擠壓態(tài)CuCr25合金熱變形行為及其加工圖*1

陳　剛，段為樑?，吳旭升

(1.湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙　410082;2. 浙江泰堡金屬制品有限公司，浙江 樂(lè)清　325616)

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擠壓態(tài)CuCr25合金熱變形行為及其加工圖*1

陳剛1，段為樑1?，吳旭升2

(1.湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410082;2. 浙江泰堡金屬制品有限公司，浙江 樂(lè)清325616)

摘要：在Gleeble-3500D熱模擬試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)擠壓態(tài)CuCr25合金在應(yīng)變速率為0.01～10 s-1，變形溫度為750～900 ℃的條件下進(jìn)行恒溫壓縮模擬實(shí)驗(yàn).結(jié)果表明：擠壓態(tài) CuCr25合金在熱變形過(guò)程中流變應(yīng)力隨變形溫度升高和應(yīng)變速率降低而減小；可用雙曲正弦模型來(lái)描述合金的流變行為，其平均激活能為383.4 kJ/mol；基于動(dòng)態(tài)材料模型獲得了擠壓態(tài) CuCr25合金的熱加工圖，并結(jié)合金相顯微組織分析得到了該合金在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)較優(yōu)的熱加工工藝參數(shù)范圍：加工溫度830～900 ℃，應(yīng)變速率為0.01～0.1 s-1.

關(guān)鍵詞：擠壓態(tài) CuCr25合金；熱壓縮變形；變形激活能；加工圖

CuCr合金具有強(qiáng)度和硬度高、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性好以及抗腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于制備電阻電極、觸頭材料、集成電路引框架、電車及電力火車架空導(dǎo)線、電動(dòng)工具的轉(zhuǎn)向器、大型高速渦輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)線、電工開關(guān)以及電動(dòng)機(jī)集電環(huán)等要求高導(dǎo)電率高強(qiáng)度的產(chǎn)品，尤其是在大功率高中壓真空開關(guān)中CuCr合金顯示出其廣闊的應(yīng)用前景[1-3].目前，關(guān)于銅鉻材料的研究，主要集中在制備工藝方面，而關(guān)于銅鉻合金材料高溫?zé)嶙冃蔚难芯?，鮮有報(bào)道.

熱加工是合金材料制備的關(guān)鍵工序，在熱變形加工中，材料由于熱力作用其組織性能發(fā)生復(fù)雜的冶金學(xué)變化，宏觀上的熱流變應(yīng)力是表征合金在熱變形過(guò)程中材料塑性變形性能的一個(gè)最基本量，研究熱變形過(guò)程中的熱流變應(yīng)力對(duì)金屬塑性變形理論的研究以及制定合理的熱加工工藝具有重要的作用.熱加工圖是基于動(dòng)態(tài)材料模型(DMM)的能量圖和失穩(wěn)圖的疊加，在合金熱加工過(guò)程的優(yōu)化以及新材料加工參數(shù)的設(shè)置中得到廣泛應(yīng)用[4-7].目前，對(duì)銅合金的熱變形行為和加工圖已有較多的研究報(bào)道，張輝等[8]對(duì)KFC銅合金熱壓縮變形流變應(yīng)力進(jìn)行了分析；張良等[9]對(duì)Cu-8.0Ni-1.8-Si-0.15Mg合金熱變形行為進(jìn)行了研究；劉勇等[10]對(duì)鎢含量不同的W-Cu復(fù)合材料高溫變形行為進(jìn)行了研究；肖艷紅[11]等對(duì)H62黃銅流變行為建立了本構(gòu)模型；Gronostajsk[12]根據(jù)鋁青銅的熱壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線作出熱加工圖并對(duì)其熱變形行為進(jìn)行了分析.本文在Gleeble-3500D熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上，對(duì)擠壓態(tài)CuCr25合金在不同溫度、不同變形速度下進(jìn)行圓柱體高溫單道次軸對(duì)稱壓縮試驗(yàn)，得到該合金的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，通過(guò)對(duì)合金熱壓縮變形流變應(yīng)力、應(yīng)變速率以及變形溫度之間的關(guān)系的研究，計(jì)算出該合金的熱變形激活能，建立擠壓態(tài)CuCr25合金高溫流變應(yīng)力本構(gòu)方程及熱加工圖，為該合金后續(xù)軋制熱加工工藝的制定和優(yōu)化提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù).

