真空熱壓燒結(jié)CuAl2O3熱變形行為研究

張曉偉+孫靜靜

摘要： 采用真空熱壓燒結(jié)法制備CuAl2O3復(fù)合材料，并在Gleeble1500D熱模擬機(jī)上對(duì)其進(jìn)行高溫壓縮試驗(yàn).闡述了內(nèi)氧化原理，分析了真空熱壓燒結(jié)制備的銅基復(fù)合材料的微觀組織和材料性能，研究了在變形溫度為650～950 ℃，變形速率為0.01～5 s-1，最大真應(yīng)變?yōu)?.7時(shí)的流變應(yīng)力行為.結(jié)果表明：變形溫度和變形速率對(duì)流變應(yīng)力的影響較大，隨著變形溫度的升高和應(yīng)變速率的減小，峰值應(yīng)力逐漸減小.采用雙曲線正弦模型建立了材料高溫變形時(shí)的流變應(yīng)力本構(gòu)方程，確定熱變形激活能為220.7 kJ/mol.

關(guān)鍵詞： CuAl2O3復(fù)合材料； 熱壓縮變形； 流變應(yīng)力； 本構(gòu)方程

中圖分類號(hào)： TB 333文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Hot Compression Deformation Behavior and Established

Constitutive Equations of CuAl2O3 Composites

Prepared by Vacuum Hotpress Sintered

ZHANG Xiaowei，SUN Jingjing

（SIPPR Engineering Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 450007， China）

Abstract： CuAl2O3 composites were fabricated by vacuum hotpressing sintering technique.Internal oxidation principle，microstructure and material properties of the composites were investigated.High temperature compression tests were carried out by using Gleeble1500D thermal simulation apparatus.The flow stress behavior at deformation temperature of 650950 ℃，deformation rate of 0.015 s-1 and maximum true strain of 0.7 was studied.The results indicated that deformation temperature and strain rate had great influence on flow stress.With the increase of deformation temperature and the decrease of strain rate，the peak stress decreased.Using hyperbolic sine model，flow stress constitutive equation at hightemperature was established.The thermal activation energy was determined to be 220.7 kJ/mol.

Keywords： CuAl2O3 composite； hot compression deformation； flow stress； constitutive equations

CuAl2O3復(fù)合材料是一類具有優(yōu)良綜合物理性能和力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)功能材料，已廣泛應(yīng)用于電力、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域.目前國(guó)內(nèi)外對(duì)CuAl2O3復(fù)合材料的制備工藝有較多的報(bào)道[1-2]，而對(duì)其熱變形行為的研究還不夠豐富.材料熱變形過(guò)程中的高溫流變應(yīng)力是表征材料塑性變形的一個(gè)基本量[3-5]，而它的大小決定了變形的難易程度，對(duì)材料的熱加工性能有直接影響.

1.1試驗(yàn)材料及工藝參數(shù)

試驗(yàn)材料為采用真空熱壓燒結(jié)方法制得的CuAl2O3復(fù)合材料，成分配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為：95%（Cu0.44%Al粉）+5%（Cu2O粉）.真空熱壓燒結(jié)工藝參數(shù)為：950 ℃×2 h，壓力30 MPa.

將試驗(yàn)所制錠坯加工成8 mm×12 mm的圓柱試樣，在Gleeble1500D熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行等溫單道次壓縮試驗(yàn).變形前將試樣兩端涂上石墨粉進(jìn)行潤(rùn)滑，以減少摩擦阻力對(duì)應(yīng)力的影響.壓縮變形溫度為650～950 ℃；應(yīng)變速率為0.01～5 s-1；壓縮最大應(yīng)變量為0.7（最大變形率為50%）.以10 ℃/s的速度進(jìn)行升溫，變形前保溫3 min.

1.2制備原理

試驗(yàn)以Cu2O粉作為供氧介質(zhì)，與CuAl合金粉以及W粉進(jìn)行充分混合，進(jìn)行燒結(jié)內(nèi)氧化.在一定的溫度和氣氛條件下，分解成的活性[O]原子吸附于CuAl合金粉的顆粒表面；活性[O]原子在基體中擴(kuò)散并與其中的Al發(fā)生擇優(yōu)氧化生成Al2O3，得到Al2O3彌散強(qiáng)化Cu復(fù)合材料.在此過(guò)程中，由于[O]在Cu中的擴(kuò)散系數(shù)相比Al在Cu中的擴(kuò)散系數(shù)要大得多，可以認(rèn)為是原位生成了Al2O3.

完全氧化是指：

（1） 以下兩個(gè)反應(yīng)進(jìn)行徹底

2Cu2O4Cu+O2（1）

4Al+3O22Al2O3（2）

由式（1）（2）得：

3Cu2O+2AlAl2O3+6Cu（3）

（2） 沒(méi)有剩余的[O]

采用Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.44%的CuAl合金粉，按照式（3）計(jì)算可得：將0.44%Al完全氧化所需的Cu2O比例約為原CuAl合金質(zhì)量的3.52%.考慮上述原因并參考文獻(xiàn)資料，本試驗(yàn)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的Cu2O配制復(fù)合材料.

