了合金熱塑性變形流變應(yīng)力本構(gòu)方程，可預(yù)測(cè)高溫壓縮變形時(shí)流變應(yīng)力的變化規(guī)律，為數(shù)值模擬提供較精確的流變應(yīng)力數(shù)據(jù)［3－4］。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究合金熱變形條件與組織演變間的關(guān)系，確定合金適宜的熱加工條件。

1 實(shí)驗(yàn)方法

2 熱壓縮變形曲線和熱變形行為預(yù)測(cè)

2.1 合金的真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線特點(diǎn)

在變形溫度為380℃～500℃，應(yīng)變速率為0.001～10.000 s－1條件下觀察含鈧Al－Cu－Li合金的真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線，可以得出，合金熱壓縮變形時(shí)，流變應(yīng)力的變化規(guī)律為：（1）流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增加而增加，隨溫度的升高而下降；（2）變形過程中出現(xiàn)明顯的加工硬化效應(yīng)（變形初期，應(yīng)力值隨應(yīng)變的增加迅速提高）和軟化現(xiàn)象（當(dāng)應(yīng)力值達(dá)到峰值后，隨著變形增加，流變應(yīng)力逐步降低）；（3）當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定值后，穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力基本上保持不變而與真應(yīng)變無關(guān)。

2.2 合金的流變應(yīng)力本構(gòu)方程

根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，合金高溫塑性變形時(shí)流變應(yīng)力和變形條件之間的關(guān)系滿足Sellars和Target提出的雙曲正弦函數(shù)關(guān)系。利用作圖法及線性回歸方法求解得出各參數(shù)數(shù)值：β=0.134；n1= 6.93，α=β/n1=0.019；Q=249.14 kJ/mol；n= 4.84，A=8.67×1016s－1。

用Jonas等提出、包含變形激活能Q和溫度T的雙曲正弦形式修正Arrhenius關(guān)系［5］來描述流變應(yīng)力、應(yīng)變速率和變形溫度之間的關(guān)系方程為：

其應(yīng)變速率和溫度的關(guān)系用Zener－Hollomon［6－7］參數(shù)Z表示為：

流變峰值應(yīng)力方程也可用Z參數(shù)表示為：

由式（1）至式（3）可知，在高溫壓縮變形時(shí)，此含鈧鋁鋰合金的流變應(yīng)力取決于應(yīng)變速率和變形溫度，其流變應(yīng)力行為可采用Zener－Hollomon參數(shù)的雙曲正弦形式來描述。

2.3 合金峰值流變應(yīng)力的預(yù)測(cè)

用式（2）和式（3）可以預(yù)測(cè)此含鈧鋁鋰合金在不同變形溫度和不同應(yīng)變速率下的峰值流變應(yīng)力。不同變形條件下峰值應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較如表1所示。

可以用式（4）［8］分析計(jì)算值的相對(duì)誤差，進(jìn)一步評(píng)估實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的吻合程度。

式中：σC和σM分別為流變應(yīng)力的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值；δ為計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差。

從表1可見，除少數(shù)點(diǎn)以外，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差均小于10，各變形溫度下平均相對(duì)誤差的最大值為3.68。對(duì)其他應(yīng)變速率下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到類似的結(jié)果：根據(jù)流變應(yīng)力方程計(jì)算的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)值吻合程度較好。

3 合金在高溫壓縮變形條件下的組織演變

3.1 金相顯微組織觀察

觀察幾種不同變形條件下合金的金相顯微組織（圖均為50μm觀察）。從圖1可得知，380℃變形時(shí)，晶粒特征呈現(xiàn)稍微拉長(zhǎng)，延伸方向與壓縮軸垂直。

圖1 t=380℃，˙ε=0.1 s－1時(shí)的金相組織

隨著溫度的升高，晶粒的形貌由拉長(zhǎng)狀逐漸向等軸變化，如圖2為470℃時(shí)的情況，且可分辨出再結(jié)晶晶粒。而至500℃壓縮變形時(shí)，出現(xiàn)了等軸或近似等軸的亞晶粒，亞晶界更顯平直和清晰，如圖3所示。從圖2、圖4中還可觀察到，在相同溫度下，應(yīng)變速率越慢，晶粒越趨于等軸狀，即越易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

