密封艙結(jié)構(gòu)材料5B70 鋁合金高溫壓縮實(shí)驗(yàn)與晶體塑性模擬研究

劉永康，王 博，賴小明，劉 洋，王國峰?，張 榮

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱150001； 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)金屬精密熱加工國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱150001； 3. 北京衛(wèi)星制造廠有限公司， 北京100094)

1 引言

鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度高及優(yōu)異的抗腐蝕性等特點(diǎn)，被廣泛用于大型載人密封艙主體結(jié)構(gòu)。 各國大多采用耐蝕高強(qiáng)度合金，如Al-Mg 系及Al-Mg-Zn 系鋁合金，制備航空飛行器結(jié)構(gòu)件。 俄羅斯開發(fā)了1570 牌號(hào)的鋁-鈧合金作為新一代載人航天器結(jié)構(gòu)材料；美國將鋁-鎂-鈧C557 型鋁合金應(yīng)用在戰(zhàn)斗機(jī)與航天器結(jié)構(gòu)中。 目前，中國研發(fā)的5B70 鋁合金是Al-Mg系鋁合金通過微合金化工藝添加鈧、鋯元素制備的一種新型結(jié)構(gòu)材料，具有優(yōu)良的力學(xué)、可焊性和抗腐蝕性能。 5B70 鋁合金已逐步應(yīng)用到新一代載人飛船、低溫燃料貯箱和載人深空探測器的主體結(jié)構(gòu)中，在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，5B70 鋁合金的研究主要集中在抗腐蝕、焊接性能及塑性變形等宏觀角度，對(duì)該材料宏觀變形后的介觀組織變化及內(nèi)應(yīng)力預(yù)測等方面研究較少。 晶體塑性有限元模型能夠?qū)崿F(xiàn)材料熱變形過程中應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，對(duì)微觀組織演化進(jìn)行綜合數(shù)值模擬，深入分析材料變形過程中的宏微觀響應(yīng)規(guī)律、晶粒形貌變化及位錯(cuò)密度演化等，對(duì)發(fā)展金屬材料熱變形理論和成形工藝的控形控性具有重要理論價(jià)值和實(shí)際工程意義。 李宏偉提出了率相關(guān)晶體塑性模型，實(shí)現(xiàn)了大變形和大應(yīng)變速率狀態(tài)下的復(fù)雜成形過程的模擬預(yù)測；張豐果利用晶體塑性模型研究了金屬材料鐓粗過程中的流變抗力及織構(gòu)演化規(guī)律；Ha 等采用基于位錯(cuò)密度的晶體塑性模型，通過時(shí)間積分算法模擬了不同取向純鋁單晶在各向異性拉伸時(shí)的硬化響應(yīng)關(guān)系；Hurtado 等提出了一種分析韌性晶體變形的有限元方法并建立了幾何必需位錯(cuò) 密 度( Geometrically Necessary Dislocations，GNDS)與滑移應(yīng)變間的對(duì)應(yīng)關(guān)系模型。

綜上，目前主要集中研究晶體塑性理論及其本構(gòu)模型，關(guān)于晶體塑性有限元模擬應(yīng)用于實(shí)際工程中的研究較少。 因此，需將晶體塑性理論與金屬材料熱加工變形相結(jié)合，從介觀角度分析塑性變形理論及微觀組織變化。 本文對(duì)5B70 鋁合金進(jìn)行熱壓縮實(shí)驗(yàn)，分析該材料高溫變形時(shí)的受力狀態(tài)，闡釋內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變形機(jī)理；通過ABAQUS 有限元分析軟件建立5B70 鋁合金多晶體Taylor 三維模型，進(jìn)行熱壓縮晶體塑性模擬，研究5B70 鋁合金熱壓縮時(shí)的組織變化行為、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及位錯(cuò)密度分布規(guī)律，并與實(shí)際5B70鋁合金熱壓縮結(jié)果分析比較。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

