7AXX鋁合金在熱壓縮狀態(tài)下的流變行為

李 昂

(核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180)

7AXX高強鋁合金具有優(yōu)異的性能，如高比強度、良好的斷裂韌性和耐特殊介質(zhì)腐蝕性，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、核工業(yè)等領(lǐng)域[1-2]。由于其合金化元素總含量明顯提高，該種合金的熱變形加工難度較傳統(tǒng)7系鋁合金更高，特別是在加工特殊形狀的零部件過程中易出現(xiàn)熱開裂現(xiàn)象[3]。合金的微觀結(jié)構(gòu)決定了材料的機械性能，合適的熱加工工藝參數(shù)有助于優(yōu)化材料的微觀結(jié)構(gòu)和整體性能。為有效避免材料在熱加工過程中開裂,提高材料的綜合力學(xué)性能，研究7AXX鋁合金在熱變形過程中的流變行為具有重要意義。

Cerri等[4]對7075鋁合金進行了溫度250～450 ℃、應(yīng)變速率0.05～5.0 s-1的熱扭轉(zhuǎn)實驗，確定了其峰值應(yīng)力與應(yīng)變速率符合雙曲正弦關(guān)系。王煜等[5]采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法推導(dǎo)出擠壓態(tài)7075鋁合金的流變應(yīng)力本構(gòu)關(guān)系模型。Guo等[6]采用熱加工圖的方法確定了7050鋁合金的最佳熱加工參數(shù)范圍。然而，關(guān)于7AXX鋁合金熱加工的流變行為研究卻少有報道。

本實驗采用恒應(yīng)變速率等溫壓縮實驗研究7AXX鋁合金的流變行為，通過線性回歸方法擬合7AXX的流變應(yīng)力表達式及熱變形本構(gòu)方程。根據(jù)動態(tài)材料模型(DMM)理論，繪制7AXX鋁合金在不同應(yīng)變下的功率損耗圖及塑性失穩(wěn)圖，為最終確定該合金的熱加工工藝提供理論依據(jù)及數(shù)據(jù)支持。

1 實驗材料及方法

實驗所用原材料為北京航空材料研究院真空熔煉的7AXX鋁合金φ70 mm半連續(xù)鑄錠。均勻化處理后，將錠料加工成φ10 mm×15 mm的圓柱，在Gleeble-3500熱模擬試驗機上進行等溫恒定應(yīng)變速率壓縮實驗。變形溫度設(shè)定為360、380、400、420、440、460 ℃，應(yīng)變速率為0.001、0.01、0.1、1 s-1，壓縮變形量為70%(真應(yīng)變0.916)。為減小摩擦效應(yīng)對樣品應(yīng)力狀態(tài)的影響，將潤滑劑涂覆在圓柱形樣品的兩端并墊上石墨片。用電阻對樣品進行加熱，加熱至變形溫度后保溫1.5 min。在壓縮實驗中，每間隔0.05的真應(yīng)變輸出相應(yīng)應(yīng)變下的流動應(yīng)力數(shù)值。

2 實驗結(jié)果

在不同應(yīng)變速率和變形溫度下，7AXX鋁合金在熱壓縮狀態(tài)的真應(yīng)力σ-真應(yīng)變ε數(shù)據(jù)如圖1所示。從圖1可看出，流變應(yīng)力在變形開始時迅速增長，在真應(yīng)變達到一定臨界值后，大多數(shù)實驗條件下的流變應(yīng)力隨真應(yīng)變的增加無顯著變化，表現(xiàn)出明顯的穩(wěn)態(tài)流變特性。當應(yīng)變速率為1 s-1時，流變應(yīng)力數(shù)據(jù)呈增加的趨勢。隨著變形溫度的降低、應(yīng)變速率的提高，7AXX鋁合金的峰值應(yīng)力及穩(wěn)態(tài)應(yīng)力亦明顯增加。應(yīng)變速率越高，流變應(yīng)力的增加越明顯，這表明7AXX鋁合金屬于正應(yīng)變速率敏感材料。

3 分析與討論

3.1 熱變形條件對7AXX鋁合金流變應(yīng)力的影響

1) 變形溫度對合金流變應(yīng)力的影響

圖2示出了當應(yīng)變速率為0.1、0.01 s-1時7AXX鋁合金在不同變形溫度下真應(yīng)變0.5處的流變應(yīng)力。從圖中數(shù)據(jù)可知，在應(yīng)變速率0.1、0.01 s-1的條件下，460 ℃的流變應(yīng)力較360 ℃的流變應(yīng)力分別降低了39.7%、35.5%。合金的流變應(yīng)力隨變形溫度的升高而降低，這主要是因為溫度的升高導(dǎo)致鋁合金內(nèi)部的位錯阻力減小，位錯運動能力增強，產(chǎn)生多個滑移系。另外，隨著溫度的升高，晶界的弱化效果變得越來越顯著，晶界更易于滑動，合金的變形抗力進一步降低。

