擠壓鑄造6082 鋁合金的高溫流變行為和變形激活能分析

易蒲淞，郭鵬，李文彬，晏洋，鄧?yán)?，王新?/p>

（1.華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074；2.湖北三環(huán)鍛造有限公司，湖北 襄陽 441700）

隨著輕量化需求的日益急迫，鋁合金在汽車上的應(yīng)用逐漸增多。鍛造是制造鋁合金關(guān)鍵承重件的主要方式。通常鍛件在鍛造成形后，微觀組織致密，晶粒細(xì)小均勻，但隨后進(jìn)行熱處理時，鍛件很容易出現(xiàn)表面晶粒異常長大的現(xiàn)象，導(dǎo)致使用性能下降[1—2]。此外，鍛造生產(chǎn)復(fù)雜的鋁合金零件時，如汽車轉(zhuǎn)向節(jié)控制臂，一般需要5～7 個成形道次，生產(chǎn)效率較低，同時需要制造較多套模具，生產(chǎn)成本較高[1,3—5]。

近年來，鑄造與鍛造相結(jié)合的成形技術(shù)引起了學(xué)者們廣泛的研究興趣，尤其用于復(fù)雜形狀零件的制造時，該工藝可以避免晶粒粗大并提高生產(chǎn)效率。擠壓鑄造是鑄鍛聯(lián)合成形中鑄造制坯的主要方法之一，通過對型腔內(nèi)的液態(tài)金屬施加一定的壓力，使金屬在壓力下充填型腔并凝固成形，從而獲得鑄件的一種工藝方法[6]。它可以有效減少鑄件的縮松縮孔，且由于有一定的壓力，鑄件的組織致密、晶粒細(xì)小，因此，采用擠壓鑄造制坯隨后進(jìn)行鍛造是一種先進(jìn)的、短流程和高性能的零件成形方法。

6082 鋁合金是一種Al-Mg-Si 系熱處理可強(qiáng)化變形合金[7]，具有良好的可成形性、可焊接性、可機(jī)加工性，同時具有較高的比強(qiáng)度[8—9]，廣泛應(yīng)用于汽車底盤懸掛系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向節(jié)、控制臂等具有多枝杈的長直軸或彎軸類零件。文中針對擠壓鑄造6082 鋁合金在不同壓縮溫度、應(yīng)變、應(yīng)變速率以及擠壓鑄造壓力時的流變行為進(jìn)行研究，建立相應(yīng)的本構(gòu)方程，為制定6082 鋁合金的鑄鍛聯(lián)合成形工藝提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

采用的原材料為商業(yè)6082 鋁合金擠壓棒材。采用直讀光譜儀對材料的成分及含量進(jìn)行了測定，如表1 所示，各元素含量均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。將6082 棒材進(jìn)行熔煉，經(jīng)過石墨棒多次攪拌除氣、扒渣器除渣、靜置后進(jìn)行擠壓鑄造實(shí)驗(yàn)，澆注溫度為750 ℃，模具溫度為250 ℃，這是因?yàn)樵谠搮?shù)下液體凝固時液體的壓力能有效傳遞[10]，再參考相關(guān)文獻(xiàn)[10—11]，將擠壓鑄造壓力設(shè)置為50 MPa 和100 MPa，保壓時間設(shè)置為90 s。隨后對不同條件下的擠壓鑄造鋁合金取樣，然后鑲樣、研磨、機(jī)械拋光和腐蝕，最后采用光學(xué)顯微鏡觀察微觀組織。

表1 6082 鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition and content of aluminum alloy 6082 (mass fraction) %

將不同擠壓鑄造條件鑄造后的鋁合金在Gleeble-3500 熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行高溫壓縮實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程如下：將樣品以2 ℃/s 的速率加熱到530 ℃，保溫3 min，然后以5 ℃/s 的速率降溫至變形溫度，保溫 3 min，在常規(guī)鋁合金鍛造所采用的變形溫度（350，400，450，500 ℃）和應(yīng)變速率（0.01，0.1，1，10 s-1）范圍下進(jìn)行變形量為50%的壓縮變形。

