2024鋁合金板材高溫拉伸流變行為和微觀組織演化研究

趙婷，鄧磊，王新云

（華中科技大學(xué)，武漢 430074）

2024鋁合金是典型的Al-Cu-Mg系高強度硬鋁合金，由于其具有比強度高、焊接性能良好的特點，廣泛應(yīng)用于航天、航空和汽車制造領(lǐng)域［1］。該合金在室溫下塑性低，成形零件時一般采用熱成形。熱成形過程中，材料除了發(fā)生軟化行為，還伴隨著微觀組織的變化［2—3］。微觀組織的變化將對零件力學(xué)性能產(chǎn)生決定性的影響［4—5］，因此，研究材料在高溫條件下的流變行為和微觀組織演化對指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。

板材成形時，材料的變形狀態(tài)以拉伸變形為主。而目前關(guān)于材料微觀組織演化的研究一般通過壓縮實驗所得到的數(shù)據(jù)［6—8］，這與板材的變形狀態(tài)不一致，無法準確體現(xiàn)材料的變形特征。文中通過高溫拉伸實驗和金相實驗來研究2024鋁合金板材的高溫拉伸流變行為和微觀組織演化規(guī)律，并運用實驗數(shù)據(jù)來建立描述其流變行為的本構(gòu)關(guān)系和描述其微觀組織演化規(guī)律的晶粒尺寸模型，為2024鋁合金板材熱成形工藝的開發(fā)和組織控制奠定理論基礎(chǔ)。

1 實驗

實驗所采用的材料為5 mm厚的T4態(tài)2024鋁合金軋制板材。對板材先進行完全退火處理，板材加熱到410℃，保溫2 h，再以每小時30℃的速度隨爐冷卻至270℃，最后空冷，組織為長軸狀晶粒，如圖1所示，平均晶粒尺寸為25 μm。根據(jù)《GB/T 4338—006金屬材料高溫拉伸試驗方法》，在5 mm厚的2024鋁合金板材上利用電火花線切割沿著軋制方向切出標準片狀拉伸試樣，試樣標距為45 mm。為避免表層粗大晶粒的影響［9］，在試樣厚度兩側(cè)各去掉1 mm，試樣厚度最終為3 mm。

在Zwick/Roell Z020電子萬能材料試驗機上對所加工拉伸試樣進行等溫拉伸試驗。試樣保溫3 min之后開始拉伸變形，試驗溫度分別為300，350，400，450 ℃，應(yīng)變速率分別為0.001，0.01，0.1 s-1，拉伸試驗的停止條件分別設(shè)定為4.73 mm（對應(yīng)真實應(yīng)變量為0.1）、9.96 mm（對應(yīng)真實應(yīng)變量為0.2）和拉斷。變形完成立即水冷保留高溫變形組織，大應(yīng)變量條件下的金相觀察位置按照等效應(yīng)變的方法取在對應(yīng)變形條件下拉斷試樣的頸縮區(qū)域。等效應(yīng)變的方法是基于頸縮區(qū)域某位置的橫截面是由均勻變形而來的假設(shè)，該位置所對應(yīng)的均勻拉伸長度等于原始變形體積除以該位置的橫截面積。通過等效應(yīng)變的方法可以在拉斷試樣頸縮區(qū)域取到真實應(yīng)變量為0.3，0.4，0.5和0.7的金相組織。各變形條件對應(yīng)的試樣被處理成金相觀察試樣，進行機械磨拋和電解拋光之后，在DMM-480金相顯微鏡下觀察，平均晶粒尺寸通過ASTM E112-96標準測量。

圖1 2024鋁合金軋制板材經(jīng)退火處理之后的金相組織Fig.1 Microstructure of original rolled 204 aluminum alloy sheets after annealing treatment

2 結(jié)果及討論

2.1 流變行為

圖2 拉伸真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 The true stress-strain curves under different deformation conditions

圖3 應(yīng)變速率敏感系數(shù)隨著溫度的變化規(guī)律Fig.3 Dependence of strain rate sensitivity coefficient on temperature

在材料成分確定的條件下，材料塑性變形過程中的流變應(yīng)力σ一般采用Sellars和Tegart［10］提出的包含變形溫度T、應(yīng)變速率和變形激活能Q的雙曲正弦函數(shù)來表示:

式中:R為氣體常數(shù)，A，α和n均為與溫度無關(guān)的常數(shù)。在不同的應(yīng)力水平，即ασ的不同取值范圍有不同的表達式［11—12］，式（1）可以簡化為:

分別對式（1）、（2）和（3）中的3個等式取自然對數(shù)，可以得到當溫度一定時，ln與σ，ln與ln σ，ln與ln（sinh（ασ））都呈線性關(guān)系。取σ為各變形條件下峰值應(yīng)力σp，線性擬合得到如圖4所示的各參量之間的關(guān)系。得到等式中各常數(shù)的取值，從而得到拉伸狀態(tài)下2024板材的流變應(yīng)力本構(gòu)方程為:

