鎳鋁青銅高溫熱壓縮流變行為研究

苑 偉，羅 皓，馬艷霞，周鐵柱，郁 炎

（中國船舶重工集團公司第七二五研究所，河南 洛陽 471023）

鎳鋁青銅是以鎳、鐵、錳為主要添加元素的一種復雜多相的銅合金，具有較高的強度、韌性以及優(yōu)異的耐腐蝕性能，廣泛應用于船舶螺旋槳、閥門、軸套等產(chǎn)品[1，2]。該類合金產(chǎn)品多為鑄件，存在著成分偏析、晶粒粗大、氣孔夾渣等缺點，對其性能及使用壽命有較大影響，限制了合金的應用[3]。因此，對變形態(tài)鎳鋁青銅展開研究是具有深遠意義和現(xiàn)實價值的。本文通過高溫熱壓縮實驗對鎳鋁青銅合金流變應力進行研究，分析其高溫變形時的流變應力行為并建立本構(gòu)方程，為制定合理的熱加工工藝和有限元模擬提供理論依據(jù)[4]。

1 實驗方案

實驗采用的是半連續(xù)鑄造方法制備的鎳鋁青銅合金鑄錠，其化學成分為我公司設計，主要元素包括Ni、Al、Fe、Mn 以及少量的 Cr。熱壓縮實驗在 Gleeble-3500熱模擬實驗機上進行[5]。熱壓縮實驗前，鑄錠經(jīng)均勻化處理。壓縮式樣尺寸為?10mm×15mm。實驗過程中，試樣兩端需涂抹潤滑劑并粘貼石墨片，以減少試樣與機器壓頭之間的摩擦，確保試樣在熱壓縮過程保持均勻變形。變形溫度分別是750℃、800℃、850℃、900℃、950℃，應變速率分別是0.01s-1、0.1s-1、1s-1、10s-1，變形量為 60%。將試樣以10℃/s的升溫速度升至試驗溫度后保溫5min，熱壓縮實驗完成后立即對試樣采用水淬處理以保留其高溫變形后的組織。

2 結(jié)果與討論

2.1 合金的熱變形的真應力-真應變曲線

圖1是鎳鋁青銅合金在熱壓縮變形時不同應變速率下的真應力-真應變曲線。從圖1可以看出，流變應力主要與變形溫度和應變速率以及變形程度有關，主要具有以下特征：①在初始應變期（ε＜0.03），流變應力呈線性快速增長并在ε＜0.2時會達到峰值，之后保持緩慢變化，表現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)流變特征；②在相同的變形溫度下，流變應力隨著應變速率增大；在相同變形速率條件下，流變應力隨著變形溫度的升高而降低。

在塑性變形初始階段，位錯迅速增殖，位錯密度越大材料變形抗力越大，這一階段主要以加工硬化為主。隨著應變的增加，位錯會產(chǎn)生滑移和攀移使材料軟化，加工硬化與軟化相互抵消，流變應力不再隨應變發(fā)生大幅變化逐漸達到動態(tài)平衡的狀態(tài)，這一階段以動態(tài)回復或再結(jié)晶為主。溫度越高，熱激活作用越強，原子間作用力下降，位錯運動的派納力減小，材料有足夠的能量進行滑移和攀移，同時臨界剪應力降低，可以開動的滑移系增加，從而使得變形抗力有所下降。在一定的溫度下，應變速率越快，材料塑性變形時無充分時間進行位錯的湮滅、抵消運動，變形抗力增加。

圖1 不同應變速率下鎳鋁青銅合金熱壓縮變形的真應力-真應變曲線

2.2 本構(gòu)模型的建立

材料在熱變形過程中均存在熱激活過程，這一狀態(tài)下的流變應力取決變形溫度T和應變速率，并存在一個加工硬化與動態(tài)軟化逐漸達到動態(tài)平衡的過程。為此，可采用Arrhenius方程來描述材料在熱變形過程中流變應力和變形溫度與應變速率之間的關系[6]：

通過簡化，低應力和高應力狀態(tài)下的流變應力和應變速率之間的關系可以分別用冪指數(shù)函數(shù)與指數(shù)函數(shù)進行描述[7]：

式中：σ 為流變應力；n1、n、β、A、A1和 A2為與材料有關的常數(shù)，α=β/n1；R 為摩爾氣體常數(shù)，8.314J/（mol·K）；T為熱力學溫度，K；Q為材料形變激活能，J/mol。

根據(jù)Zener和Hollomon的研究，材料在高溫塑性變形時應變速率與溫度T對材料變形的影響可以用Zener-Hollomon參數(shù)（Z參數(shù)）表示[8]：

對式（2）和式（3）兩邊分別取對數(shù)得到：

假設Q與溫度T無關，R、α、n和A均為常數(shù)，對公式（1）兩邊取對數(shù)，可得式（7），即

對公式（7）求偏微分即可得到Q的計算式，即

只需求得 A、n、α、Q 等值并帶入式（1）中，即可獲得合金的熱變形本構(gòu)方程。

本文中，流變應力采用峰值應力進行分析，如表1所示。

根據(jù)式（2）和式（3），繪制不同溫度條件下，鎳鋁青銅合金的“l(fā)n（）-σ”和“l(fā)n（）-σ”的關系曲線，并利用最小二乘法分別進行線性回歸，如圖2和圖3所示。β值可以由圖2中高應力狀態(tài)下的三條擬合直線斜率的平均值計算得到，可得β=0.0598；n1可由圖3中低應力狀態(tài)下的三條擬合直線斜率的平均值得到，n1=4.54。則，α=β/n1=0.0132。

表1 合金在750-950℃區(qū)間不同熱變形條件下的峰值應力（σp/MPa）

根據(jù)式（8）可求得形變激活能Q=209.108kg/mol。將Q值帶入式（4）可得對應的Z值，對式（4）取對數(shù)得：

圖2 ln-σ 之間的關系

圖3 ln-lnσ 關系圖

圖4 ln-ln[sinh(ασ)]之間的關系圖

圖5 ln[sinh(ασ)]-1/T 之間的關系圖

lnZ和ln[sinh（ασ）]的關系如圖6所示。lnA為擬合直線的結(jié)局。根據(jù)擬合數(shù)據(jù)可知，lnA=29.302，A=5.349×1012，線性擬合系數(shù)為0.9943。

圖6 實驗合金的lnZ-ln[sinh(ασ)]關系圖

將求得的材料參數(shù)帶入式（1）即可得到試驗范圍內(nèi)所有應力狀態(tài)的流變應力本構(gòu)方程：

將在實驗條件下獲得的鎳鋁青銅合金峰值應力與利用本構(gòu)方程的計算值進行對比，如圖7所示。根據(jù)誤差分析顯示，通過本次試驗所建立本構(gòu)方程得到的不同條件下峰值應力計算值與實測值的相比，僅在（T=850℃，=1s-1）處誤差超過 10%，說明表明本構(gòu)方程能較好地描述合金的高溫流變行為。

圖7 不同熱變形條件下實測峰值應力與計算峰值應力比較

3 結(jié)論

（1）鎳鋁青銅合金的流變應力受變形溫度和變形速率的影響。在變形溫度為750℃～950℃，應變速率為0.01～10s-1范圍內(nèi)，流變應力隨著應變溫度的升高而降低，隨著應變速率的增加而增大。

（2）鎳鋁青銅合金的熱變形行為受熱激活過程控制，其變形激活能Q=290.108KJ/mol。該合金的熱變形本構(gòu)方程為：