1實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用原材料為直徑為43 mm的CuCr25合金熱擠壓棒材，將原始棒材加工成尺寸為Φ10 mm×15 mm的壓縮試樣，熱壓縮試驗(yàn)在Gleeble-3500熱模擬機(jī)上進(jìn)行.壓縮過(guò)程中，在圓柱體試樣兩端的槽內(nèi)填充75%石墨+20%機(jī)油+5%硝酸三甲苯脂，以減小變形過(guò)程中摩擦力對(duì)流變應(yīng)力的影響.變形溫度范圍為750～900 ℃，應(yīng)變速率為0.01～10 s-1,總壓縮真應(yīng)變?yōu)?.6，熱模擬實(shí)驗(yàn)的升溫速度為10 ℃/s，保溫時(shí)間為5 min.壓縮完成后立即水冷到室溫，以保留變形后的組織.采用線切割方法將變形試樣沿軸向中心剖開，利用NEOPHOT32 金相顯微鏡觀察熱壓縮后的顯微組織.

2結(jié)果與分析

2.1流變應(yīng)力行為

圖1所示為擠壓態(tài)CuCr25合金在變形溫度為750～900 ℃，應(yīng)變速率為0.01～10 s-1熱壓縮條件下流變應(yīng)力曲線.由圖1可以看出，所有的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上都出現(xiàn)了一個(gè)明顯的應(yīng)力峰值.在變形的初始階段，加工硬化作用占主導(dǎo)地位，材料的流變應(yīng)力迅速增加，隨著變形量的增加，材料將發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,當(dāng)加工硬化作用和軟化作用達(dá)到平衡時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)一個(gè)應(yīng)力峰值，隨后再結(jié)晶軟化作用占據(jù)主導(dǎo)地位，材料的應(yīng)力逐漸降低，最后達(dá)到一穩(wěn)定值不變.

從圖1還可以看出，在相同的變形溫度下，流變應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的增加而升高，這是因?yàn)楫?dāng)應(yīng)變速率增加時(shí)，實(shí)現(xiàn)塑性變形的時(shí)間縮短而使得動(dòng)態(tài)軟化效果相對(duì)減弱，加工硬化過(guò)程加劇，臨界切應(yīng)力升高，從而導(dǎo)致流變應(yīng)力增加.在相同的應(yīng)變速率下，真應(yīng)力水平隨溫度的升高明顯下降，這是因?yàn)殡S著溫度升高，原子間的動(dòng)能增強(qiáng)，臨界切應(yīng)力降低，以及軟化效果隨溫度升高而增強(qiáng)，從而導(dǎo)致合金的流變應(yīng)力降低.

金屬材料的高溫塑性變形過(guò)程和高溫蠕變過(guò)程相似，都存在熱激活過(guò)程，流變應(yīng)力取決于變形溫度和應(yīng)變速率，通?？梢杂肁rrhenius方程來(lái)描述[13]，其表達(dá)式如下：

(1)

(2)

(3)

Sellars等提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了熱變形條件，通常可以用溫度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變速率因子Zener-Hollomon參數(shù)Z來(lái)表示[13-14]：

Z=A[sinh(ασ)]n

(4)

Ture strain

Ture strain

Ture strain

圖1 擠壓態(tài)CuCr25合金熱壓縮變形真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

Fig.1True stress-strain curves of the extruded CuCr25

alloy at different temperatures and strain rates

對(duì)式(1),式(2)和式(4)兩邊取對(duì)數(shù)，可分別得：

(5)

(6)

lnZ=lnA+n[sinh(ασ)]

(7)

lnσ/MPa

σ/MPa

圖2　流變應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系

(8)

(9)

ln[sinh(ασ)]/MPa

T-1/10-3K-1

ln[sinh(ασ)]