內(nèi)氧化反應(yīng)包含兩個(gè)步驟：首選是[O]遵循擴(kuò)散定律，通過(guò)吸附、溶入等擴(kuò)散方式進(jìn)入基體內(nèi)部；然后進(jìn)入基體內(nèi)部的[O]與CuAl合金粉中的Al反應(yīng)生成Al2O3.將合金粉末放入密閉的容器中，升溫并降低氧的壓強(qiáng)，使Cu2O分解釋放出活性[O]，與CuAl合金中的Al發(fā)生反應(yīng)生成Al2O3[6].

化學(xué)反應(yīng)需要有較大的熱激活能，激活能越大越容易發(fā)生原子遷移，溫度的升高使擴(kuò)散系數(shù)增大.內(nèi)氧化過(guò)程中，分解出的[O]從外部擴(kuò)散進(jìn)入基體內(nèi)部，與基體內(nèi)的Al發(fā)生反應(yīng)生成Al2O3.氧化過(guò)程遵循擴(kuò)散定律，對(duì)[O]在氧化層中的擴(kuò)散系數(shù)及表面含氧量的影響，是溫度對(duì)內(nèi)氧化進(jìn)程影響的主要表現(xiàn).所以內(nèi)氧化溫度越高，[O]的擴(kuò)散速度就越大，向內(nèi)部遷移的速度就越快，擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)而隨之增大，Al+[O]Al2O3的反應(yīng)速度就越大[6].但是溫度并不是越高越好.試驗(yàn)所選取的內(nèi)氧化燒結(jié)溫度，綜合考慮了Cu的熔點(diǎn)和化學(xué)反應(yīng)等因素，通常選取的內(nèi)氧化溫度范圍為850～1 000 ℃.內(nèi)氧化溫度高，較有利于生成αAl2O3及Al2O3同素異構(gòu)的轉(zhuǎn)化.若內(nèi)氧化溫度過(guò)低，將會(huì)使氧化不徹底，析出的Al2O3的數(shù)量較少，不具實(shí)際意義[6].因此選取合適的內(nèi)氧化溫度，既要保證大量細(xì)小的Al2O3的形成，又能獲得高的化學(xué)反應(yīng)速率，縮短內(nèi)氧化周期.本試驗(yàn)選取燒結(jié)內(nèi)氧化溫度為950 ℃.

2結(jié)果及分析

2.1材料性能及組織分析

在制備過(guò)程中，金屬顆粒在某種程度上與液體性質(zhì)相似，即各向流動(dòng)，從而對(duì)模具內(nèi)壁產(chǎn)生一定的側(cè)壓力.但由于粉末顆粒之間的摩擦力隨著壓制力的增加而不斷增大，也使得壓力在粉末之間的傳遞逐漸減小，壓力大小的不均勻使得壓制的毛坯密度也具有不均勻性，從而表現(xiàn)出硬度在不同位置具有一定的差異.圖1所示為毛坯在橫截面上硬度的分布情況.

2.2復(fù)合材料熱壓縮變形的真應(yīng)力真應(yīng)變曲線

圖3為CuAl2O3復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線.由圖3可以看出，在試驗(yàn)條件下，復(fù)合材料的真應(yīng)力真應(yīng)變曲線均呈明顯的穩(wěn)態(tài)流變特征：即在剛開(kāi)始形變時(shí)，流變應(yīng)力隨變形量的增大而極速增大，當(dāng)出現(xiàn)峰值應(yīng)力后應(yīng)力開(kāi)始緩慢下降，不隨真應(yīng)變的增大而發(fā)生顯著變化，最后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段，并且應(yīng)變速率越小，應(yīng)力值下降越明顯.這是因?yàn)樵诜逯祽?yīng)力出現(xiàn)之前，隨著變形量的增大，位錯(cuò)不斷增多，新增的位錯(cuò)阻礙了原有位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而呈現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象.由于材料基體中的彌散強(qiáng)化Al2O3顆粒極為細(xì)小，能夠明顯提高位錯(cuò)及亞晶界運(yùn)動(dòng)的阻力，使位錯(cuò)及亞晶界在再結(jié)晶時(shí)遷移困難，再結(jié)晶形核受到抑制；同時(shí)在晶界上的Al2O3顆粒也將在晶界處釘扎，阻礙晶粒長(zhǎng)大，從而使峰值應(yīng)力升高，提高了復(fù)合材料的抗軟化性能.當(dāng)變形量進(jìn)一步增大，晶

內(nèi)儲(chǔ)存能的水平不斷升高，達(dá)到峰值應(yīng)變后，出現(xiàn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，軟化速率大于加工硬化速率，使得流變應(yīng)力逐漸下降，材料呈現(xiàn)軟化狀態(tài).當(dāng)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶完成后，流變應(yīng)力不隨變形量的增大而顯著變化，達(dá)到了穩(wěn)態(tài)階段.