采用東北輕合金有限責(zé)任公司生產(chǎn)的5B70鋁合金作為實(shí)驗(yàn)材料(成分如表1 所示)，將其切割成Φ8 mm ?12 mm 的圓柱試樣，在Gleeble-1500 熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行等溫壓縮實(shí)驗(yàn)。 在柱形試樣兩端放置石墨片以降低摩擦對(duì)應(yīng)力的影響。 實(shí)驗(yàn)時(shí)將試樣以30 ℃/min 的速度升溫至目標(biāo)溫度，保溫5 min 以使壓縮試樣溫度均勻，然后按照設(shè)定的工藝參數(shù)進(jìn)行等溫壓縮實(shí)驗(yàn)，壓縮應(yīng)變(ε)：0.7；壓縮應(yīng)變速率( ε/s)：0.001、0.01、0.11；壓縮溫度(T/℃)： 250、300、350、390、420。壓縮過程結(jié)束取出試樣冷卻。 等溫壓縮實(shí)驗(yàn)具體工藝過程如圖1 所示。

表1 5B70 鋁合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of 5B70 aluminum alloy wt.%

圖1 等溫壓縮工藝曲線Fig.1 Isothermal compression process curve

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由熱壓縮實(shí)驗(yàn)得到5B70 鋁合金在不同溫度和不同應(yīng)變速率所對(duì)應(yīng)的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，如圖2 所示。 由圖2 可知， 5B70 鋁合金在壓縮時(shí)的流動(dòng)應(yīng)力隨變形溫度和應(yīng)變速率變化：在同一應(yīng)變速率和相同應(yīng)變條件下，隨著壓縮溫度的升高，試樣壓縮應(yīng)力降低，這是因?yàn)闇囟壬?，原子?dòng)能增大且滑移抗力減小，材料的臨界剪應(yīng)力減小，動(dòng)態(tài)回復(fù)作用加劇，軟化效果明顯；同時(shí)溫度的增加提高了晶粒形核驅(qū)動(dòng)力并促進(jìn)了晶粒長大，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化作用增強(qiáng)。 試樣在同一溫度和相同變形量時(shí)，隨著應(yīng)變速率減小，試樣的壓縮應(yīng)力大幅度減小，這是因?yàn)樵谳^小的應(yīng)變速率下，試樣需要更長時(shí)間產(chǎn)生相同壓縮變形量，動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶引起的軟化作用能夠充分進(jìn)行，試樣壓縮強(qiáng)度不斷降低。

圖2 不同溫度下5B70 鋁合金真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 True stress-strain curve of 5B70 aluminum alloy under different temperatures

以圖2(a)為例，在高應(yīng)變速率時(shí)，試樣壓縮初始階段的應(yīng)力隨應(yīng)變值的增加急劇上升，這一過程稱為加工硬化階段。 這是由于開始變形時(shí)阻力較小且變形速度較快，在該過程中位錯(cuò)大量增殖并發(fā)生堆積和纏結(jié)，硬化作用明顯高于軟化作用。 隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力達(dá)到峰值后呈下降趨勢，此時(shí)位錯(cuò)通過攀移或交滑移發(fā)生合并、重組甚至湮滅，加工硬化速率逐漸下降而動(dòng)態(tài)回復(fù)效果增強(qiáng)。 當(dāng)變形量進(jìn)一步增大時(shí)，加工硬化和動(dòng)態(tài)回復(fù)作用達(dá)到平衡狀態(tài)，應(yīng)力值趨于穩(wěn)定，熱壓縮進(jìn)入穩(wěn)態(tài)流變階段。 5B70 鋁合金由于添加了Sc和Zr 后，強(qiáng)烈抑制了再結(jié)晶過程，提高了該材料的再結(jié)晶溫度，初始再結(jié)晶溫度在400 ℃左右，所以圖2(a)和圖2(b)中試樣只有動(dòng)態(tài)回復(fù)作用起到了軟化作用。

圖2(d)中，當(dāng)壓縮溫度為390 ℃時(shí)，應(yīng)變速率為1 s和0.1 s時(shí)，由于壓縮變形速率過快，試樣沒有發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，仍然只有動(dòng)態(tài)回復(fù)作用發(fā)揮軟化作用。 當(dāng)應(yīng)變速率為0.01 s和0.001 s時(shí)，試樣需要較長時(shí)間才能完成壓縮變形，試樣內(nèi)部開始發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，軟化效果明顯，所以應(yīng)變速率為0.01 s和0.001 s時(shí)，試樣的流變應(yīng)力降低顯著。 在圖2(e)中，因?yàn)閴嚎s溫度進(jìn)一步升高，達(dá)到420 ℃，壓縮試樣全部發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，與動(dòng)態(tài)回復(fù)共同起到軟化作用，當(dāng)應(yīng)變速率降低到0.001 s時(shí)，試樣硬化效果十分微弱，流動(dòng)應(yīng)力基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

