CuNi10Fe1.6Mn銅鎳合金熱壓縮流變應(yīng)力行為研究

馬艷霞，苑 偉，梁 晨，周鐵柱

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七二五研究所，河南 洛陽(yáng) 471000）

銅鎳合金由于具有良好的塑性成型性能、焊接性能、超強(qiáng)的抗腐蝕能力和抗污殺菌能力以及光亮的顏色，在石油化工、海洋艦船制造和工藝品制造等領(lǐng)域得到大量使用[1，2]。近年來(lái)，隨著海洋工業(yè)的大力發(fā)展，對(duì)銅鎳合金管和管件產(chǎn)品需求量迅速增加，因此提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量是具有重大意義的。

銅鎳二元合金不論成分比例多少，組織結(jié)構(gòu)始終為單一α相，但由于鎳在銅中的擴(kuò)散速度很慢，所以銅鎳合金的樣品容易出現(xiàn)成分不均勻的現(xiàn)象，組織有明顯的樹(shù)枝狀枝晶結(jié)構(gòu)的存在[3]，因此銅鎳合金熱變形的組織與性能主要取決于熱變形工藝參數(shù)。目前，銅鎳合金管主要采用熱擠壓的方法進(jìn)行成形，生產(chǎn)過(guò)程中的加工參數(shù)一般根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，不能有效地利用模具以及控制產(chǎn)品生產(chǎn)效率和質(zhì)量。因此，本文采用熱壓縮實(shí)驗(yàn)方法，研究銅鎳合金的熱變形流變應(yīng)力行為，為制定合理的熱加工工藝提供理論依據(jù)[4]。由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，銅鎳合金的化學(xué)成分基本不變，也不會(huì)發(fā)生相變，本文將著重研究變形溫度和應(yīng)變速率對(duì)銅鎳合金流變應(yīng)力行為的影響。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

CuNi10Fe1.6Mn合金是在銅鎳合金的基礎(chǔ)上加入鐵和錳等合金元素，能夠細(xì)化晶粒、提升強(qiáng)度和耐腐蝕性[5]。其主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 CuNi10Fe1.6Mn合金的化學(xué)成分

本實(shí)驗(yàn)所用合金鑄錠經(jīng)均勻化處理后，截取?10x15mm的圓柱形式樣，其中心軸線與鑄錠的中心軸線平行。熱壓縮實(shí)驗(yàn)在Gleeble-1500熱模擬機(jī)上進(jìn)行，變形溫度為800～1000℃，應(yīng)變速率為0.01s-1、0.1s-1、1s-1、10s-1，總變形量為 60%。實(shí)驗(yàn)式樣以 10℃/s的速度升至目標(biāo)溫度并保溫5min，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)時(shí)需在試樣兩端與壓頭接觸處增加了一層薄石墨片來(lái)減少壓縮過(guò)程中試樣兩端面與熱模擬試驗(yàn)機(jī)壓頭間的摩擦。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

圖1是CuNi10Fe1.6Mn合金在低溫800℃和高溫1000℃下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，在同一變形溫度下，隨著應(yīng)變速率的增加，流變應(yīng)力逐漸增加；在同一應(yīng)變速率下，流變應(yīng)力隨著溫度的上升而逐漸下降。合金的流變應(yīng)力在變形初期快速上升至峰值應(yīng)力，這一階段以位錯(cuò)的產(chǎn)生增殖及相互之間的交互阻礙纏結(jié)為主，流變應(yīng)力增大，發(fā)生加工硬化現(xiàn)象。當(dāng)真應(yīng)變達(dá)到一定數(shù)值時(shí)出現(xiàn)峰值應(yīng)力，真應(yīng)力不再隨著真應(yīng)變的增加而繼續(xù)增加，呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流變的特征。這一階段隨著位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和重排，動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的軟化機(jī)制逐漸與加工硬化達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡[6]。

圖1 不同溫度下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

2.2 熱變形流變應(yīng)力本構(gòu)方程

金屬的高溫變形是一個(gè)熱激活過(guò)程，形變激活能Q反映原子重排的能力。熱變形時(shí)流變應(yīng)力受到變形溫度T和應(yīng)變速率的影響，可用Arrhenius方程對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法建立本構(gòu)方程[7，8]，即：

式（1）可以根據(jù)較低應(yīng)力水平和較高應(yīng)力水平簡(jiǎn)化式（2）和式（3）：

式中：R——?dú)怏w常數(shù)，取值8.314J/（mol·K）；

Q——高溫形變激活能，J/mol。它反映了材料熱變形的難易程度，也是材料在熱變形過(guò)程中的重要力學(xué)性能參數(shù)；

n——應(yīng)力指數(shù)，n=β/α；A、A1、A2、n1、β——與材料有關(guān)的常數(shù)。

根據(jù)本構(gòu)方程模型，求解與BFe10-1.6-1合金相關(guān)的參數(shù) n、β、α。對(duì)式（2）和式（3）兩邊取對(duì)數(shù)并整理得

根據(jù)前述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲取CuNi10Fe1.6Mn合金在不同變形條件下的峰值應(yīng)力來(lái)計(jì)算材料變形本構(gòu)方程，如表2所示。

表2 CuNi10Fe1.6Mn合金在不同變形條件下的峰值應(yīng)力

圖2 不同條件下，CuNi10Fe1.6Mn 合金 σ～ln、lnσ～ln的變化關(guān)系圖

根據(jù)式（4），取圖2a中高應(yīng)力狀態(tài)下，800～900℃下的三條擬合直線斜率的平均值可得β值：β=0.0789；根據(jù)式（5），取圖2b中低應(yīng)力狀態(tài)下，900～1000℃下的三條擬合直線斜率的平均值可得n1值：n1=8.831；所以 α=β/n1=0.0089。

假定形變激活能Q與溫度無(wú)關(guān)，對(duì)式（1）兩邊取對(duì)數(shù)并取對(duì)數(shù)，可得到

并對(duì)式（6）求偏微分可得變形激活能

圖3 ln～ln[sinh（ασ）]與 ln[sinh（ασ）]～1000/T 的關(guān)系曲線

則形變激活能Q

變形溫度和變形速率對(duì)材料熱變形的影響可以用溫度補(bǔ)償變形速率因子Zener-Hollomom參數(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng) Z）來(lái)描述[9，10]：

對(duì)式（8）取對(duì)數(shù)得到：

繪制sinh（ασ）及其對(duì)應(yīng)的lnZ的值的關(guān)系圖并進(jìn)行線性擬合，如圖4所示。根據(jù)其截距可得lnA=28.48，則 A=2.337×1012。

圖4 lnZ～sinh（ασ）的關(guān)系圖

將求得的α、Q、n、A 的數(shù)值帶入式（1）即可得到CuNi10Fe1.6Mn合金的峰值流變應(yīng)力本構(gòu)方程：

3 結(jié)論

（1）CuNi10Fe1.6Mn合金的流變應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的增加和應(yīng)變溫度的下降而逐漸上升。合金的流變應(yīng)力在變形初期快速上升至峰值應(yīng)力后不再發(fā)生明顯變化，呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流變的特征。

（2）CuNi10Fe1.6Mn合金的熱變形激活能是306.082KJ/mol，其高溫變形的流變應(yīng)力本構(gòu)方程為：