2.2DMM加工圖

DMM加工圖是基于大塑性變形的連續(xù)力學(xué)、物理系統(tǒng)模擬和不可逆熱力學(xué)等基本原理建立的，通過(guò)測(cè)定不同變形條件下材料塑性變形參數(shù)，計(jì)算出材料在塑性變形時(shí)的功率耗散特性，可以準(zhǔn)確地描述材料在高溫變形時(shí)的組織演變同塑性變形參數(shù)之間的關(guān)[15].在給定變形溫度T、 應(yīng)變?chǔ)诺臈l件下，應(yīng)變速率敏感指數(shù)m可以由耗散量函數(shù)G和耗散協(xié)量函數(shù)J的變化率來(lái)表示[16]：

(10)

無(wú)量綱的功率耗散效率因子η可以由應(yīng)變速率敏感指數(shù)m描述：

(11)

η描述了材料熱變形過(guò)程中因顯微組織改變而消耗的能量與總能量的比值，η隨溫度和應(yīng)變速率的變化就構(gòu)成了功率耗散圖.

在功率耗散圖中，并不是功率耗散效率越大、材料的內(nèi)在可加工性能就越好，因?yàn)樵诩庸なХ€(wěn)區(qū)功率耗散效率也可能會(huì)較高，所以有必要先判斷出合金的加工失穩(wěn)區(qū).在動(dòng)態(tài)材料模型中，加工失穩(wěn)的判據(jù)是由Prasad[17]建立的，他將不可逆熱動(dòng)力學(xué)的極大值原理應(yīng)用于大應(yīng)變塑性流變中，進(jìn)而推導(dǎo)出保持塑性流變穩(wěn)定的條件式為[18]:

(12)

將功率耗散圖和失穩(wěn)圖疊加在一起，就構(gòu)成了不同真應(yīng)變?chǔ)艑?duì)應(yīng)的DMM加工圖，如圖6所示.圖6是擠壓態(tài)CuCr25合金在應(yīng)變量為0.4和0.6時(shí)的加工圖，其中陰影區(qū)為流動(dòng)失穩(wěn)區(qū)，等值線上的數(shù)字表示功率耗散因子.從圖6中可以看出，應(yīng)變量為0.4和0.6時(shí)的失穩(wěn)區(qū)變化不大，且都在高溫高應(yīng)變速率時(shí)發(fā)生失穩(wěn)；功率耗散因子變化規(guī)律相似，且隨著應(yīng)變量的增大，功率耗散因子變化幅度不大，因此本文以應(yīng)變量為0.6時(shí)的加工圖分析.

由圖6(b)可以看出，在應(yīng)變速率為0.4～10 s-1時(shí)，功率耗散因子隨著應(yīng)變速率的減小而增大；在應(yīng)變速率為0.01～0.1 s-1，變形溫度為830～900 ℃時(shí)，功率耗散因子隨著溫度的升高，應(yīng)變速率的減小而增大，且在變形溫度900 ℃，應(yīng)變速率0.01 s-1時(shí)，出現(xiàn)功率耗散效率峰值為24%，大的功率耗散效率意味著出現(xiàn)特殊的顯微組織轉(zhuǎn)變或?qū)е铝髯兪Х€(wěn)；在變形溫度為830～900 ℃，應(yīng)變速率大于1 s-1時(shí)材料會(huì)發(fā)生流變失穩(wěn)，在熱加工時(shí)，應(yīng)該避免此區(qū)域.