將上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總，繪制試樣壓縮屈服強(qiáng)度曲線，如圖3 所示。 5B70 鋁合金在壓縮時(shí)的流動(dòng)應(yīng)力隨變形溫度和應(yīng)變速率變化：在壓縮溫度相同時(shí)，隨著應(yīng)變速率的降低，試樣變形軟化更加充分，壓縮強(qiáng)度不斷降低；在同一應(yīng)變速率下，5B70 鋁合金的壓縮屈服強(qiáng)度值隨著溫度的升高而減小，幾乎成線性關(guān)系，但存在2 個(gè)較為顯著的拐點(diǎn)。 當(dāng)壓縮應(yīng)變速率為1 s，溫度由250 ℃升至450 ℃時(shí)，試樣壓縮屈服強(qiáng)度由151.2 MPa 降至73.4 MPa。 壓縮溫度為300 ℃時(shí)，由于壓縮變形速度過大，加工硬化效果顯著，且動(dòng)態(tài)回復(fù)作用與250 ℃時(shí)相比，僅有微小增加，所以試樣強(qiáng)度有微弱下降。 而在0.01 s應(yīng)變速率下，隨著溫度升高，該材料的壓縮屈服強(qiáng)度由117.8 MPa 降低至32.6 MPa，壓縮溫度為390 ℃時(shí)，由于試樣內(nèi)部發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，軟化效果明顯增強(qiáng)，所以屈服強(qiáng)度下降明顯。

圖3 5B70 鋁合金壓縮強(qiáng)度匯總圖Fig.3 Summary of 5B70 aluminum alloy compressive strength

4 晶體塑性單向壓縮模擬

4.1 多晶體本構(gòu)模型

本文采用Taylor介觀模型，假設(shè)多晶體在加載過程中具有相同的變形梯度，計(jì)算其彈塑性約束，多晶材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及等效彈塑性模量如式(1)、式(2)所示。

式中：T為第k 個(gè)取向?qū)?yīng)的Cauchy 應(yīng)力，v為第k 個(gè)取向體積分?jǐn)?shù)，W 為總的單元等效模量，W為第k 個(gè)取向?qū)?yīng)的等效模量。

多晶體塑性變形時(shí)所受切分應(yīng)力與其剪切應(yīng)變速率息息相關(guān)，近些年許多學(xué)者將位錯(cuò)長短交互作用引起的背應(yīng)力與變形激活能Q應(yīng)用于流變準(zhǔn)則中，提出了包含溫度、應(yīng)變速率及激活能在內(nèi)的流變準(zhǔn)則及基于位錯(cuò)密度演化的硬化準(zhǔn)則，如式(3)和式(4)所示。

4.2 多晶體壓縮模擬

本文基于ABAQUS 有限元模擬軟件，通過Fortran 語言編寫適用于ABAQUS 接口的UMAT子程序，實(shí)現(xiàn)適用于FCC 晶體的塑性理論算法，建立了5B70 鋁合金多晶體三維近似模型，如圖4所示。 在Taylor 三維模型中研究60 個(gè)晶粒之間的塑性變形響應(yīng)，在inp 文件中生成不同的單元集，將單元集賦予不同的材料屬性，導(dǎo)入ABAQUS軟件中進(jìn)行熱壓縮模擬實(shí)驗(yàn)。 在250 ℃、300 ℃時(shí)采用0.1 s、1 s的應(yīng)變速率進(jìn)行有限元熱壓縮模擬，提取模擬云圖，并分析模擬結(jié)果。

