BFe10-1-1 合金變形抗力的研究

付利國(guó)，郭 悅，馬 寧，郭 樺，呂光輝，陶 歡，郁 炎

（中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七二五研究所，河南 洛陽 471023）

BFe10-1-1 合金是以鎳、鐵、錳為主要添加元素的銅合金[1]，具有優(yōu)良的耐海水腐蝕性能和抗海生物污損性能，長(zhǎng)期以來銅鎳合金以其優(yōu)異的可加工性，耐腐蝕性以及抗海生物附著等優(yōu)點(diǎn)在海洋工程、船舶系統(tǒng)等領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用[2-4]。在實(shí)際應(yīng)用中，BFe10-1-1 合金主要是以管材及管系附件（如凸緣、法蘭等）的形式應(yīng)用，而其形成方式需要經(jīng)過高溫塑性加工成形[5-6]。變形抗力是表征合金塑性加工性能的一個(gè)基本參量，是材料成形過程中變形和受理計(jì)算的基礎(chǔ)。金屬的變形抗力值對(duì)于計(jì)算各種壓力加工的力和功，制定工藝規(guī)程，設(shè)計(jì)、校核壓力加工設(shè)備和工具都是必不可少的。正確揭示熱變形過程中組織和性能的變化以及塑性變形的機(jī)理及其規(guī)律，對(duì)于建立合理的變形抗力數(shù)學(xué)模型，提高計(jì)算機(jī)在線控制能力，改善產(chǎn)品質(zhì)量，具有重要作用[7-8]。

本文以BFe10-1-1 合金為研究對(duì)象，利用Gleeble-3500 對(duì)其進(jìn)行熱模擬圓柱壓縮試驗(yàn)，分析BFe10-1-1 合金塑性加工過程中變形溫度、變形程度、變形速率等參數(shù)對(duì)該合金變形抗力的影響，建立其塑性變形抗力模型，旨在為該合金的熱加工工藝制定和有限元模擬提供理論和數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為半連續(xù)鑄造方法制備的BFe10-1-1合金鑄錠，其化學(xué)成分如表1 所示。圖1a 為實(shí)驗(yàn)合金鑄錠原始組織，可以看出，主要由樹枝狀單相α 組織組成。為了便于塑性變形，防止開裂，實(shí)驗(yàn)前須對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻化退火，以使晶內(nèi)偏析擴(kuò)散均勻。均勻化退火后鑄錠的組織見圖1b，可以看出為近似的等軸狀晶。經(jīng)均勻化處理后的鑄錠采用線切割加工成尺寸為?10mm×15mm 的圓柱試樣，兩端開槽，槽寬s=0.4mm，深t=0.2mm。

圖1 實(shí)驗(yàn)合金均勻化前后的金相組織

表1 實(shí)驗(yàn)用BFe10-1-1 合金的化學(xué)成分/（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在Gleeble-3500 熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)過程如圖2 所示。將試樣以10℃/s 的升溫速度升至變形溫度T 后，保溫3min，以消除溫度梯度，然后開始?jí)嚎s變形。合金的變形溫度T 分別為800、850、900、950、1000℃，應(yīng)變速率 分別為0.01、0.1、1、10、15s-1，變形量均為60%。

圖2 合金熱壓縮過程示意圖

熱壓縮試驗(yàn)過程中，試樣兩端的凹槽內(nèi)填充專用潤(rùn)滑劑（75%石墨+20%機(jī)油+5%硝酸三甲苯脂），以減少試樣與試驗(yàn)機(jī)壓頭之間的摩擦，使試樣在熱壓縮過程中變形均勻。

2 結(jié)果與分析

2.1 變形溫度對(duì)變形抗力的影響

變形溫度對(duì)變形抗力的影響如圖3 所示。由圖可知，在變形程度一定時(shí)，實(shí)驗(yàn)合金的變形抗力隨著變形溫度的升高而降低，在變形程度和變形溫度一定的情況下，變形速率越大，變形抗力也隨之增大。在變形溫度和變形速率一定的條件，隨著變形程度的增加，實(shí)驗(yàn)合金的變形抗力也相應(yīng)增加。這是因?yàn)闇囟葘?duì)變形抗力的影響主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：首先隨著變形溫度的升高，發(fā)生的回復(fù)軟化作用越來越強(qiáng)，位錯(cuò)在變形過程中通過交滑移和攀移等方式運(yùn)動(dòng)，在位錯(cuò)積聚區(qū)會(huì)發(fā)生部分位錯(cuò)的重新排列，有利于降低由于位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)引起的畸變能；其次，在畸變能的積聚區(qū)會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，較低溫度的大變形量會(huì)誘發(fā)大量的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，使動(dòng)態(tài)再結(jié)晶成為主要的軟化方式，隨著變形溫度的升高，畸變能不易累積，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶難以發(fā)生，只有在足夠的變形速率下才能發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的軟化作用。

