4032铝合金热加工图及热变形机理研究

2013-08-16刘华平陈拂晓杨永顺郭俊卿

锻压装备与制造技术 2013年5期

陈强，刘华平，陈拂晓，杨永顺，郭俊卿

（1.河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳 471023；2.洛阳中重发电设备有限责任公司，河南洛阳 471003）

4032铝合金是一种典型的共晶铝硅合金，具有中等力学性能（抗拉强度350MPa），低的热膨胀系数，出色的耐磨和耐腐蚀性能，适合于制造空调压缩机活塞、发动机活塞、压缩机转子等零部件[1]。基于动态材料模型的热加工图能够准确反映材料在不同变形条件下的组织结构变化，确定软化机理，研究出失稳区域，优化热加工工艺参数。本文采用Gleeble-1500热物理模拟实验机对4032铝合金进行等温压缩实验，得到压缩式样的真应力-真应变关系曲线。依据动态材料模型构建4032铝合金的热加工图，为4032铝合金的热挤压等热塑性加工工艺参数的优化以及控制组织变化提供理论依据。

1 试验材料和方法

实验材料为工厂生产的4032铝合金挤压棒材，H112状态，其化学成分（质量分数）为：Si11.0-13.5、Cu0.5-1.3、Mg0.80-1.3、Zn0.2、Fe1.0、Cr0.9，其他为Al。试样加工成直径ø10mm、高为15mm的圆柱。为了减少摩擦因素的影响，在试样两端加工ø13mm、深为0.2mm的浅槽，浅槽里放置碳粉。压缩试验在Gleeble-1500热模拟试验机上进行，变形温度T分别为：370℃、400℃、430℃、460℃和 490℃，变形速率ε 分别为 0.02s-1、0.1s-1、1s-1和 5s-1，变形程度为60%。Gleeble-1500热模拟试验机自动采集压头行程及载荷，并根据相应的公式计算出应力和应变数据，应用origin软件处理试验数据，并绘制真应力—真应变关系图。采用线切割将试样沿着纵界面切开，在抛光机上用金刚石抛光液抛光，直至没有明显的划痕，再用三酸溶液（HF、HCl、HNO3的含量分别是1.5%、2.5%、4%）腐蚀 10min，使用 OLYMPUS PMG光学显微镜观察试样微观组织。

2 动态材料模型

动态材料模型是基于大应变塑性变形的连续力学、物理系统模拟和不可逆热动力学等方面的基本原理而建立起来的[2]。在该模型中，热加工材料被认为是密闭的热力学系统，外界对材料所输入的功率P分为两部分，一部分用于热塑性变形，用G表示，这其中以很大比例的能量转化为热能，其余以晶体缺陷的形式储存于材料；另外一部分被材料的微观组织变化所耗散，用J表示。P、G和J有如下关系：

式中ε为应变速率；σ为应力。G和J具有一定比例关系，两者之间的分配关系由应变速率敏感因子m决定，可有以下关系式表达：

由（1）和（2）可得：

当m=0时，材料没有因微观组织变化而耗散能量；当0

一般情况下，材料不是处于理想的线性能量耗散状态，对于材料处在非线性耗散状态的，可用无量纲的功率耗散效率因子η描述[4]：

η是描述材料微观组织变化在非线性耗散状态所耗散的能量与理想的线性耗散状态下所耗散的能量的比值，受变形温度、应变速率和变形量的影响。由T、ε˙和η建立功率耗散图。在功率耗散图中，并不总是η值越大越好，在材料功率耗散效率较大时，材料可能出现流变失稳，导致材料加工失败，为此，首先要确定材料的加工失稳区域。

