7050铝合金热压缩本构方程

沈文涛 张 鹏 高 蕾 孙丙金

(中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司，四川618000)



试验研究

7050铝合金热压缩本构方程

沈文涛 张 鹏 高 蕾 孙丙金

(中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司，四川618000)

利用Gleeble-3800热模拟试验机进行了7050铝合金热轧板材高向试样在应变速率0.01 s-1～3 s-1，变形温度为250～450℃条件下的恒速率等温压缩实验。得到了材料的流变应力曲线，分析了合金的流变应力变化特征，建立了合金的流变应力本构方程，为采用7050铝合金热轧板材作为坯料进行热加工工艺提供了理论依据。

7050铝合金；热变形；应力-应变曲线；本构方程

铝合金具有密度小、比强度高、疲劳强度好及抗应力腐蚀等优点，在国民经济的发展中起着巨大的作用。铝合金锻件是铝合金制品中非常重要的一种形式，具有组织均匀、力学性能好等优点，主要应用于航空航天、交通运输、船舶、能源动力、石油化工等领域特别重要的承力结构部件。7050铝合金是在7075基础上提高Zn、Cu含量以及Cu/Mg的比值，并用Zr代替Cr，克服了淬火敏感性问题，调整了晶粒尺寸，使其具有更高的强度、断裂韧性以及抗应力腐蚀性能[1]，广泛应用在飞机主承力结构件上，如机身框架、舱壁、桁条、托架、起落架支撑部件等。

有些铝合金锻件的生产坯料直接采用热轧板材，但铝合金铸锭经过轧制后形成板材结构，强烈的各向异性影响材料锻造成型过程，因此需要研究铝合金热轧板材高度方向的高温流变行为。本文利用Gleeble-3800热模拟试验机研究了7050铝合金热轧板材高度方向在恒速率等温压缩条件下的高温流变行为，并建立了合金的高温变形本构方程。

1实验材料与方案

实验用料为国内某公司提供的热轧板材，其化学成分见表1。沿板材高度方向取样，加工成两端具有0.1 mm凹槽的∅8 mm×12 mm圆柱形试样，热压缩前将试样加热至470℃，保温300 s后快速冷却，使材料等温压缩时具有相同的原始组织。实验在Gleeble-3800热模拟试验机上进行，变形温度250～450℃，应变速率0.01 s-1～3 s-1，真应变为0.69，等温压缩时试样两端凹槽填充石墨润滑剂。

表1 热轧板材化学成分(质量分数，%)

2 实验结果与讨论

2.1 真应力-真应变曲线

材料变形过程中的真应力-真应变曲线反映了流变应力与变形条件之间的内在联系，是材料内部组织变化的宏观表现[2]。图1为不同变形条件下7050铝合金热轧板材高向的真应力-真应变曲线。由图1可见，材料的流变应力与变形温度、变形速率相关。相同温度下，随着应变速率的增大，峰值应力逐渐增大，达到峰值应力所需的应变量逐渐增大。相同的应变速率下，随着温度的升高，峰值应力逐渐减小，出现峰值应力所需应变量减小。随温度的升高和应变速率的减小，发生动态再结晶所需要累积的变形能减小，峰值应变逐渐减小。

从图1可见，250℃与350℃材料变形曲线特征相似，主要经过加工硬化阶段、过渡变形阶段和稳态变形阶段。在真应变未达到0.05时材料主要处于加工硬化阶段，宏观表现为材料变形抗力随变形量的增加而迅速升高。当真应变达到0.05后，材料处于过渡变形阶段，宏观表现为材料的变形抗力上升速度减慢， 此时出现“软化”现象，通过与典型的动态回复和再结晶曲线对比，可初步认为主要的软化机制是动态回复。随着变形量进一步升高，位错密度进一步增大，超过一定变形量后变形储存能成为再结晶的驱动力，发生动态再结晶“软化”。当“软化”速率与硬化速率平衡时，应力达到最大值，随着动态再结晶的进行，软化速率大于硬化速率，应力值逐渐下降，逐步进入稳态变形阶段。400℃与450℃材料变形曲线特征相似，主要经过加工硬化阶段、稳态变形阶段，并具有明显的峰值应力，可判断材料达到一定变形量后发生动态再结晶，进入稳态变形阶段。

2.2 流变应力本构方程

材料高温变形是一个热激活过程，其流变应力与相关变形参数(应变速率、应变和温度)之间的关系可用受热激活控制的动力学方程来表示[3]：

适用于低应力水平(ασ<0.8)：

适用于高应力水平(ασ<1.2)：

适用于所有应力水平：

将基于上述四式构造7050铝合金高温变形本构方程，分别对方程式1、2、3、4两边同时取对数，可得：

取0.5真应变处应力：

依据方程式8，对lnZ-ln[sinh(ασ)]作图，线性回归得到直线的截距lnA平均值为30.2，如图2所示，则A=1.305 2×1013。

根据双曲正弦函数的定义及方程式4，可将σ表达成Zener-Hollomon参数Z值的函数：

图2 线性回归图

将求得的相关系数带入方程式3，可以得到适用于所有应力状态的7050铝合金应力-应变速率方程为：

包含Z参数的7050铝合金流变应力本构方程为：

3 结论

(1)7050铝合金在恒速率等温热压缩过程中有明显的动态回复和动态再结晶现象，相同温度下，随着应变速率的增大，流变应力峰值逐渐增大；相同的应变速率下，随着温度的升高，峰值应力逐渐减小。

(2)7050铝合金高温变形激活能为Q=177 899J/mol，建立了适用于所有应力状态的7050铝合金应力-应变速率方程。

(3)建立了包含Z参数的7050铝合金流变应力本构方程。

[1] 刘世兴，田世兴，陈昌麒. 7050铝合金锻件的力学性能和断裂机制研究[J]. 材料工程，1996(4):34-37.

[2] 王德尊. 金属力学性能[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1989：6-8.

[3] 胡会娥. 7050铝合金高温变形行为及微观组织演化[D]. 哈尔滨工业大学，2008.

[4]J.P.Poirier，关德林. 晶体的高温塑性变形[M]. 大连：大连理工大学出版社，1989：30.

编辑 杜青泉

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Constitutive Equation of Hot Compression for 7050 Aluminum Alloy

Shen Wentao, Zhang Peng, Gao Lei, Sun Bingjin

By using Gleeble-3800 thermal simulation testing machine, the constant speed and temperature compression test has been performed on the sample taken from 7050 aluminum alloy hot rolled plates under conditions with strain rate of 0.01 s-1～3 s-1and deformation temperature of 250～450℃. The flow stress curve of material has been obtained. By analyzing the change characteristics of flow stress, the constitutive equation for flow stress of alloy has been established, so as to provide the theoretical basis for performing the hot working processes on 7050 aluminum alloy hot rolled plates.

7050 aluminum alloy; hot deformation; stress-strain curve; constitutive equation

2016—07—01

TG122

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