上引連鑄TU1熱變形行為研究

李鵬飛， 鄧持清， 林新博， 齊亮， 姚幼甫， 徐高磊

（1.江西理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.紹興力博集團(tuán)，浙江 紹興 312000)

上引連鑄-CONFORM連續(xù)擠壓工藝因其短流程、高效率被廣泛的使用，目前在銅及銅合金接觸線、優(yōu)質(zhì)銅扁線、異型材等產(chǎn)品已完成工業(yè)化生產(chǎn)[1].采用連續(xù)擠壓工藝對(duì)桿坯晶粒組織進(jìn)行擠壓處理，得到晶粒更為細(xì)小、均勻的細(xì)晶組織，實(shí)現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化，從而大幅提高了材料的力學(xué)性能和使用安全性[2].目前，王軍等[3]研究了純銅在連續(xù)擠壓過程中的組織演變及性能特征，闡明了純銅在6個(gè)變形區(qū)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程;隋賢等[4]對(duì)銅合金進(jìn)行了深入探討，解釋了連續(xù)擠壓中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶對(duì)銅合金細(xì)晶強(qiáng)化的過程，但針對(duì)連續(xù)擠壓過程中力與微觀組織演變相對(duì)不足.文中以上引TU1為研究對(duì)象，通過單道次熱壓縮實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建其本構(gòu)方程，并分析了工藝參數(shù)如變形溫度和應(yīng)變速率分別對(duì)峰值應(yīng)力和內(nèi)部組織的影響規(guī)律，為連續(xù)擠壓銅及銅合金的生產(chǎn)提供參考依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料成分如表1所列，試樣為φ24 mm上引連鑄桿經(jīng)機(jī)加工制成φ10 mm×15 mm圓柱樣.在MMS-100熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單道次壓縮實(shí)驗(yàn)，應(yīng)變速率為 0.01 s-1，0.1 s-1，1 s-1，10 s-1，變形溫度為 750 ℃，800℃,850℃,900℃，950℃，變形量為9 mm.一組20個(gè)試樣分別在不同應(yīng)變速率或不同變形溫度下進(jìn)行單道次壓縮實(shí)驗(yàn)，對(duì)3組試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以保證結(jié)果的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性.

表1 無氧銅TU1的化學(xué)成分/（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 The composition of TU1/（massfraction，%）

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

圖1所示為TU1單道次熱壓縮變形的真應(yīng)力應(yīng)變曲線.由圖1可知，在相同應(yīng)變速率下變形溫度升高時(shí)，材料的峰值應(yīng)力和流變應(yīng)力都降低，這是由于溫度的升高使原子擴(kuò)散激活能增大，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)加劇，造成材料軟化.在高應(yīng)變速率1 s-1下，由于壓縮變形造成的加工硬化與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶造成的軟化效果達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，所有變形溫度對(duì)應(yīng)曲線保持水平狀穩(wěn)定階段；而在低應(yīng)變速率0.01 s-1，變形溫度950℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)階段的曲線呈波浪形變化，這是由于低的應(yīng)變速率下，變形緩慢，位錯(cuò)密度比高應(yīng)變速率時(shí)增加少，造成形變儲(chǔ)能較少與再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力較小，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶與加工硬化的交替進(jìn)行使得曲線呈波浪式[5].

圖2所示為ε·=0.1 s-1時(shí)擬合后的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，圖3所示為應(yīng)變硬化率-變形應(yīng)力曲線，由圖2可知應(yīng)變硬化率作為應(yīng)變硬化模量會(huì)隨著熱變形過程的進(jìn)行而逐漸減小，當(dāng)材料開始有動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程的發(fā)生時(shí)應(yīng)變硬化率達(dá)到最小值，其在曲線上表現(xiàn)為的拐點(diǎn)即為臨界應(yīng)力，當(dāng)θ=0時(shí)，其對(duì)應(yīng)的值為峰值應(yīng)力[6].

圖4所示為變形溫度與應(yīng)變速率對(duì)峰值應(yīng)力的影響.由圖4可知在應(yīng)變速率一定時(shí),TU1的峰值應(yīng)力隨溫度升高而降低;當(dāng)變形溫度一定時(shí),峰值應(yīng)力隨應(yīng)變速率增大而升高.這是因?yàn)殡S著應(yīng)變速率的增大,變形過程中單位時(shí)間內(nèi)增殖的位錯(cuò)密度增多,使得位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)受阻.同時(shí)位錯(cuò)反應(yīng)和攀移滑移等引起的軟化現(xiàn)象相對(duì)較少,材料的變形臨界切應(yīng)力也會(huì)增大,導(dǎo)致峰值應(yīng)力上升.此外由于變形時(shí)間縮短使得單位時(shí)間內(nèi)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的比例減少,樣品的軟化減緩,同樣造成材料的峰值應(yīng)力增大[7].