圖2 t=470℃，˙ε=0.1 s－1時(shí)的金相顯微組織

圖3 t=500℃，˙ε=0.1 s－1時(shí)的金相組織

表1 不同變形條件下含鈧鋰合金流變峰值應(yīng)力計(jì)算值σC與實(shí)測(cè)值σM比較

3.2 透射電鏡顯微組織觀察

如圖5所示，觀察不同條件下合金的TEM照片（圖為0.2μm觀察），可觀察到：380℃時(shí)，晶粒中出現(xiàn)大量的位錯(cuò)，且位錯(cuò)之間、位錯(cuò)與第二相顆粒之間相互交截。410℃時(shí)，位錯(cuò)通過交滑移和攀移運(yùn)動(dòng)到晶界處，部分抵消其他異號(hào)位錯(cuò)，排列為規(guī)則的低能組態(tài)，形成似胞狀特征的組織，變形逐漸步入穩(wěn)態(tài)階段。470℃時(shí)，位錯(cuò)仍然減少，且已經(jīng)形成了亞晶，某些地方的亞晶甚至結(jié)成了晶粒，再結(jié)晶已開始出現(xiàn)。而至500℃時(shí)，亞晶繼續(xù)組合成晶粒，位錯(cuò)不斷減少，再結(jié)晶依次完成，如圖6所示。同時(shí)，從實(shí)驗(yàn)中還明顯觀察到，相同溫度下，隨著應(yīng)變速率降低，熱壓縮變形產(chǎn)生位錯(cuò)減少，而再結(jié)晶發(fā)生的可能性也增大。

圖4 t=470℃，˙ε=0.001 s－1時(shí)的金相組織

圖5 t=380℃，˙ε=0.1 s－1時(shí)的TEM圖像

圖6 t=500℃，˙ε=0.1 s－1時(shí)的TEM圖像

4 分析與討論

觀察合金高溫塑性變形時(shí)真應(yīng)變－真應(yīng)力曲線，呈現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)流變特征，是因?yàn)樽冃芜^程中存在加工硬化和動(dòng)態(tài)軟化。加工硬化主要是由位錯(cuò)的增殖造成，而動(dòng)態(tài)軟化是由位錯(cuò)的異號(hào)抵消與重組引起，兩方面的相互作用，動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶控制了合金的高溫塑性變形組織。以上分析可知，高溫壓縮加工過程中，應(yīng)變、變形溫度和應(yīng)變速率均影響了含鈧鋁鋰合金的流變應(yīng)力和微觀組織變化。

4.1 應(yīng)變影響

合金熱壓縮變形過程可分為過渡變形階段和穩(wěn)態(tài)變形階段，期間出現(xiàn)最大應(yīng)力。變形初期，位錯(cuò)的不斷增殖使硬化大于交滑移所引起的軟化，而變形量的增加使位錯(cuò)密度繼續(xù)增大，當(dāng)形變量達(dá)到一定值后，變形儲(chǔ)存能促成再結(jié)晶現(xiàn)象出現(xiàn)［9］，發(fā)生再結(jié)晶軟化；只有當(dāng)硬化速率與軟化速率平衡時(shí)，流變應(yīng)力才達(dá)到最大值。接著，軟化速率隨著動(dòng)態(tài)結(jié)晶的不斷進(jìn)行而繼續(xù)增大，當(dāng)超過硬化速率時(shí)，應(yīng)力將逐漸下降。當(dāng)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生結(jié)束后，晶粒組織和流變應(yīng)力不再受形變量的影響，合金熱壓縮變形進(jìn)入了穩(wěn)態(tài)變形階段。

4.2 變形速率影響

在熱變形過程中，應(yīng)變速率降低，會(huì)使塑性變形得以充分進(jìn)行，而彈性變形量相應(yīng)減小，致使流變應(yīng)力降低。同時(shí)，由于位錯(cuò)被激活的時(shí)間隨單位應(yīng)變的變形時(shí)間增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)回復(fù)或動(dòng)態(tài)再結(jié)晶更充分地進(jìn)行。另一方面，合金中原子間距的短割階又被滑移時(shí)的螺型位錯(cuò)拉著一起運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致附加的半原子面擴(kuò)大，給合金中留下了許多空位。形成的過飽和空位隨應(yīng)變速率增大而增多，攀移形成蜷線位錯(cuò)也增多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，由位錯(cuò)攀移及位錯(cuò)反應(yīng)等引起的軟化速率相對(duì)降低，硬化增強(qiáng)，致使流變應(yīng)力增大。故相同溫度下，此合金的峰值應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增大而增大。

