BFe10-1-1铜合金的热压缩本构方程

刘建波，宁爱林，刘顺同

(邵阳学院 机械与能源工程系，湖南 邵阳，422000)



BFe10-1-1铜合金的热压缩本构方程

刘建波，宁爱林，刘顺同

(邵阳学院 机械与能源工程系，湖南 邵阳，422000)

采用圆柱试样在Gleeble-3500数控热力模拟试验机上对BFe10-1-1铜合金进行等温压缩变形试验，研究了此合金在温度850℃、900℃和950℃以及应变速率0.01s-1、0.1s-1、1s-1和10s-1等不同变形条件下的热力学行为.结果表明：高温变形条件下，变形温度、变形速率以及变形程度对该合金的流变应力的影响显著.流变应力随变形温度的升高而变小，随变形速率的增大而变大，且当变形超过临界应变时，金属晶粒会发生明显的动态再结晶.并由此构建了该铜合金包含Arrhenius公式和Zener-Honllmon参数的流变应力本构方程.

BFe10-1-1铜合金；热压缩；流变应力；本构方程

BFe10-1-1合金，属于Cu90Ni10铜镍合金,对应美国牌号C70600，与国际标准型号CuNi10Fe1Mn一样[1]，是一种含镍较少的结构铁白铜，优异的抗腐蚀性能和抗污杀菌能力使得它在海洋工业中应用非常广泛，如电站、海水淡化工厂、海洋钻井平台等行业中大量使用的冷凝器、加热器和热交换器[1-5]。在国内，2005年以来白铜合金盘管生产技术已取得重大突破，并可用于批量生产；近年来我国逐步缩短了与世界先进国家技术的差距，已跻身于白铜生产加工的大国[5]。

同时，该合金具有良好的塑性和焊接性能，适合多种加工工艺生产以及各种型材的制备，管材的热挤压生产就是其应用领域中的一个重要组成部分。该合金的再结晶温度为600℃～700℃，易于进行热轧、热挤压和热锻等热加工方法，热加工的温度范围一般选择850℃～950℃，因此研究BFe10-1-1铜合金的热变形力学行为对指导各应用领域里的热加工工艺制定与生产设备的选择有着重要的参考价值[1,3,4]。

1 实验

1.1 实验材料与实验设备

本实验所采用的Cu-Ni-Fe合金牌号为BFe10-1-1，购于深圳市龙岗区三和兴金属材料行，原始出厂状态为10的棒材，本次试验经过线切割下料准备后最终所用的试样尺寸规格为812mm.原厂材质报告中包含的力学性能参数为：抗拉强度b不小于275MPa，伸长率不小于28%，合金主要成分含量列于下表1中，初始晶粒尺寸约为50m.

本次热压缩实验所采用的设备是Gleeble 3500热模拟实验机[4,5]，其它用到的实验设备还有XJP-6A金相显微镜(最大放大倍数400)和XY-1200NT真空管式实验炉.

表1 BFe10-1-1铜合金主要成分含量表Table 1 Chemical composition of BFe10-1-1 copper alloy

1.2 实验方法与内容

根据BFe10-1-1铜合金的常用的热加工生产温度，确定热模拟试验条件如下：变形温度为850℃～950℃，真应变速率为0.01～10s-1，压缩真应变为0.8～1.2.在金相组织观察实验中，腐蚀剂选用的是三氯化铁的盐酸水溶液[3,8]，具体的配比为FeCl3(10g)、HCl(30ml)、H2O(120ml)，腐蚀的时间约为30-50s.

为尽量降低摩擦对变形的影响，在做等温压缩实验前，先将准备好的圆柱形试样两端加上涂有合适润滑剂的石墨片，这样可以有效避免产生严重的鼓形[14].接着再把处理好的试样置于Gleeble 3500 热力模拟试验机上进行等温热压缩试验，整个4阶段的实验过程示意曲线如下图1所示[9].

