新型電子產(chǎn)品用Al-Zn-Mg合金熱變形行為與熱加工圖研究

胡 權(quán)，孫大翔，鄧 科，周明俊

（1.佛山市三水鳳鋁鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山 528133；2.廣東省科學(xué)院工業(yè)分析檢測(cè)中心，廣東 廣州 510650）

隨著電子產(chǎn)品行業(yè)飛速發(fā)展，鋁合金因其陽(yáng)極氧化性能優(yōu)異（色澤華麗）、導(dǎo)熱性能好、密度低、易加工等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在智能手機(jī)、筆記本電腦、平板電腦、智能手表、手環(huán)等電子產(chǎn)品中。但是隨著便攜式電子產(chǎn)品屏幕尺寸的不斷增加及質(zhì)量的不斷減少，傳統(tǒng)的陽(yáng)極氧化用6xxx系鋁合金的力學(xué)性能已經(jīng)無(wú)法滿足行業(yè)發(fā)展的需要[1-5]。所以，有必要尋找一種新的高強(qiáng)度鋁合金材料滿足市場(chǎng)需求。Al-Zn-Mg合金是典型的時(shí)效強(qiáng)化型合金，具有高比強(qiáng)度、低密度、良好的熱加工性能、良好的陽(yáng)極氧化效果等優(yōu)點(diǎn)，被視為新一代電子產(chǎn)品外殼的主要材料，并迅速推廣。但應(yīng)用于電子產(chǎn)品的Al-Zn-Mg合金設(shè)計(jì)思路與航空和高鐵用的結(jié)構(gòu)材料有所不同[6]，在要求高強(qiáng)度的同時(shí)對(duì)合金的表面質(zhì)量有更高的要求。

為了保證鋁合金的表面質(zhì)量，必須嚴(yán)格控制合金的成分與微觀組織。普遍認(rèn)為[7-9]：Cu元素可以在一定程度上提高合金的表面光澤度，而Fe元素會(huì)降低合金的表面質(zhì)量；另外，Zn2+對(duì)合金的陽(yáng)極氧化過(guò)程有負(fù)面影響，一定要盡量消除。同樣，提高合金的組織均勻性，如晶粒細(xì)小的再結(jié)晶組織，對(duì)合金的表面質(zhì)量有益，而變形組織往往會(huì)出現(xiàn)黑線等組織缺陷[10]，應(yīng)盡量避免。金屬材料的熱變形可以有效改善材料微觀組織，提升其力學(xué)性能[11]。通過(guò)對(duì)熱變形行為進(jìn)行研究，確定最佳熱加工工藝參數(shù)，可有效地獲得具有優(yōu)異力學(xué)性能與理想組織的加工構(gòu)件。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 試樣

采用的Al-Zn-Mg合金在7003合金的基礎(chǔ)上，調(diào)整Zn和Mg元素的含量，去除微合金元素后形成新型Al-5.0 Zn-1.2Mg-0.2Cu合金。合金經(jīng)熔煉、鑄造、均勻化處理后備用，合金化學(xué)成分列于表1。

表1 新型Al-Zn-Mg合金化學(xué)成分

1.2 方法

首先合金經(jīng)熔煉鑄造后在470℃/12h下均勻化處理，再加工成直徑10mm×15mm的圓柱形試樣，然后在Gleeble-3500型熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行熱壓縮模擬實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)溫度范圍380～540℃，變形速率為0.01，0.1，1和10 s-1，熱壓縮前應(yīng)先在每個(gè)試樣兩端涂上石墨潤(rùn)滑劑以減少摩擦。

將壓縮后的樣品水淬，水淬后的試樣沿中心軸剖開(kāi)，觀察其剖開(kāi)面的金相組織。觀察前試樣經(jīng)KOHLER試劑(1.5% HCl+2.5% HNO3+1% HF+95% H2O)腐 蝕，在DM-4000M光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行組織觀察，具體觀察面如圖1所示。

圖1 合金熱壓縮模擬試樣

2 結(jié)果與討論

2.1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

圖2為新型Al-Zn-Mg合金在不同變形條件下熱壓縮變形的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。從圖2可見(jiàn)：在變形的初始階段，應(yīng)力迅速提高，此階段合金主要發(fā)生加工硬化；此后應(yīng)力增加逐漸緩慢，此時(shí)為過(guò)渡變形階段，合金開(kāi)始出現(xiàn)動(dòng)態(tài)軟化；當(dāng)應(yīng)變?cè)龃蟮揭欢ㄖ岛螅鎽?yīng)力基本保持不變，即呈穩(wěn)態(tài)流線特征，表明合金加工硬化與動(dòng)態(tài)軟化達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。從圖2還可見(jiàn)：在同一應(yīng)變速率下，隨著變形溫度的升高，流變應(yīng)力明顯降低；在同一應(yīng)變溫度下，隨著應(yīng)變速率的增加，流變應(yīng)力明顯上升。綜上所述，說(shuō)明Al-Zn-Mg合金為典型的正應(yīng)變速率敏感性材料。