應(yīng)變速率，s-1：a——1；b——0.1；c——0.01；d——0.001圖1 7AXX鋁合金的熱壓縮變形真應(yīng)力-真應(yīng)變數(shù)據(jù)Fig.1 True stress-true strain data of 7AXX aluminum alloy during hot compression

圖2 7AXX鋁合金在不同溫度下的流變應(yīng)力Fig.2 Variation of flow stress with deformation temperature in isothermal compression of 7AXX aluminum alloy

2) 應(yīng)變速率對合金流變應(yīng)力的影響

圖3示出了在變形溫度400～440 ℃范圍內(nèi)，7AXX鋁合金在不同應(yīng)變速率下真應(yīng)變0.5處的流變應(yīng)力。從圖3數(shù)據(jù)可知，在變形溫度400、420、440 ℃的條件下，1 s-1的流變應(yīng)力較0.001 s-1的流變應(yīng)力分別提高了276%、360%、440%。合金的流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增加而增加，這主要是因為動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶均為擴散過程，應(yīng)變速率的增加減少了位錯的運動時間以及動態(tài)再結(jié)晶的形核長大，這就阻礙了材料的動態(tài)軟化機制。

圖3 7AXX鋁合金在不同應(yīng)變速率下的流變應(yīng)力Fig.3 Variation of flow stress with strain rate in isothermal compression of 7AXX aluminum alloy

3.2 7AXX鋁合金的熱變形本構(gòu)方程

對不同材料的研究結(jié)果表明[7-10]，金屬或合金的高溫塑性變形是一位錯克服阻力運動的熱激活過程，與高溫蠕變過程類似。高溫塑性變形的宏觀參數(shù)，如溫度、流變應(yīng)力及應(yīng)變速率均遵循阿侖尼烏斯關(guān)系，可用雙曲正弦形式修正的方程表示：

(1)

根據(jù)不同的應(yīng)力水平，流變應(yīng)力、變形溫度及應(yīng)變速率之間的函數(shù)方程經(jīng)簡化有以下兩種形式：

(2)

(3)

Zener-Hollomon參數(shù)[11]可描述高溫塑性變形過程中材料的應(yīng)變速率與溫度之間的關(guān)系：

(4)

式中，Z為溫度補償應(yīng)變速率因子，是材料在變形過程中的重要力學(xué)性能參數(shù)。

圖4 7AXX鋁合金的流變應(yīng)力本構(gòu)方程m擬合圖Fig.4 ln σ-ln in isothermal compression of 7AXX aluminum alloy

圖5 7AXX鋁合金流變應(yīng)力本構(gòu)方程β擬合圖Fig.5 σ-ln in isothermal compression of 7AXX aluminum alloy

為滿足式(2)、(3)的應(yīng)力條件，選取圖4中440、460 ℃溫度下的擬合線斜率，計算確定低應(yīng)力水平下m=3.998 5。選取圖5中360、380 ℃溫度下的擬合直線斜率，確定在高應(yīng)力水平下β=0.093 6。代入m、β，α的計算值為0.023 4。

取式(1)兩邊的自然對數(shù)，并將應(yīng)力指數(shù)n視為常數(shù)，熱變形激活能Q的表達式如下：

(5)

圖6 7AXX鋁合金流變應(yīng)力本構(gòu)方程n擬合圖Fig.6 ln(sinh ασ)-ln in isothermal compression of 7AXX aluminum alloy

圖7 7AXX鋁合金變形溫度與ln(sinh ασ)之間的關(guān)系Fig.7 1 000/T-ln(sinh ασ) in isothermal compression of 7AXX aluminum alloy

將式(1)代入式(4)，Zener-Hollomon參數(shù)與流變應(yīng)力之間的關(guān)系為：

(6)

圖8 7AXX鋁合金sinh ασ與Z之間的雙對數(shù)關(guān)系Fig.8 ln Z-ln(sinh ασ) in isothermal compression of 7AXX aluminum alloy

總結(jié)以上的計算結(jié)果，7AXX鋁合金的熱變形本構(gòu)方程和包含Zener-Hollomon參數(shù)的流變應(yīng)力表達式分別如下：

(sinh 0.023 4σ)3.21exp(-137 310/RT)

(7)

σ=42.74×ln{(Z/2.39×108)0.31+

[(Z/2.39×108)2+1]0.16}

(8)

3.3 7AXX鋁合金的熱加工圖

在一定的變形溫度和應(yīng)變速率下，熱加工圖能成功反映在材料變形的過程中內(nèi)部組織的變化機理[14]。熱加工圖可用于分析和預(yù)測材料在不同變形條件下的變形特征和變形機理，達到優(yōu)化熱加工工藝和避免缺陷的目的。