所求得的2024鋁合金板材熱拉伸應(yīng)力狀態(tài)下的熱激活能為173.74 kJ/mol，其他學(xué)者對各種鋁合金熱變形條件下的變形激活能也有研究，如6061鋁合金［13］、7050［14］和 2618［15］鋁合金熱壓縮變形條件下的激活能分別為242.2，264.06，181 kJ/mol。對比可以發(fā)現(xiàn)文中所求得的拉伸條件下的激活能明顯小于壓縮狀態(tài)下其他鋁合金，這與高溫變形時的微觀組織演化機制有關(guān)。對于鋁合金材料高溫壓縮變形，微觀組織演化的機制一般為晶界遷移和小角度晶界的演化［16］，而高溫拉伸條件下，微觀組織演化機制為晶界滑移［17］和小角度晶界的演化。

圖4 各參量之間的關(guān)系Fig.4 The relationship between the various parameters

2.2 微觀組織演化行為

所得高溫拉伸變形后的金相組織如圖5所示，可以看到，溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)變量對晶粒的形態(tài)和尺寸都有一定的影響?？傮w而言，各變形條件下拉伸變形后未發(fā)生大量的動態(tài)再結(jié)晶。針對這種微觀組織演化特點，提出了一種新的唯象型模型來描述變形過程中的平均晶粒尺寸。

圖5 不同變形條件下的拉伸變形試樣的金相圖Fig.5 Metallographic structure of samples after tension deformation under different conditions

模型中將平均晶粒尺寸的改變歸因于溫度、應(yīng)變速率、應(yīng)變量和初始晶粒尺寸的影響，不考慮再結(jié)晶晶粒的形成過程。模型可以表述為方程（5）。式中:f1（ε）為關(guān)于應(yīng)變量ε的方程，f2（Z）為關(guān)于Zener-Hollomon參數(shù)（Z=exp（Q/RT））的方程，d0為初始晶粒尺寸。

統(tǒng)計得到ln（d0-davg）與ε和lnZ之間的關(guān)系，如圖6所示。所得曲線滿足二次多項式分布規(guī)律，這與金泉林的研究成果一致［18］。采用頂點式二次函數(shù)形式描述圖5所示的變量關(guān)系。最終式（5）可以變形為式（6）的形式。

式中，A，B，C，D，M和N為材料常數(shù)。采用式（6）擬合的2024鋁合金高溫拉伸變形平均晶粒尺寸模型如式（7）所示，擬合度達到0.86，模型結(jié)果與所得實驗結(jié)果較吻合。

從模型中可以看出，當ε=0.544，lnZ=28.7534時，平均晶粒尺寸最小。結(jié)合圖4中的金相結(jié)果可以看出，隨著溫度的升高或應(yīng)變速率的降低（Z參數(shù)減?。Я３叽缱兇?，這是因為溫度升高導(dǎo)致原子的擴散系數(shù)變大，高溫下位錯的運動更容易發(fā)生，從而使得晶粒邊界的遷移能力增加，晶粒長大。而應(yīng)變速率的提高會增加晶界的儲能，促進再結(jié)晶形核，形成更多的細小再結(jié)晶晶粒，造成平均晶粒尺寸減小。隨著應(yīng)變量的增加，晶粒邊界被拉得更為平直，晶粒尺寸隨應(yīng)變量的增加先減小后增大。這主要是因為在高溫拉伸過程中發(fā)生了少量的動態(tài)再結(jié)晶，產(chǎn)生了細小晶粒，造成平均晶粒尺寸減小;隨后由于再結(jié)晶晶粒長大，使得平均晶粒尺寸增大。

模型可以描述變形過程中晶粒尺寸的變化量，還可以獲得平均晶粒尺寸最小時的變形條件，有利于實際生產(chǎn)過程中優(yōu)化工藝參數(shù)，獲得細小晶粒，提高零件性能。

圖6 與ε和lnZ之間的關(guān)系示意圖Fig.6 Dependence of on ε and ln Z

3 結(jié)論

1）2024鋁合金的流變應(yīng)力隨溫度的升高而降低，流變應(yīng)力對應(yīng)變速率有正的敏感性，隨著溫度的升高，應(yīng)變速率敏感系數(shù)變大。其高溫拉伸條件下的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)方程為:=4.889×1011·［sinh（0.013 29σ）］5.546158·exp（-1.737 435×105/RT）。

2）2024鋁合金高溫拉伸變形后的平均晶粒尺寸隨溫度的升高而變大，隨應(yīng)變速率的升高而減小;平均晶粒尺寸隨應(yīng)變量的增加先減小后增大。

［1］HUDA Z，TAIB N I，ZAHARINIE T.Characterization of 2024-T3:An Aerospace Aluminum Alloy［J］.Materials Chemistry and Physics，2009，113（2/3）:515—517.

［2］SAKAI T，BELYAKOV A，KAIBYSHEV R，et al.Dynamic and Post-dynamic Recrystallization under Hot，Cold and Severe Plastic Deformation Conditions［J］.Progress in Materials Science，2014，60:130—207.

［3］朱雄，夏華，胡冬，等.鎂合金AZ40M再結(jié)晶晶粒尺寸與硬度模型研究［J］.精密成形工程，2014，6（5）:76—79.