试样以10℃/s的速度加热到变形温度，然后保温210s，使试样加热均匀.然后再按照预定的要求进行等温压缩热变形，真应变为0.8(压缩程度约为55%)或1.0或1.2，压缩结束后立即进行惰性快速气体冷却，以保留高温变形的微观组织.真应力、真应变、压力、温度、位移、时间等实验数据均由Gleeble 3500 热模拟机计算机系统自动收集，其他导出数据利用 Origin 9.0软件提取[6,7].最终得到BFe10-1-1铜合金热压缩变形的流变应力曲线图.

图1 等温热压缩实验过程示意图Fig.1 The schematic of isothermal compression experiment

2 结果与分析

2.1 金相组织分析

根据制定的实验路线完成各条件下金相组织的观察实验，最终获得的部分金相图如图2(真应变均为0.8).在此说明，本实验中的热处理条件为把试样加热到目标温度后保温5分钟，然后用水淬保持高温组织.

图2 实验结果所获得的金相组织图：a表示950℃热处理过的状态; b表示950℃时且应变速率为1s-1热压缩后的状态; c表示合金出厂初始金相状态Fig.2 Microstructure of the experiment in 950℃ heat treatment (a); isothermal compression of 950℃ at strain rate 1s-1 (b) and the original state of the copper alloy (c)

从图2中可以看出，经过950℃热处理过的合金试样组织发生了明显的变化，内部晶粒发生了长大，而且可以粗略统计获得其平均晶粒尺寸由原来的50m左右变成了100m左右，一般晶粒长大了1～2倍.其次，在对比同一批热处理过程中的三个温度区别时，发现850℃、900℃和950℃热处理后的金属晶粒长大程度比较接近，由此说明BFe10-1-1铜合金晶粒在加热长大过程中，当温度达到其某一临界点时，其他影响晶粒长大的因素就占主导地位而不再是温度.

同时从此处的金相对比图可以看出，BFe10-1-1铜合金的组织晶粒很多都发生了动态再结晶，晶粒外形明显规则成了类似的等轴状.晶粒的大约平均直径由初始加热保温状态的100m变到了20～40m，约为原来晶粒状态的三分之一大小.

2.2 流变应力曲线

图3 相同变形温度下的真应力应变曲线比较图(真应变为0.8)Fig.3 True stress-strain curve under the same deformation temperature (True strain is 0.8)

从图3中可以看出，在同一变形温度和同等应变程度的条件下，随着应变速率不断变大，流变应力升高显著，同时这也说明BFe10-1-1铜合金具有正的应变速率敏感指数.且在热压缩变形初期也就是动态再结晶临界应变前，各变形条件下的曲线有非常明显的屈服硬化现象.

从图3与图4中各种对比曲线的分析可知：①在同一应变速率和同等应变量的条件下(特别是在应变速率为1s-1时)，随着变形温度的升高，流变应力大小都有比较明显的降低.②在较高变形温度(900℃以上)和较高应变速率(10s-1)的条件下，BFe10-1-1铜合金的应力应变曲线出现了明显的波浪形，也就是常说的稳态流变特征，这充分表明此合金在该变形条件发生了动态再结晶，动态再结晶的软化程度也随着应变速率的提高而变得更为明显.

图4 相同应变速率下的真应力应变曲线图(真应变为0.8)Fig.4 True stress-strain curve at the same strain rate (True strain is 0.8)

2.3 本构方程的构建

与金属的高温蠕变类似，金属的热变形通常也是一个热激活程[10,14].在大多数的高温塑性变形过程当中，如果材料动态软化表现得很明显，即至少能抵消加工硬化的效果，那么就可以认为该材料在此热加工变形过程时是应变不敏感的；这样在研究很多稳态加工就可以不考虑变形程度(应变量)的影响；也正因为这样，应变速率与流变应力的关系可以更加具体地表达为(1)所示的方程[7]

(1)

而应力函数f(σ)通常有三种形式分别如公式(2)中的(a)、(b)和(c)所示[3,4,7].