圖3 變形溫度對(duì)變形抗力的影響

2.2 變形程度對(duì)變形抗力的影響

圖4 為變形程度與變形抗力的關(guān)系曲線。由圖可知，變形抗力均隨著變形程度的增加而增大。在變形程度一定時(shí)，隨著變形溫度的升高，變形抗力降低。當(dāng)變形溫度較低時(shí)，變形抗力隨著變形程度的增加有比較明顯的增加；變形溫度較高時(shí)，變形抗力隨變形程度的增加變化趨勢(shì)減緩。變形速率增加時(shí)，同一變形溫度和程度的變形抗力也增大。這是因?yàn)樵谧冃纬潭纫欢〞r(shí)，在較低變形溫度、較高變形速率的條件下，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶需要的驅(qū)動(dòng)能增加，金屬在高溫塑性變形過程中來不及發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，硬化作用大于軟化作用，變形抗力增加。在變形速率一定時(shí)，在較高的變形溫度條件下，隨著變形程度的增加，金屬發(fā)生了動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶，抵消了加工硬化，隨著變形量的增加，位錯(cuò)密度增大引起的變形抗力與動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶處于平衡狀態(tài)，所以曲線變緩。

圖4 變形程度對(duì)變形抗力的影響

2.3 變形速率對(duì)變形抗力的影響

圖5 為變形速率與變形抗力的關(guān)系曲線。由圖可知，當(dāng)變形速率小于2s-1時(shí)，隨著變形速率的增加，變形抗力有比較明顯的增加；當(dāng)變形速率在3～15 s-1之間時(shí)，隨著變形速率的增加，金屬變形抗力的增加比較緩慢。這是因?yàn)楫?dāng)應(yīng)變速率較低時(shí)，金屬的加工硬化起著主導(dǎo)作用，且由于應(yīng)變速率較低，無法積累足夠的畸變能，硬化作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于回復(fù)和再結(jié)晶的軟化作用，因此變形抗力增加較快。當(dāng)應(yīng)變速率增加到3s-1以后，盡管金屬的加工硬化持續(xù)增加，但由于變形較快，金屬中的畸變能得以快速積累，畸變能達(dá)到一定程度后，動(dòng)態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶軟化作用于加工硬化作用達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后，變形抗力曲線便進(jìn)入穩(wěn)定階段。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶屬于不完全軟化，但軟化率較高，隨著應(yīng)變速率的增加再結(jié)晶軟化率降低，變形抗力緩慢增加。

圖5 變形速率對(duì)變形抗力的影響

2.4 變形抗力數(shù)學(xué)模型

金屬變形抗力的大小，決定于金屬的組織成分、變形溫度、變形速率、變形程度以及加工過程中的加工硬化、動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶。這些因素共同影響著金屬的變形抗力。冷加工過程中，由于擴(kuò)散作用被抑制，金屬的變形抗力被加工硬化所主導(dǎo)，軟化因素只有少量的位錯(cuò)回復(fù)、交滑移等不完全軟化方式。熱加工過程中，包括各種回復(fù)以及再結(jié)晶的發(fā)生，其中靜態(tài)再結(jié)晶屬于完全軟化因素，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶屬于不完全軟化，但軟化作用明顯，這些因素在熱加工過程中對(duì)變形抗力的影響巨大，不能像冷加工過程忽略。因此，熱加工過程的變形抗力數(shù)學(xué)模型可用公式（1）表達(dá)[9]：

金屬中的合金元素對(duì)金屬變形抗力的影響相當(dāng)復(fù)雜，不僅要考慮各個(gè)元素被添加進(jìn)金屬中的影響，還需要考慮各元素間的交互作用。此外，金屬的應(yīng)力狀態(tài)、各部分變形程度不同等也會(huì)導(dǎo)致金屬各部分表現(xiàn)出不同的變形抗力，因此很難實(shí)現(xiàn)把各種合金都放到一個(gè)變形抗力模型中，通常按不同的合金建立各合金的變形抗力模型，這種方法可以得到簡(jiǎn)化的變形抗力模型。

以金屬的變形條件、組織狀態(tài)及化學(xué)成分在某一特定條件下得到的變形抗力為基值，用σ0表示，對(duì)應(yīng)的變形溫度、變形程度、變形速率分別用t、ε、表示，則公式（1）可簡(jiǎn)化為：

在建立變形抗力模型時(shí)，有將變形溫度、變形程度、變形速率視為獨(dú)立變量互不影響，也有認(rèn)為三者之間互相影響加以考慮，本文選用的模型考慮了t、ε、之間的相互影響，可由公式（3）表示[10]：

將實(shí)驗(yàn)各變形溫度、變形速率和變形量下的變形抗力進(jìn)行非線性回歸，計(jì)算各回歸系數(shù)值，表2 為變形溫度950℃、變形量0.4、變形速率1s-1變形抗力模型回歸系數(shù)。

表2 變形抗力回歸系數(shù)分析結(jié)果

從表2 中可知，公式計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差為4.21%，相關(guān)系數(shù)R 為0.9853，表明回歸方程具有較好的曲線擬合特性。

3 結(jié)論

（1）在一定變形溫度和變形程度下，變形抗力隨變形速率的增加而增加。在一定變形速率和變形程度下，變形抗力隨著變形溫度的增加而減小。在較小的變形溫度和較高變形速率下，變形抗力增加顯著。

（2）在考慮變形溫度、變形速率、變形程度對(duì)變形抗力交互影響下，建立了實(shí)驗(yàn)合金變形抗力數(shù)學(xué)模型，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過回歸分析得到的變形抗力數(shù)學(xué)模型有較高的預(yù)測(cè)精度。