圖2 Al-Zn-Mg合金不同應(yīng)變速率下熱壓縮變形真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

2.2 本構(gòu)方程建立

材料的本構(gòu)關(guān)系依據(jù)應(yīng)力水平的不同，分別對(duì)應(yīng)著低應(yīng)力水平下（ασ＜0.8）、高應(yīng)力水平下（ασ＞1.2）和整個(gè)應(yīng)力范圍內(nèi)的三個(gè)不同的本構(gòu)方程。

式（1）～式（3）中A，A1，A2，n，n1，α和β均為常數(shù)，α=β/n，T為變形溫度，R為摩爾氣體常數(shù)，Q為變形激活能，σ為流變應(yīng)力。

變形溫度與應(yīng)變速率對(duì)流變應(yīng)力的影響，用含Zener-Hollomon(Z)參數(shù)的Arrhenius關(guān)系式表示，其中Z的物理意義為由溫度補(bǔ)償?shù)淖冃嗡俾室蜃印?/p>

綜上所述，本研究首次證實(shí)Pim-1在肝癌組織中的表達(dá)水平顯著高于癌旁組織和正常肝組織，且與PHC的臨床進(jìn)展和患者生存時(shí)間有重要聯(lián)系，其過(guò)表達(dá)提示PHC患者的預(yù)后較差。Pim-1在PHC診斷、治療及預(yù)后判斷等方面具有良好的潛在應(yīng)用價(jià)值與前景。

分別對(duì)式(1)和式(2)取對(duì)數(shù)得：

對(duì)式(3)兩邊取對(duì)數(shù)得，

由式(5)和式(6)，取兩個(gè)合金流變應(yīng)力為峰值應(yīng)力，做合金In-Inσ關(guān)系曲線及In-σ關(guān)系曲線，經(jīng)線性擬合，得圖3(a)和圖3(b)。取圖3(a)斜率平均值分別為βA，圖3(b)的斜率平均值分別為n1A，可求αA=βA/n1A=0.0255 MPa-1。

圖3 新型Al-Zn-Mg合金本構(gòu)方程計(jì)算擬合過(guò)程中各參數(shù)關(guān)系曲線圖

將求得的αA代入式（(7）)，取流變應(yīng)力為峰值應(yīng)力，分別作In-In[sinh(ασ)]關(guān)系曲線，經(jīng)線性擬合，得圖3(c)。取斜率平均值為nA。求得nA=4.3799

對(duì)式(4)兩邊取對(duì)數(shù)得：

以In[sinh(ασ)]和T-1為坐標(biāo)軸作圖，經(jīng)線性擬合，得圖3(d)。取其斜率平均值為S。考慮溫度對(duì)變形激活能的影響，對(duì)式(4)求偏微分可得，

將A，Q，n和α等材料常數(shù)代入式(3)，得到合金用雙曲正弦函數(shù)修正的Arrhenius關(guān)系表示的流變應(yīng)力方程為：

采用含Z參數(shù)的方程可表示為：

2.3 熱加工圖

熱加工圖基于動(dòng)態(tài)材料模型理論，由功率耗散圖疊加加工失穩(wěn)圖而成。主要用來(lái)描述材料高溫變形時(shí)的組織性能變化，指出熱加工的安全區(qū)域，為合金材料的鑄造、擠壓、軋制等工藝提供技術(shù)指導(dǎo)[12-14]。根據(jù)動(dòng)態(tài)材料模型（DMM）理論，在熱變形過(guò)程中外界對(duì)工件做功，工件能量的耗散方式有主要有兩個(gè)，一是用于工件的塑性變形，二是用于工件微觀組織的轉(zhuǎn)變。因此，被工件吸收的總能量可表示為[15]：

式（12）中P為外界輸入的能量，G為塑性變形消耗的能量，J為組織轉(zhuǎn)變消耗的能量，

G和J的關(guān)系受材料的本構(gòu)關(guān)系影響，對(duì)大多數(shù)純金屬材料和低合金材料，溫度和應(yīng)變一定時(shí)材料本構(gòu)關(guān)系符合率冪律（式（14））。在本構(gòu)關(guān)系符合式(4)的條件下，G和J的關(guān)系可以表示為：

m為應(yīng)變速率敏感因子，與應(yīng)變無(wú)關(guān)[16]，理想條件下m=1。當(dāng)工件為線性耗散體系時(shí)，耗散協(xié)量J為最大值Jmax=P/2。定義J/Jmax為功率耗散系數(shù)η，其為微觀組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變耗散的能量與理想線性耗散能量的比值：

一般情況下，功率耗散系數(shù)較高，表明材料具有良好的熱加工性能。然而，材料的加工不穩(wěn)定的局部區(qū)域很可能也具有較高的功率耗散值。基于此，要確定合理的熱加工工藝參數(shù)時(shí)必須考慮材料的失穩(wěn)區(qū)域[17-18]。Prasad基于最大熵產(chǎn)生效率原理提出，若果耗散函數(shù)與應(yīng)變速率的關(guān)系應(yīng)滿足下式：