(2)

式中A1、A2、A、n1、n、β、α均为材料常数.其中(a)为指数函数类型，更适用于低应力水平也即一般的高温低应变速率条件，此变形过程的主导微观机制是扩散；(b)为幂法则形式，更适用于高应力水平也就是通常的低温高应变速率条件，该过程的变形主要是由位错滑移控制；Sellars和Tegart等人总结了前面的(a)、(b)两式并加以修正，就得到了一个更加普遍适用于热变形各条件关系之间的公式(c)，其实就是一种包括变形激活能(Q)和温度(T)的双曲正弦修正型的Arrhenius模型[3,11,12,14]，且各项参数满足关系式(3)

(3)

结合以上分析，根据所做实验数据与二次分析、处理所得的各项参数值如表2所示.利用对数转换、数据线性回归等处理方法可求得各参数相关线性直线如图5所示[3,7,11].变形激活能的求解表达式如(4)所示，最终所求各项参数值如表3所示，实验流变应力本构方程结果如式(5)所示，转换后的含Z参数表达式如式6所示[11-14].

(4)

表2 实验数据所求各相关参数项的值Table 2 Parameter values of the relevant experimental data

表3 模型最终所求各项参数值Table 3 Parameter values of the relevant model

(5)

(6)

图5 各相关参数值的回归分析：(a)峰值应力ln(σp/MPa)与应变速率的关系; (b)峰值应力(σp/MPa)与应变速率的关系; (c)峰值应力ln[sinh(ασ)]与应变速率的关系; (d)峰值应力ln[sinh(ασ)]与温度(1/T)的关系Fig.5 Regression analysis of the relevant parameters:(a) the relationship between peak(b)the relationship between peak stress σp/MPabetween peak stress ln[sinh(ασ)]and strain ratestress ln[sinh(ασ)]and temperature 1/T

3 结论

综合本次热压缩实验研究可总结如下：①BFe10-1-1铜合金高温塑性变形时存在稳态流变特征，动态再结晶的发生是其组织演变的主要机理，变形程度、变形温度以及变形速率都是其重要控制参数.②合金在变形温度在850℃，应变速率在0.1s-1条件以上时均能发生动态软化和再结晶现象.③由实验数据计算所求的BFe10-1-1铜合金的变形激活能为194.02KJ/mol，且流变应力模型为：

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Constitutive equation of BFe10-1-1 copper alloy during hot compression

LIU Jianbo,NING Ailin,LIU Shuntong

(Department of Mechanical and Engergy Engineering,Shaoyang University,Shaoyang 422000,China)

Thermodynamic behavior of BFe10-1-1 copper alloy was investigated in isothermal compression experiment using cylindrical specimens on the Gleeble-3500 thermal simulation testing machine,deformation conditions of which go with temperature at 850℃,900℃ and 950℃ and strain rate of 0.01s-1、0.1s-1、1s-1and 10s-1.The results show that flow stress is affected significantly by the conditions of high temperature deformation,deformation temperature and strain rate.Flow stress decreases with the increasing deformation temperature and increases with the increasing deformation rate,and dynamic recrystallization of metal crystal will go obviously when the deformation strain exceeds a critical value.Flow stress constitutive equation of this copper alloy is constructed which contains the Arrhenius formula and Zener-Honllmon parameters.

BFe10-1-1 copper alloy;hot compression;flow stress;constitutive equation

1672-7010(2016)02-0095-07

2016-04-06

邵阳学院研究生科研创新项目(CX2015SY033)

刘建波(1991-)，男，邵阳学院2014级硕士研究生，从事金属材料加工研究

宁爱林(1956-)，男，湖南邵东人，博士，教授，从事金属材料强韧化研究；E-mail: nal57@163.com

TG319；TG146.1+1

A