圖4 5B70 鋁合金多晶體四面體三維模型Fig.4 The tetrahedron 3D model of 5B70 aluminum alloy

當(dāng)應(yīng)變速率為0.1 s時(shí)，分別在250 ℃和300 ℃條件下模擬5B70 鋁合金壓縮過程，如圖5和圖6 所示。 對(duì)比圖5(a)和圖6(a)可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變量相同時(shí)，晶粒形狀、尺寸變化相同。 與圖6相比，在整體應(yīng)變相同的情況下，圖5(c)中晶粒的應(yīng)力值更大，表明了250 ℃下5B70 鋁合金的加工硬化作用更加明顯。 對(duì)比分析圖5(d)和圖6(d)中多晶體位錯(cuò)密度分布發(fā)現(xiàn)，300 ℃條件下，位錯(cuò)密度整體值降低，這是由于隨著溫度的升高，多晶體模型中位錯(cuò)發(fā)生了合并重組甚至湮滅，促進(jìn)動(dòng)態(tài)回復(fù)過程。 從介觀角度描述了材料的加工硬化與動(dòng)態(tài)回復(fù)現(xiàn)象，解釋了相同應(yīng)變速率下，模型壓縮溫度升高，流動(dòng)應(yīng)力降低的原因。

圖5 250 ℃、應(yīng)變0.7、應(yīng)變速率0.1 s-1條件下壓縮模擬云圖Fig.5 Compression simulation diagram at 250 ℃with strain of 0.7 and strain rate of 0.1 s-1

當(dāng)應(yīng)變速率為1 s時(shí)，分別在250 ℃和300 ℃條件下模擬5B70 鋁合金壓縮過程，如圖7 和圖8所示。 通過對(duì)比分析圖7(b)和圖8(b)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變分布基本相似。 與圖8 相比，在整體應(yīng)變相同的情況下，圖7(c)中晶粒的應(yīng)力值更大，表明了250 ℃下5B70 鋁合金的加工硬化作用更加明顯。 當(dāng)圧縮溫度為250 ℃時(shí)，多晶體中位錯(cuò)密度更高，如圖7(d)所示。 這是由于在較低溫度下，多晶體模型中位錯(cuò)發(fā)生了動(dòng)態(tài)回復(fù)不完全造成的。

圖6 300 ℃、應(yīng)變0.7、應(yīng)變速率0.1 s-1條件下壓縮模擬云圖Fig.6 Compression simulation diagram at 300 ℃with strain of 0.7 and strain rate of 0.1 s-1

對(duì)比圖6(a)和圖8(a)，在相同溫度變形時(shí)改變壓縮應(yīng)變速率，由于應(yīng)變速率過快，變形時(shí)間過短，晶粒長大情況相似，所以多晶體模型的晶粒尺寸與形狀幾乎沒有區(qū)別。 隨著應(yīng)變速率的升高，多晶體模型在更短的時(shí)間內(nèi)完成壓縮變形，晶粒的介觀應(yīng)力值明顯增大，如圖6(c)和圖8(c)所示，但介觀應(yīng)變只有略微增加。 同時(shí)，圖6(d)和圖8(d)中的位錯(cuò)密度值幾乎沒有變化，這說明應(yīng)變速率從0.1 s升高至1 s，對(duì)動(dòng)態(tài)回復(fù)作用沒有影響，從介觀角度說明了宏觀流變應(yīng)力的增加，主要是加工硬化作用顯著增強(qiáng)的結(jié)果。

圖7 250 ℃、應(yīng)變0.7、應(yīng)變速率1 s-1 條件下壓縮模擬云圖Fig.7 Compression simulation diagram at 250 ℃with strain of 0.7 and strain rate of 1 s-1

綜合分析不同變形條件下5B70 鋁合金多晶體的晶體塑性壓縮模擬，各晶粒間只存在相互協(xié)調(diào)變形，并未發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，模擬溫度及應(yīng)變速率對(duì)晶粒形狀影響程度較低。 模型中各晶粒的應(yīng)變差別較大，可分為變形較大的軟晶粒與變形較小的硬晶粒。 5B70 鋁合金模型中晶粒的應(yīng)力-應(yīng)變-位錯(cuò)密度具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。 分析圖5 ～8可以發(fā)現(xiàn)，在材料發(fā)生熱壓縮時(shí)，硬晶粒具有較大的位錯(cuò)密度，所受應(yīng)力較?。环粗?，軟晶粒具有較小的位錯(cuò)密度，所受應(yīng)力較大。