基于DMM，Prasad[15]建立了材料的功率耗散圖和塑性失穩(wěn)圖。功率耗散值η屬于無量綱參數(shù)，取決于應(yīng)變、應(yīng)變速率和溫度，其物理意義是材料的微觀組織演變所消耗的能量與線性耗散能的比值。η的表達式為：

η=J/Jmax=2m1/(2m1+1)

(9)

目前在使用DMM理論繪制加工圖時，大多選擇Prasad構(gòu)建的失穩(wěn)判據(jù)?；诖髴?yīng)變塑性變形原理和不可逆熱力學(xué)極值，Prasad提出了最大熵產(chǎn)生率原理。在一定溫度和應(yīng)變下的Prasad流變失穩(wěn)判據(jù)[15]為：

(10)

在本研究中，分別提取7AXX鋁合金在不同應(yīng)變速率和變形溫度下真應(yīng)變0.6、0.9對應(yīng)的流變應(yīng)力，基于DMM，建立了不同真應(yīng)變下的功率耗散圖及塑性失穩(wěn)圖，如圖9所示。加工圖上的陰影區(qū)域表示理論上的流變失穩(wěn)區(qū)，而失穩(wěn)區(qū)以外的區(qū)域稱為加工安全區(qū)。材料的加工性能越好，對應(yīng)于安全區(qū)的功率耗散值就越大。從圖9可看出，加工圖上的功率耗散等值線和失穩(wěn)區(qū)的分布明顯受到應(yīng)變的影響。當應(yīng)變從0.6提高至0.9時，加工圖上的功率耗散值有所提高，變形溫度385～410 ℃、應(yīng)變速率0.1～1 s-1范圍內(nèi)的失穩(wěn)區(qū)消失，對應(yīng)于變形溫度360～385 ℃、應(yīng)變速率0.05～0.002 s-1的失穩(wěn)區(qū)有所擴展。這表明應(yīng)變的加大有利于提高7AXX鋁合金在中高溫區(qū)域(溫度不小于385 ℃)的加工效率及安全性。從圖中還可看出，7AXX鋁合金存在兩個明顯的低功耗區(qū)域：變形 溫度390～410 ℃、應(yīng)變速率0.001～0.005 s-1區(qū)域和變形溫度360～385 ℃、應(yīng)變速率0.01～0.37 s-1區(qū)域，以上兩區(qū)域的功率耗散值均不超過0.25。一般來說，在安全加工區(qū)域內(nèi)，功率耗散值越低，材料越不易加工，因此在選擇7AXX鋁合金的熱加工參數(shù)范圍時應(yīng)避開以上兩個區(qū)域。

a——ε=0.6；b——ε=0.9圖9 7AXX鋁合金的熱加工功率耗散圖及失穩(wěn)圖Fig.9 Processing maps in isothermal compression of 7AXX aluminum alloy

a——350 ℃；b——420 ℃；c——450 ℃；d——465 ℃圖10 不同鍛造溫度下鍛件的金相組織[3]Fig.10 Optical microstructure of 7AXX aluminum alloy at different forging temperatures[3]

圖10為7AXX鋁合金鍛件在不同鍛造溫度下的金相組織[3]。觀察區(qū)域的真應(yīng)變接近0.9，應(yīng)變速率為0.1 s-1。從圖10可發(fā)現(xiàn)在鍛造溫度分別為350、420 ℃時，7AXX鋁合金鍛件毛坯內(nèi)部未發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象。當鍛造溫度提高至450 ℃時，鍛件內(nèi)部部分區(qū)域存在再結(jié)晶現(xiàn)象，而當加熱溫度設(shè)定為465 ℃時，毛坯內(nèi)部金相組織再結(jié)晶較重，表現(xiàn)出淺過燒跡象?？紤]到材料的變形組織及鍛造工藝的效率問題，7AXX鋁合金在熱變形過程中較為穩(wěn)妥的工藝參數(shù)范圍是變形溫度385～450 ℃、應(yīng)變速率0.01～0.1 s-1。

4 結(jié)論

1) 在熱壓縮狀態(tài)下，7AXX鋁合金高溫流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率的提高和變形溫度的降低而增加。流變應(yīng)力達峰值后，鋁合金表現(xiàn)出更明顯的穩(wěn)態(tài)流變特征。

3) 基于DMM，采用Prasad失穩(wěn)判據(jù)，建立了不同應(yīng)變條件下7AXX鋁合金的功率耗散圖及塑性失穩(wěn)圖。綜合考慮材料變形組織及鍛造工藝的實際效率，結(jié)合熱加工圖的計算結(jié)果，確定了適用于7AXX鋁合金的熱加工工藝參數(shù)范圍：變形溫度385～450 ℃、應(yīng)變速率0.01～0.1 s-1。