Prasad等根据最大熵产生率原理，将材料热变形中的不可逆热动力学原理应用于大塑性变形中，提出了材料稳定塑性流变的条件是[5]：

当 ζ（ε˙）<0，材料热塑性流变会失稳。ζ（ε˙）被称为失稳判据，是无量纲，受T、ε˙和应变量的影响。应用origin软件绘制有关失稳判据、温度和应变速率之间的关系图，此图被称为流变失稳图，图中的负值区域为失稳区域。将能量耗散图和流变失稳图叠加在一起就构成加工图。综合利用加工图和金相图可以判定材料在热加工过程中可能出现的缺陷以及组织变化机理，为实际生产提供理论依据。

3 4032铝合金应变量为0.5时的热加工图

表1 4032铝合金应变量为0.5的真应力值

对表1试验数据采用三次样条插值函数拟合得：

对上式两边求偏导得：

（6）和（7）中，a、b、c和 d 都是常数，可由线性回归可得，由此可根据公式（7）、（4）和（5）分别计算出应变速率敏感因子m，功率耗散效率因子η和失稳判据 ζ（ε˙），其数据如表 2 所示。

表2 4032铝合金应变量为0.5的 m、η 和 ζ（ε˙）值

根据以上数据，应用origin软件分别绘制功率耗散图（图1）和流变失稳图（图2），并将二者叠加就建立了热加工图，如图3所示。

图3中等值线表示能量耗散效率值，阴影部分表示加工失稳区。

4 分析与讨论

金属和合金在流变失稳区域所对应的工艺参数下进行热塑性变形，会出现空洞，裂纹等缺陷，对材料的微观组织不利，影响材料的性能，热塑性变形应避开这些区域[6]。从图3可以看出，4032铝合金在变形量为0.5时，有三个流变失稳区域，即三个阴影区域分别是：变形温度420℃～435℃，应变速率0.03s-1～0.08s-1；变形温度 370℃～390℃，应变速率 0.5s-1～1s-1；变形温度 440℃～490℃，应变速率 0.36s-1～1s-1。图中其余部分为加工安全区，但是不同的安全区域其功率耗散效率因子值的大小是不同的，从热加工图中可看到4032铝合金最理想的热加工区域为：变形温度 460℃～490℃，应变速率为0.03s-1～0.36s-1；因为其既不在失稳区域，而且功率耗散效率因子η较大，最大为0.3640。

金属和合金在热塑性加工过程中伴随着加工硬化和软化的过程。加工硬化是：随着变形的进行，位错密度迅速增加，位错运动相互交割加剧，形成大量的位错塞积群、割阶、位错网等大量的障碍，增大了位错的运动阻力[7]。软化的机制主要有两种，一种是动态回复，另一种是动态再结晶。4032铝合金是高层错能合金，由于它的曾错能较高，变形时扩展位错的宽度窄、集束容易，位错的攀移和交滑移容易进行，位错容易在滑移面间转移，使异号位错抵消，位错密度下降，使位错畸变能降低不足以达到动态再结晶所需要的能量，因此4032铝合金的主要软化机制是动态回复[8]。动态回复可分为微变形阶段、均匀应变阶段和稳态流变阶段。从图4中可看出，微变形阶段（如图4中A点到B点），随着应变的增加，应力急剧增大，是因为产生了加工硬化。均匀应变阶段（图4中B点到C点），随着应变的增加，应力缓慢增加。在此阶段4032铝合金开始均匀的塑性变形，位错继续增加，加工硬化持续增强，但与此同时动态回复也在逐步增强，其抵消一部分加工硬化，使曲线的斜率降低。稳态流变阶段（如图4中C点之后），此阶段应力已不再随应变的增加而增加，是因为由变形引起的位错增加的速率和由回复引起的位错消失的速率相等，即加工硬化和动态回复达到了动态平衡。

从图5可看出，370℃时（如图5a）的粗大的晶粒随着变形温度增加到460℃时（如图 5b），其晶界开始变得模糊，并伴随着小晶粒的出现；随着温度继续升高到490℃时（如图5c），出现少量的细小的等轴新的再结晶晶粒。由图5还可以看出，4032铝合金在热变形过程中，再结晶现象很不明显，再结晶不是该合金主要的软化机制，其主要软化机制是动态回复。