ZHU Xiong，XIA Hua，HU Dong，et al.Recrystallized Grain Size and Hardness Model of AZ40M Alloy［J］.Journal of Netshape Forming Engineering，2014，6（5）:76—79.

［4］YANG Y，ZHANG Z，LI X，et al.The Effects of Grain Size on the Hot Deformation and Processing Map for 7075 Aluminum Alloy［J］.Materials ＆ Design，2013，51:592—597.

［5］王艷彬，陳嫚麗，趙志翔.Al2O3微粒的尺度律對鎂微觀組織和拉伸性能的影響［J］.精密成形工程，2011，3（2）:15—19.

WANG Yan-bin，CHEN Man-li，ZHAO Zhi-xiang.Effects on Magnesium Microstructure and Mechanical Propertiesof the Scaling Laws of Al2O3Micro-particles［J］.Journal of Netshape Forming Engineering，2011，3（2）:15—19.

［6］CHAMANFAR A，JAHAZI M，GHOLIPOUR J，et al.Evolution of Flow Stress and Microstructure during Isothermal Compression of Waspaloy［J］.Materials Science and Engineering:A，2014，615:497—510.

［7］舒大禹，肖遠倫，胡傳凱，等.Mg-10Gd-2Y-0.6Zr合金熱壓縮變形及其微觀組織研究［J］.精密成形工程，2010，2（4）:1—6.

SHU Da-yu，XIAO Yuan-lun，HU Chuan-kai，et al.Study on Hot Compression Deformation of Mg-10Gd-2Y-0.6Zr Alloy and its Microstructure［J］.Journal of Netshape Forming Engineering，2010，2（4）:1—6.

［8］曾莉，任學(xué)平，王小俐，等.高體分SiCp/Al復(fù)合材料熱變形行為及組織的研究［J］.精密成形工程，2009，1（1）:57—61.

ZENG Li，REN Xue-ping，WANG Xiao-li，et al.The Research of Hot-deformation Behavior and Microstructure of SiCp/Al Composite with High Volume Fraction［J］.Journal of Netshape Forming Engineering，2009，1（1）:57—61.

［9］DUAN X，SHEPPARD T.Simulation and Control of Microstructure Evolution during Hot Extrusion of Hard Aluminium Alloys［J］.Materials Science ＆ Engineering A，2003，351（1）:282—292.

［10］SELLARS C M，TEGART W J.On the Mechanism of Hot Deformation［J］.Acta Metallurgica，1966，14（9）:1136—1138.

［11］賈耀軍.7050鋁合金熱變形和動態(tài)再結(jié)晶行為的實驗研究和數(shù)值模擬［D］.重慶:重慶大學(xué)，2013.

JIA Yao-jun.Experimental Research and Numerical Simulation of Hot Deformation and Dynamic Recrystallization Behavior of 7050 Aluminum Alloy［D］.Chongqing:Chongqing University，2013.

［12］戴俊，李鑫，魯世強，等.TC21鈦合金高溫變形本構(gòu)方程研究［J］.精密成形工程，2014，6（6）:116—121.

DAI Jun，LI Xin，LU Shi-qiang，et al.Constitutive Equation of Titanium Alloy TC21 Deformation at High Temperature［J］.Journal of Netshape Forming Engineering，2014，6（6）:116—121.

［13］李展志.6061和6069鋁合金的熱變形行為研究［D］.長沙:中南大學(xué)，2012.

LI Zhan-zhi.Research on the Hot Deformation Behaviors of 6061 and 6069 Aluminum Alloy［D］.Changsha:Central South University，2012.

［14］易幼平，楊積慧，藺永誠.7050鋁合金熱壓縮變形的流變應(yīng)力本構(gòu)方程［J］.材料工程，2007（4）:20—22.

YI You-ping，YANG Ji-hui，LIN Yong-cheng.Flow Stress Constitutive Equation of 7050 Aluminum Alloy During Hot Compression［J］.Journal of Material Engineering，2007（4）:20—22.

［15］黃光勝，汪凌云，陳華，等.2618鋁合金的熱變形和加工圖［J］.中國有色金屬學(xué)報，2005（5）:763—767.

HUANG Guang-sheng，WANG Ling-yun，CHEN Hua，et al.Hot Deformation and Processing Maps of 2618 Aluminum Alloy［J］.The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2005（5）:763—767.

［16］SHEN B，DENG L，WANG X.A New Dynamic Recrystallisation Model of An Extruded Al-Cu-Li Alloy During Hightemperature Deformation［J］.Materials Science and Engineering:A，2015，625:288—295.

［17］XUN Y，TAN M J.EBSD Characterization of 8090 Al-Li Alloy during Dynamic and Static Recrystallization［J］.Materials Characterization，2004，52（3）:187—193.

［18］金泉林.鋁合金6061的熱變形力學(xué)行為與微觀組織演化規(guī)律［J］.材料熱處理學(xué)報，2011（6）:51—57.

JIN Quan-lin.Experimental Study on Hot Deformation Behavior and Microstructure Evolution of Aluminum Alloy 6061［J］.Transactions of Materials and Heat Treatment，2011（6）:51—57.