圖8 300 ℃、應(yīng)變0.7、應(yīng)變速率1 s-1 條件下壓縮模擬云圖Fig.8 Compression simulation diagram at 300 ℃with strain of 0.7 and strain rate of 1 s-1

在相同變形溫度時(shí)，應(yīng)變速率越大，晶體模型中同一位置處晶粒的應(yīng)力隨之增大，加工硬化效果明顯，但對(duì)于位錯(cuò)密度幾乎沒有影響，對(duì)于動(dòng)態(tài)回復(fù)作用影響不大，所以應(yīng)變速率增加，5B70 鋁合金宏觀壓縮屈服強(qiáng)度隨之增大。 當(dāng)應(yīng)變速率相同時(shí)，隨著變形溫度升高，晶體模型中同一位置處晶粒的應(yīng)力值降低，加工硬化作用降低，而且多晶體模型中位錯(cuò)發(fā)生了合并重組甚至湮滅，位錯(cuò)密度降低，促進(jìn)動(dòng)態(tài)回復(fù)過程，所以變形溫度升高，5B70 鋁合金宏觀壓縮屈服強(qiáng)度降低。

提取各壓縮條件下晶體模型的平均應(yīng)力應(yīng)變曲線與壓縮實(shí)驗(yàn)所得應(yīng)力應(yīng)變曲線，對(duì)比分析結(jié)果如圖9 和圖10 所示。

圖9 250 ℃時(shí)模擬與實(shí)驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.9 The stress-strain curves of simulation and test at 250 ℃

圖10 300 ℃時(shí)模擬與實(shí)驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.10 The stress-strain curves of simulation and test at 300 ℃

從圖9 與圖10 中可以發(fā)現(xiàn)，在熱壓縮模擬時(shí)晶體模型與試樣宏觀壓縮實(shí)驗(yàn)所得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體相似。 但也存在細(xì)微差別，由于Taylor多晶體模型壓縮過程中具有相同的變形梯度，與實(shí)際壓縮實(shí)驗(yàn)相比，加工硬化效果更佳明顯；晶體塑性模擬的屈服強(qiáng)度與真實(shí)試樣壓縮屈服強(qiáng)度相同，流變曲線略有差別。 這是因?yàn)?B70 鋁合金中含有納米級(jí)的AlSc 和AlZr(約50 nm)，在壓縮變形時(shí)能夠促進(jìn)空位的擴(kuò)散，加強(qiáng)了動(dòng)態(tài)回復(fù)作用，而本文建立的Taylor 多晶體模型并未包含上述粒子，所以動(dòng)態(tài)回復(fù)效果較弱，造成模擬壓縮曲線的穩(wěn)態(tài)流變階段應(yīng)力值偏大，但總體趨勢與宏觀試樣壓縮曲線相同。

5 結(jié)論

1)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線是由硬化作用(加工硬化)和軟化作用(動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶)共同影響，在同一應(yīng)變速率下，隨著壓縮溫度的升高，試樣壓縮屈服強(qiáng)度降低幾乎成線性關(guān)系。

2)多晶體內(nèi)部分為硬晶粒和軟晶粒，在熱壓縮時(shí)硬晶粒的應(yīng)力較小但內(nèi)部位錯(cuò)密度較大，軟晶粒的應(yīng)力較大但內(nèi)部位錯(cuò)密度較小。

3)相同應(yīng)變速率下，模型壓縮溫度升高，動(dòng)態(tài)回復(fù)作用增強(qiáng)，流動(dòng)應(yīng)力降低；相同變形溫度下，應(yīng)變速率變大，多晶體加工硬化效果增強(qiáng)，流動(dòng)應(yīng)力升高。

4)多晶體有限元模型與實(shí)際壓縮實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體相似，可以充分說明5B70 鋁合金多晶體本構(gòu)模型的正確性。 5B70 鋁合金晶體塑性熱壓縮模擬不僅在科學(xué)研究上具有重要意義，也對(duì)工程實(shí)踐起到指導(dǎo)作用。