圖1 TU1不同變形溫度下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.1 The true stress-true strain curves of TU1 in different temperatures

圖2 擬合后的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.2 True stress-true strain curve of after fitting

圖3 應(yīng)變硬化率-變形應(yīng)力曲線Fig.3 Strain hardening rate-stress curve

圖4 變形溫度與應(yīng)變速率對(duì)流變應(yīng)力峰值的影響Fig.4 Effects of deformation temperature and strain rate on peak stress

2.2 組織分析

圖5 TU1在900℃下不同應(yīng)變速率的顯微組織Fig.5 Microstructuresat900℃anddifferentstrainrates

為進(jìn)一步研究熱變形過程中力的變化原因，對(duì)變形后材料的微觀組織進(jìn)行分析.圖5所示為變形溫度為 900 ℃， 變形速率為 0.01 s-1、0.1 s-1、1 s-1、10 s-1時(shí)試樣的顯微組織.由圖5中可知，TU1在變形溫度為750℃，應(yīng)變速率為0.01 s-1時(shí)就已經(jīng)發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程，同時(shí)隨著溫度升高晶粒會(huì)更加粗大，這是由于當(dāng)溫度高于材料的再結(jié)晶溫度時(shí)，溫度再升高會(huì)導(dǎo)致材料的過熱度與晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力增大，同時(shí)較慢的變形速度使得新的晶粒有充足的時(shí)間進(jìn)行長(zhǎng)大，使得晶粒更加粗大，同時(shí)導(dǎo)致峰值應(yīng)力下降，與前文所述結(jié)論一致[8].

圖6所示為應(yīng)變速率為ε·=0.01 s-1，變形溫度為750℃、800℃、850℃、900℃、950℃時(shí)試樣的顯微組織.由圖6可知，應(yīng)變速率越大，晶粒表現(xiàn)為更加細(xì)小，這是由于變形速率增大時(shí)變形時(shí)間變短，使得晶粒沒有足夠的時(shí)間長(zhǎng)大.同時(shí)，晶粒越細(xì)小材料的強(qiáng)度和硬度就會(huì)越大，在真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為流變應(yīng)力越大，符合前述結(jié)果[9].

2.3 構(gòu)建本構(gòu)方程

材料的熱變形高溫變形的本構(gòu)關(guān)系可以通過2種典型的方程進(jìn)行描述，一種是指數(shù)方程,可以用于描述低應(yīng)力水平:

另一種適用于高應(yīng)力水平:

Tegart和Sellars等[10-11]根據(jù)固體力學(xué)曾提出了一種結(jié)合變形激活能Q和變形溫度的雙曲正弦函數(shù)的流變應(yīng)力與應(yīng)變模型，其應(yīng)變速率如式（3）所示:

引入Zener-Hollomon公式后[12]:

因此,上述流變應(yīng)力可以用式（5）表示為σ的函數(shù)[13].

式（1）、式（2）、式（3）、式（4）、式（5）中,A1,A2,A3,A,n,m均是材料的常數(shù),Q是合金熱壓縮變形的激活能,R是氣體常數(shù)和T分別是應(yīng)變速率、流變應(yīng)力和變形溫度.

對(duì)式（1）和式（2）的等式進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖冃慰傻?

式（6） 、式（7）中:n和 β 分別為和的斜率.圖7所示為TU1不同溫度下的流變應(yīng)力峰值與應(yīng)變速率的關(guān)系圖.

圖6在下不同溫度的顯微組織Fig.6Microstructures at and different temperatures

因此,根據(jù)式（6）和式（7）可知,TU1 的應(yīng)變速率與流變應(yīng)力大小和變形溫度高低等的關(guān)系如式（8）所示:

溫度T一定時(shí)，對(duì)式（8）兩邊取偏導(dǎo)并整理得:

通過計(jì)算可得到再結(jié)晶激活能:

由式（1）、式（4）得:

對(duì)式（8）、式（12）取對(duì)數(shù)得:

圖7和lnσ的關(guān)系及和σ的關(guān)系Fig.7Relationship between and lnσ,and σ

圖8和ln[sinh（ασ）]的關(guān)系及l(fā)n[sinh（ασ）]和的關(guān)系Fig.8Relationship betweenand ln[sinh（ασ）],ln[sinh（ασ）]and

利用式（13）求出 lnZ， 圖 9所示為 lnZ與 ln[sinh（ασ）]的線性關(guān)系圖.由圖9可得擬合后的直線與y軸的截距即為 lnA3，且 lnA3=24.92,則A3=6.6672×1010；擬合的相關(guān)系數(shù)為0.992 0，擬合后直線斜率為4.088 9.

圖 9 lnZ 與 ln[sinh（ασ）]的關(guān)系Fig.9 Relationship between lnZ and ln[sinh（ασ）]

該方程可表示為:

綜合國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果[15-19]可知，當(dāng)金屬材料的流變應(yīng)力取決于變形溫度和應(yīng)變速率，同時(shí)峰值應(yīng)力與穩(wěn)態(tài)應(yīng)力與此類似時(shí)，可以采用雙曲正弦函數(shù)來描述材料的本構(gòu)關(guān)系[20]，故整理上述式子可得TU1的高溫?zé)嶙冃螁蔚来螇嚎s行為的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系滿足[21]:

3 結(jié) 論

1）在10 s-1高應(yīng)變速率條件下，TU1在750℃變形時(shí)峰值應(yīng)力高達(dá)80 MPa，當(dāng)溫度升高到950℃時(shí)峰值應(yīng)力降至38 MPa；而在應(yīng)變速率為0.01 s-1、750℃變形時(shí)峰值應(yīng)力僅為30 MPa.

2）TU1在0.01 s-1應(yīng)變速率下，750℃時(shí)就已經(jīng)有動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程發(fā)生，且在相同應(yīng)變速率時(shí)晶粒尺寸隨著溫度的升高而增大；在相同變形溫度時(shí)晶粒尺寸隨著應(yīng)變速率的增加而減小.