(a)ε=0.4

(b)ε=0.6

圖6 擠壓態(tài)CuCr25合金

在不同真應(yīng)變時(shí)的DMM加工圖

Fig.6 DMM maps of the extruded

CuCr25 alloy at various true strains

在分析加工圖時(shí)，往往要結(jié)合顯微組織來(lái)進(jìn)行佐證，圖7 所示為擠壓態(tài)CuCr25合金在不同變形溫度、應(yīng)變速率時(shí)的顯微組織．結(jié)合圖6(b)，圖7可以看出，在熱加工流變失穩(wěn)區(qū)即高溫高應(yīng)變區(qū)(溫度為830～900 ℃，應(yīng)變速率大于1 s-1時(shí))，顯微組織呈流線帶狀且有剪切帶組織如7(d)所示,這是由于在應(yīng)變速率較高時(shí)，銅基體和Cr相變形程度不協(xié)調(diào)界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中所引起的；在熱加工安全區(qū)內(nèi)，擠壓態(tài)CuCr25合金在熱壓縮過(guò)程中銅基體發(fā)生了明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，如圖7(a),(b),(c)所示.在溫度較低、應(yīng)變速率較低時(shí)，銅基體有細(xì)小的再結(jié)晶晶粒的形成，此過(guò)程發(fā)生了部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，如圖7(a)所示；當(dāng)溫度升高，銅基體細(xì)小的再結(jié)晶晶粒增多，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶更明顯，圖7(b)所示；當(dāng)溫度達(dá)到900 ℃、應(yīng)變速率為0.01 s-1時(shí)，銅基體已完全是等軸的再結(jié)晶晶粒，此條件下發(fā)生了完全再結(jié)晶如圖7(c)所示,此圖也佐證了圖6(b)中在變形溫度830～900 ℃，應(yīng)變速率0.01～0.1 s-1時(shí)，大的功率耗散因子意味著發(fā)生了特殊的顯微組織轉(zhuǎn)變，即發(fā)生了完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，得到等軸的再結(jié)晶組織，這個(gè)區(qū)域的組織易于控制，其對(duì)應(yīng)的變形溫度、應(yīng)變速率為最佳工藝參數(shù)，即變形溫度為830～900 ℃，應(yīng)變速率0.01～0.1 s-1.

(a)T=750 ℃,

(b)T=800℃,

(c)T=900 ℃,

(d)T=850 ℃,

3結(jié)論

1)擠壓態(tài)CuCr25合金在變形溫度為750～900 ℃，應(yīng)變速率為0.01～10 s-1時(shí)，發(fā)生明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；在相同的變形溫度下，流變應(yīng)力隨著變形速率的增加而升高，在相同的應(yīng)變速率下，真應(yīng)力水平隨溫度的升高明顯下降.

2)擠壓態(tài)CuCr25合金流變應(yīng)力行為滿足雙曲正弦模型，合金的平均激活能Q為383.4 kJ/mol，流變應(yīng)力方程為

3) 擠壓態(tài)CuCr25合金在變形溫度為830～900 ℃，應(yīng)變速率大于1 s-1時(shí)材料會(huì)發(fā)生流變失穩(wěn)，在指定熱加工參數(shù)時(shí)應(yīng)避免；該合金的最佳熱變形工藝參數(shù)：變形溫度為830～900 ℃，應(yīng)變速率0.01～0.1 s-1.

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Hot Deformation Behavior and Processing Maps of the Extruded CuCr25 Alloy

CHEN Gang1, DUAN Wei-liang1?,WU Xu-sheng2

(1.College of Materials Science and Engineering, Hunan Univ, Changsha,Hunan410082 China;2.Zhejiang Taibao Metal Products Co Ltd, Yueqing,Zhejiang325616,China)

Abstract:Isothermal compression tests of extruded CuCr25 alloy were carried out at the temperature range of 750～900 ℃ and at the strain rate range of 0.01～10 s-1on Gleeble-3500D system. The experiment results showed that the flow stress decreased with the increase of deformation temperature and the decrease of strain rate, which could be described by hyperbolic-sine equation with the average hot deformation activation energy Q of 383.4 kJ/mol. The processing maps were calculated on the basis of the dynamic materials model. The optimum processing parameters were proved to be the deformation temperature range of 830～900 ℃ and the strain rate range of 0.01～0.1 s-1was obtained by processing maps and deformed microstructural observation.

Key words:extruded CuCr25 alloy; hot compression deformation; hot deformation activation energy; processing maps

文章編號(hào)：1674-2974(2016)06-0010-06

收稿日期：2015-06-17

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51571089)，National Natural Science Foundation of China(51571089)

作者簡(jiǎn)介：陳剛(1965-)，男，湖南長(zhǎng)沙人，湖南大學(xué)教授 ?通訊聯(lián)系人，E-mail:dna20061422@126.com

中圖分類號(hào)：TG301

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A