在相同應(yīng)變速率下，CuAl2O3復(fù)合材料的流變應(yīng)力隨著溫度的升高而顯著下降，如圖3所示.金屬的高溫變形是一個(gè)熱激活過(guò)程，溫度升高會(huì)使熱激活過(guò)程不斷增強(qiáng)，這時(shí)位錯(cuò)也具有足夠的能量用來(lái)克服金屬變形對(duì)它的釘扎現(xiàn)象，活動(dòng)能力增強(qiáng).空位、間隙原子等點(diǎn)缺陷也異?；钴S，從而出現(xiàn)動(dòng)態(tài)軟化降低流變應(yīng)力.而在相同變形溫度下，流變應(yīng)力隨著變形速率的增大而明顯增大，說(shuō)明該復(fù)合材料在試驗(yàn)條件下具有正的應(yīng)變速率敏感性[6-9，13-15].即溫度越低，應(yīng)變速率越小，材料變形抗力也越大，復(fù)合材料達(dá)到穩(wěn)態(tài)變形就更加困難.

2.3熱壓縮流變應(yīng)力方程

Zenerhollomon參數(shù)（簡(jiǎn)稱Z參數(shù)）綜合了材料的熱加工變形條件，可表示熱變形過(guò)程中的變形應(yīng)力，變形溫度和應(yīng)變速率之間的關(guān)系[7，9].表達(dá)式如下：

Z=ε·exp（Q/RT）（4）

式中：Z為溫度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變速率因子；σ為高溫流變應(yīng)力；ε·為應(yīng)變速率；T為熱力學(xué)溫度；R為氣體常數(shù)；Q為熱變形激活能.

在大量的研究結(jié)果基礎(chǔ)上，提出了包含應(yīng)力、應(yīng)變速率和變形溫度參數(shù)的雙曲線正弦方程來(lái)描述熱變形行為[8-10].表達(dá)式為：

ε·=A[sinh（ασ）]nexp（-Q/RT）（5）

綜合式（4）和式（5）得：

Z=ε·exp（Q/RT）=A[sinh（ασ）]n（6）

式中：A為結(jié)構(gòu)因子；α為應(yīng)力水平參數(shù)；n為應(yīng)力指數(shù).

假定Q與溫度無(wú)關(guān)，對(duì)式（6）兩邊取對(duì)數(shù)，并求導(dǎo)可得：

Q=Rln[sinh（ασ）]（1/T）ε·lnε·ln[sinh（ασ）]T（7）

式中：Rln[sinh（ασ）]（1/T）為ln[sinh（ασ）]-1/T關(guān)系曲線的斜率；ε·lnε·ln[sinh（ασ）]T為ln[sinh（ασ）]-lnε·關(guān)系曲線的斜率[8-12].

取相應(yīng)的Q與T，求得對(duì)應(yīng)的Z值，再與峰值應(yīng)力一并代入式（7）中，經(jīng)線性回歸計(jì)算繪出ln[sinh（ασ）]-lnZ關(guān)系曲線，如圖5所示.圖中截距和斜率分別為lnA和n，可得n=5.219 57，A=2.752 6×108，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.988.結(jié)果表明：ln[sinh（ασ）]-lnZ關(guān)系曲線能很好地滿足線性函數(shù)關(guān)系，即復(fù)合材料高溫壓縮時(shí)的應(yīng)力規(guī)律服從含Z參數(shù)的雙曲線正弦函數(shù)形式[6，13-15].將所得參數(shù)代入式（5）能夠得到試驗(yàn)熱壓縮流變應(yīng)力方程為：

3結(jié)論

（1） Cu基復(fù)合材料CuAl2O3在加工溫度為650～950 ℃、應(yīng)變速率為0.01～5 s-1的試驗(yàn)條件下，存在穩(wěn)態(tài)流變的特征，呈顯著的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶應(yīng)力應(yīng)變曲線.變形溫度和應(yīng)變速率對(duì)材料的流變應(yīng)力和相應(yīng)的峰值應(yīng)力值變化有較大的影響.

（2） 采用雙曲線正弦模型描述了材料高溫壓縮變形時(shí)的流變應(yīng)力現(xiàn)象，獲得平均熱激活能：Q=220.7 kJ/mol.并建立了描述流變應(yīng)力、變形溫度和應(yīng)變速率關(guān)系的方程式：ε·=2.752 6×108[sinh（0.013 072 516σ）]5.219 57exp-220.712 70×103RT.

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