4.3 溫度影響

熱激活的作用使原子的動(dòng)能隨變形溫度的升高而增大，原子間結(jié)合力減弱，合金變形時(shí)的臨界切應(yīng)力降低。同時(shí)，滑移系增加，位錯(cuò)活動(dòng)能力增強(qiáng)，晶界吸收附近的位錯(cuò)減少，相鄰的晶粒取向差增大，越易形成大角度晶界的再結(jié)晶晶核。隨變形溫度不斷升高，再結(jié)晶開始出現(xiàn)至依次完成。且動(dòng)態(tài)回復(fù)引起的軟化程度也隨溫度的升高而增大，導(dǎo)致合金表現(xiàn)出更低的流變應(yīng)力水平［10］。

5 結(jié)束語

1）含鈧Al－Cu－Li－Zr合金的峰值應(yīng)力隨應(yīng)變速率增加及變形溫度下降而增加。

2）含鈧Al－Cu－Li－Zr合金高溫壓縮變形時(shí)的流變應(yīng)力行為可采用Zener－Hollomon參數(shù)的雙曲正弦形式來描述。

3）溫度升高，位錯(cuò)活動(dòng)能增強(qiáng)；應(yīng)變速率降低，位錯(cuò)密度減小。溫度越高、應(yīng)變速率越低，合金越易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

［1］霍紅慶，赫維新，耿桂宏，等.航天輕型結(jié)構(gòu)材料——鋁鋰合金的發(fā)展［J］.真空與低溫，2005（11）：63－69.

［2］Enrique J Lavernia，Nicholas JGrant.Review aluminiumlithium alloys［J］.JMater Sci，1987（22）：1521－1529.

［3］何宜柱，陳大宏，雷廷權(quán)，等.形變Z因子與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸間的理論模型［J］.鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2000，12（1）：26－30.

［4］Poirier JP.晶體的高溫塑性變形［M］.關(guān)德林，譯.大連：大連理工大學(xué)出版社，1989.

［5］Sheppard T，Parson N C，Zaidi M A.Dynamic recrystallization in AL－Mg Met［J］.Sci，1983，17（10）：481～487.

［6］McQueen H J，Yue S，Ryan N D，et al.Hot working characteristics of steels in austenitic state［J］.J Mater Process Technol，1995，53（1/2）：293－310.

［7］Shi H，McLaren A J，Sellars CM，etal.Constitutive equations for high temperature flow stress ofaluminum alloys［J］.Mater Sci Eng，1997，13（3）：210－216.

［8］覃銀江，潘清林，何運(yùn)斌，等.ZK60鎂合金熱壓縮變形流應(yīng)力行為與預(yù)測(cè)［J］.金屬學(xué)報(bào)，2009，7（7）：887～891.

［9］陳康華，陳送義，彭國(guó)勝，等.變形程度對(duì)7150鋁合金再結(jié)晶及性能的影響［J］.特種鑄造及有色合金，2010，30（2）：103－106.

［10］劉詩安，孟顯娜，金能萍，等.7056鋁合金高溫?zé)釅嚎s流變應(yīng)力行為［J］.熱加工工藝，2009，38（24）：27～29.

Flow Stress Behavior and M icrostructure of the Sc－containing Al－Cu－Li Alloy During Hot Com pression Deformation

LONG Pin1，PAN Qinglin2，LIANGWenjie2，ZHANG Maiqiu1，NIE Huiwen1
（1.Teaching Affairs Office，Hunan Chemical Vocational Technology College，Zhuzhou 412004，China；2.School of Materials Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083，China）

Compressive deformation behavior of Scandium containing Al－Cu－Lialloy was investigated at the temperatures from 380 to 500℃and strain rates from 0.001 to 10s－1on Gleeb－1500 thermal simulator.The results showed that flow stress of Scandium containing Al－Cu－Li alloy decreased with the increase of deformation temperature and the decrease of strain rate.Parameters and peak flow stress equationswere derived viamappingmethod and linear regression.The predicted peak flow stress via the above equation is coordinated with the experimental results.When the alloy is during hot deformation.It is showed that only if the temperature is higher than 470℃and lower than 0.1s－1，it shows dynamic re－crystallization during hot compression.Themain nucleationmechanism during dynamic re－crystallization is grain boundary protruding and sub－grain coalescence.The suitable hot rolling temperature is 380℃～470℃and the strain rate is 0.1 s－1～10 s－1.

scandium containing Al－Li alloy；hot deformation；flow stress；microstructure

TG146.2

A

10.3969/j.issn.1672－4550.2014.05.005

2013－11－02；修改日期：2013－12－07

湖南省科技廳科技計(jì)劃一般基金資助項(xiàng)目（2012FJ3040）。

隆 平（1969－），女，教授，研究方向：材料物理應(yīng)用。