分別繪制真應(yīng)變?yōu)?.2，0.4，0.6和0.8時(shí)的功率耗散圖和能量失穩(wěn)圖，疊加生成相應(yīng)的熱加工圖（圖4）。從圖4可見(jiàn)：陰影部分為失穩(wěn)區(qū)，等高線的值為功率耗散因子η，相對(duì)于穩(wěn)定區(qū)失穩(wěn)區(qū)的功率耗散因子較小，隨著真應(yīng)變的增大失穩(wěn)區(qū)逐漸擴(kuò)大，功率耗散因子也逐漸增大，當(dāng)真應(yīng)變?cè)龃蟮揭欢ㄖ?0.6)時(shí)失穩(wěn)區(qū)面積變化基本不變；當(dāng)真應(yīng)變?yōu)?.2和0.4時(shí)，熱加工圖有兩個(gè)失穩(wěn)區(qū)即低溫高應(yīng)變速率失穩(wěn)區(qū)和高溫高應(yīng)變速率失穩(wěn)區(qū)；當(dāng)真應(yīng)變?yōu)?.6和0.8時(shí)，熱加工圖有一個(gè)溫度為360～540℃和應(yīng)變速率為0.6～10 s-1的失穩(wěn)區(qū)。無(wú)論應(yīng)變量較小(0.2)，還是應(yīng)變量較大(0.8)，當(dāng)溫度為420℃～540℃和應(yīng)變速率0.01～0.4 s-1時(shí)，加工圖的功率耗散因子均較高(η＞0.34)且處于變形穩(wěn)定區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)合金適合熱加工變形。僅靠熱加工圖來(lái)判斷合金適合的加工區(qū)域還不夠準(zhǔn)確，還需要利用合金金相組織的觀察來(lái)證明加工圖的準(zhǔn)確性。

圖4 新型Al-Zn-Mg合金熱加工圖

2.4 顯微組織演變

圖5為Al-Zn-Mg合金在真應(yīng)變?yōu)?.8時(shí)不同熱加工區(qū)域?qū)?yīng)的金相組織照片。由于鋁合金在實(shí)際加工過(guò)程中真應(yīng)變一般比較大，我們以真應(yīng)變?yōu)?.8的加工圖為例，將加工圖分為A，B，C和D四個(gè)區(qū)域（圖5(d)）。圖5(a)為合金在420℃和10 s-1變形條件下的顯微組織，由于此區(qū)域應(yīng)變速率較大，形成了明顯的局部流變區(qū)域，說(shuō)明該區(qū)域已經(jīng)發(fā)生了流變失穩(wěn)現(xiàn)象，不適宜進(jìn)行熱加工。圖5(b)為合金在460℃和0.1 s-1變形條件下的顯微組織，合金在此變形條件下為中變形溫度低應(yīng)變速率區(qū)域，此區(qū)域的功率耗散因子很高，有足夠的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，還可以觀察到再結(jié)晶與亞晶晶粒，基本上不存在纖維組織特征，此區(qū)域動(dòng)態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行程度較高，是適合合金加工變形的區(qū)域。圖5(c)為合金在380℃和0.01 s-1變形條件下的顯微組織，由于此區(qū)域應(yīng)變速率較小溫度較低，晶粒變形沿壓縮軸方向呈顯著的纖維組織特征，但是也可看到有部分亞晶出現(xiàn)，說(shuō)明合金發(fā)生了部分動(dòng)態(tài)回復(fù)。圖5(e)中合金熱壓縮條件為溫度500℃和應(yīng)變速率0.1 s-1的顯微組織，該區(qū)域位于高變形溫度低應(yīng)變速率下，由于高溫使得亞晶不斷合并長(zhǎng)大，可以觀察到再結(jié)晶晶粒和部分動(dòng)態(tài)回復(fù)現(xiàn)象，合金再結(jié)晶程度很高，且比較均勻，適合合金加工變形。綜上所述，合金在420℃～500℃及應(yīng)變速率0.01～0.4 s-1區(qū)域內(nèi)，可保持細(xì)小且均勻的再結(jié)晶晶粒，且功率耗散因子很高（η＞0.34），表明此區(qū)域內(nèi)適合進(jìn)行熱加工。

圖5 Al-Zn-Mg合金不同變形條件下的微觀組織

3 結(jié)論

（1）新型Al-Zn-Mg合金為典型的正應(yīng)變速率敏感性材料，合金的流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率增大而增大、隨變形溫度的升高而降低。

（2）新型Al-Zn-Mg合金的變形激活能分別為168.83kJ/mol，合金高溫變形時(shí)的本構(gòu)方程分別可表示為。

（3）Al-Zn-Mg合金隨著真應(yīng)變的增大，熱加工圖中流變失穩(wěn)區(qū)逐漸增大，當(dāng)真應(yīng)變達(dá)到0.6時(shí)流變失穩(wěn)區(qū)基本保持不變。合金在420℃～500℃及0.01～0.4 s-1變形條件下，保持細(xì)小且均勻的再結(jié)晶晶粒，適合進(jìn)行熱加工。