2 流變行為與本構(gòu)方程

2.1 擠壓鑄造壓力對6082 鋁合金微觀組織影響

圖1 顯示了擠壓鑄造6082 鋁合金在50 MPa 和100 MPa 壓力下、保壓時間為90 s 的光學(xué)顯微照片。隨著壓力的增大，可以觀察到枝晶的臂間距和晶粒尺寸明顯減小。一方面，這是由于在凝固過程中施加了壓力，導(dǎo)致新形成的枝晶在壓力下分解。施加的壓力越高，枝晶斷裂越多，而且這些斷裂的樹枝狀晶體在凝固過程中會重新生長，從而有更多的枝晶生成，枝晶的尺寸和枝晶間距都較小；另一方面，由于施加了壓力，導(dǎo)致鋁合金與模具之間的間隙被消除，熱阻降低，因此凝固速度提高，也使得枝晶間距減小。同時，當(dāng)壓力增加時，將會有更多的原子團(tuán)參與結(jié)晶和成核，因此，晶粒更加細(xì)小。

圖1 不同擠壓鑄造壓力下制備的6082 鋁合金顯微組織Fig.1 Microstructure of 6082 aluminum alloys fabricated by squeeze casting under different casting pressures

2.2 擠壓鑄造6082 鋁合金的流變行為

不同擠壓鑄造壓力下制備的6082 鋁合金在不同應(yīng)變速率下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖2?？梢杂^察到，流變應(yīng)力在初始階段急劇增加，隨著應(yīng)變增加，曲線逐漸平穩(wěn)，最后達(dá)到一個穩(wěn)定狀態(tài)。這是由于在最初階段，材料處于彈性變形過程，流變應(yīng)力首先隨應(yīng)變線性增大；隨著塑性變形的發(fā)生和應(yīng)變逐漸增加，材料內(nèi)部的位錯密度急劇增加，導(dǎo)致流動阻力加大，從而引發(fā)加工硬化現(xiàn)象，流變應(yīng)力劇烈上升；隨后，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到某一臨界值時，動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生，材料開始軟化，加工硬化現(xiàn)象受到一定的抑制；隨著應(yīng)變進(jìn)一步增大，材料軟化和加工硬化逐漸達(dá)到了一種動態(tài)平衡[12—14]，流變曲線也趨于平穩(wěn)。

由圖2 可知，變形溫度和應(yīng)變速率對曲線都有顯著的影響。在相同應(yīng)變速率下，流變應(yīng)力隨著變形溫度的升高而減小，主要原因是變形溫度升高，溶質(zhì)元素的溶解度加大，原子運(yùn)動更加劇烈，此外析出物減少，空位濃度減小，釘扎作用減弱，從而導(dǎo)致位錯運(yùn)動的阻力減小，有利于材料的軟化[15]。當(dāng)溫度不變時，流變應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的增加而增加，主要原因在于應(yīng)變速率的增加意味著位錯激活的時間減小，而在同一時間內(nèi)位錯的產(chǎn)生量需大幅增加，因此需要更大的外力來推進(jìn)變形過程。

圖2 擠壓鑄造6082 鋁合金在不同擠壓鑄造壓力和應(yīng)變速率下真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線Fig.2 True stress-strain curves of 6082 aluminum alloy fabricated by squeeze casting at different casting pressure and strain rate

除了變形溫度和應(yīng)變速率，擠壓鑄造條件也對流變應(yīng)力有較大的影響。表2 和表3 列舉了50 MPa 和100 MPa 兩種擠壓鑄造壓力下的6082 鋁合金在應(yīng)變?yōu)?.7 時，不同溫度和應(yīng)變速率下的應(yīng)力值。可以看到，當(dāng)溫度和應(yīng)變速率相同時，擠壓鑄造壓力為100 MPa 的鋁合金流變應(yīng)力比50 MPa 的要高，主要原因在于材料的初始晶粒尺寸較小。根據(jù)霍爾-佩奇公式，晶粒尺寸越細(xì)小，應(yīng)力值越大。同時當(dāng)應(yīng)變速率為0.01～1 s-1時，隨著溫度的升高，由不同擠壓鑄造壓力所造成的流變應(yīng)力之間的差值越來越小，甚至在500 ℃時應(yīng)力值幾乎相等。這說明高溫可以減小初始晶粒尺寸不同的6082 鋁合金帶來的應(yīng)力值差距。出現(xiàn)這種情況的可能原因可以歸結(jié)為兩個方面：①在高溫下位錯易運(yùn)動，無論晶粒尺寸大或者小，由變形所產(chǎn)生的位錯幾乎都能完全運(yùn)動；② 位錯運(yùn)動的阻礙因素如空位濃度、第二相粒子等在高溫下均減少或者溶解，當(dāng)應(yīng)變速率較低時，變形時間較長，產(chǎn)生的位錯都能被晶界吸收。這相當(dāng)于兩種6082 鋁合金在高溫下變形時所處的狀態(tài)是幾乎一致的，導(dǎo)致應(yīng)力值接近。當(dāng)應(yīng)變速率為10 s-1時，應(yīng)力差值仍較大，這可能的原因是應(yīng)變速率較高，變形時間短，導(dǎo)致位錯密度急劇增大，位錯來不及完全被晶界吸收，當(dāng)擠壓鑄造壓力為100 MPa 時，由于初始晶粒較小，晶界較多，導(dǎo)致流變應(yīng)力較大。

表2 擠壓鑄造壓力為100 MPa 的6082 鋁合金在各變形參數(shù)下的真實(shí)應(yīng)力Tab.2 True stress of the 6082 aluminum alloy fabricated by squeeze casting pressure of 100 MPa under various deformation conditions MPa

表3 擠壓鑄造壓力為50 MPa 的6082 鋁合金在各變形參數(shù)下的真實(shí)應(yīng)力Tab.3 True stress of the 6082 aluminum alloy fabricated by squeeze casting pressure of 50 MPa under various deformation conditions MPa

2.3 擠壓鑄造6082 鋁合金本構(gòu)方程的建立

采用含有Z參數(shù)的模型求解擠壓鑄造6082 鋁合金本構(gòu)方程，因?yàn)閆參數(shù)模型考慮了應(yīng)變、應(yīng)變速率、應(yīng)力以及溫度之間的關(guān)系，同時該模型適用于多種熱變形工藝?？紤]到熱變形是一種熱激活行為，Sellars和Tegart 提出用包含材料熱變形激活能Q和溫度T的Arrhenius 關(guān)系式來描述材料的熱激活行為[16—17]：

式中：α，β，n1均表示材料常數(shù)，α=β/n1；n是硬化指數(shù)。

聯(lián)立式（2）與式（3），可以得到高應(yīng)力和低應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)變速率與流變應(yīng)力關(guān)系：

式中：C1和C2是常數(shù)。采用一元線性回歸方法擬合ln-lnσ與ln-σ曲線，得到的結(jié)果如圖3 和圖4 所示，擬合曲線的平均斜率分別是n1和β的值，當(dāng)擠壓鑄造壓力為100 MPa 時分別為11.0141 和0.1820 MPa-1，當(dāng)擠壓鑄造壓力為 50 MPa 時分別10.4066 和0.1869 MPa-1。由α=β/n1可以得出α分別為0.016 523 MPa-1和0.0179 68 MPa-1。

激活能Q可由式（6）表示：

通過α值可求得不同條件下的值。同樣采用一元線性回歸方法得到和曲線，可求得擠壓鑄造壓力為100 MPa 和50 MPa 下的6082 鋁合金激活能分別為223.056 kJ/mol 和198.52 kJ/mol。

式（1）和式（2）聯(lián)立取對數(shù)得：

圖3 不同擠壓鑄造壓力下的ln-lnσ 關(guān)系Fig.3 ln-lnσ relationship of different squeeze casting pressures

圖4 不同擠壓鑄造壓力下的ln-σ 關(guān)系Fig.4 ln-σ relationship of different squeeze casting pressures

由式（1）可以求得不同條件下Z的具體值，根據(jù)式（7）擬合求得擠壓鑄造壓力100 MPa 下6082鋁合金的A和n值分別為8.1835×1015和7.78，50 MPa下分別為1.2551×1014和7.48。

將求得的數(shù)據(jù)帶入式（6），可得到擠壓鑄造壓力為100 MPa 和50 MPa 下6082 鋁合金的本構(gòu)方程。

2.4 變形激活能分析

變形激活能Q可以表征材料在進(jìn)行熱加工變形時的難易程度[19]，激活能值越高，變形越困難[20]。在Arrhenius 理論中，激活能代表在原子機(jī)制上所克服的能量勢壘的水平，因此，激活能可以提供速率控制機(jī)制中原子重排難易程度的信息[21]。由2.3 節(jié)可知，擠壓鑄造壓力為100 MPa 和50 MPa 下的激活能分別為223.056 kJ/mol 和198.52 kJ/mol。該值比任治華[22]所求的6082 鋁合金的激活能值176.76 kJ/mol 要高，可能原因是擠壓鑄造棒材與擠壓棒材的微觀組織存在較大的差異，其所研究擠壓棒材的初始晶粒較大，相應(yīng)的大角度晶界較少，對位錯運(yùn)動阻礙較?。黄浯?，擠壓棒材進(jìn)行過塑性變形，其初始組織存在較多的小角度晶界，在外力作用下，這些小角度界面更易于遷移促進(jìn)金屬流動，因此，擠壓棒材變形時的激活能較小。此外還可以觀察到，由較大擠壓鑄造壓力制備的6082 鋁合金的激活能比較低，壓力制備的更高一些。這是因?yàn)檩^大的擠壓鑄造壓力會導(dǎo)致鋁合金的晶粒尺寸細(xì)化，大角度晶界增多，變形時位錯運(yùn)動需要克服的阻礙會更大，所以激活能也較大。

上述激活能都是平均激活能，對式（6）進(jìn)行變形可得：

可以觀察到激活能與n2和系數(shù)S有較大的關(guān)系，其中n2是不同熱變形條件下對應(yīng)的硬化指數(shù)，上節(jié)所求本構(gòu)方程中的n是其平均值，n2和S可分別由前述壓縮數(shù)據(jù)擬合求得，其中，n2與溫度有關(guān)，S與應(yīng)變速率有關(guān)，這說明激活能是S和n2耦合作用的結(jié)果。計算得出不同條件下的Q值如圖5 所示。兩種鋁合金激活能的變化范圍都比較大，擠壓鑄造6082鋁合金的激活能隨著溫度和應(yīng)變速率的增加而降低。主要原因是高溫促進(jìn)位錯運(yùn)動的同時，材料軟化作用增強(qiáng)，這導(dǎo)致位錯密度降低，所以激活能會下降。高應(yīng)變速率下會產(chǎn)生高剪切應(yīng)力，這種應(yīng)力甚至?xí)朔筛邞?yīng)變速率所帶來的大量位錯糾纏產(chǎn)生的阻力，最終促進(jìn)位錯運(yùn)動的激活，導(dǎo)致激活能降低[23]。整體上，擠壓鑄造壓力為100 MPa 的6082 鋁合金激活能比50 MPa 的高，這主要是因?yàn)榍罢叩某跏冀M織晶粒細(xì)小，變形更難所致。從圖5b 可知當(dāng)溫度不變，應(yīng)變速率為0.1 s-1和1 s-1時，其激活能大小非常接近，這可能是在應(yīng)變速率為1 s-1時，產(chǎn)生的剪切應(yīng)力不能完全克服大量位錯結(jié)構(gòu)糾纏，導(dǎo)致其激活能和應(yīng)變速率為0.1 s-1時候相似。從圖5 可以看出，兩者的激活能在低溫中低應(yīng)變速率條件下差距非常大，在高溫中低應(yīng)變速率下激活能值相近，這說明在高溫中低應(yīng)變速率時，兩種6082 鋁合金的變形難易程度相近，這與之前分析的擠壓鑄造壓力對流變應(yīng)力影響的結(jié)論是一致的。激活能的大小也決定了鋁合金的變形機(jī)制，當(dāng)激活能大于純鋁的自擴(kuò)散激活能（165 kJ/mol），變形機(jī)制為位錯滑移/攀移，當(dāng)與純鋁自擴(kuò)散激活能相差不大時，變形機(jī)制為晶格自擴(kuò)散，低于該自擴(kuò)散激活能為沿晶界的短路擴(kuò)散過程[24]，因此可以判斷擠壓鑄造6082 鋁合金主要的變形機(jī)制為位錯滑移。

圖5 不同變形條件下的激活能Fig.5 Activation energy under different deformation conditions

3 結(jié)論

1）分析了擠壓鑄造參數(shù)對6082 鋁合金微觀組織的影響規(guī)律和原因，壓力增大使鋁合金的晶粒尺寸明顯細(xì)化。

2）擠壓鑄造壓力越大，對應(yīng)的6082 鋁合金流變應(yīng)力越高；而高溫能消除因擠壓鑄造壓力帶來的流動應(yīng)力差距，但高應(yīng)變速率下，由于變形時間較短，應(yīng)力差距仍較大。

3）建立了兩種不同擠壓鑄造壓力下制備的6082鋁合金的Arrhenius 型本構(gòu)方程，分析了不同變形條件和擠壓鑄造條件時激活能的差異。總體來說，激活能隨著變形溫度和應(yīng)變速率的增加而降低，高擠壓鑄造壓力下制備的6082 鋁合金的激活能更大，變形更困難，但兩者在高溫中低應(yīng)變速率下的變形難易程度相近。