15%SiCP/8009铝基复合材料热压缩流变应力行为

王 宇， 滕 杰,2， 陈 爽， 罗海波， 唐柳莲,2, 张 辉,2

(1.湖南大学 材料科学与工程学院，长沙410082； 2. 湖南大学 湖南省喷射沉积技术及应用重点实验室，长沙410082)

15%SiCP/8009铝基复合材料热压缩流变应力行为

王 宇1， 滕 杰1,2， 陈 爽1， 罗海波1， 唐柳莲1,2, 张 辉1,2

(1.湖南大学 材料科学与工程学院，长沙410082； 2. 湖南大学 湖南省喷射沉积技术及应用重点实验室，长沙410082)

采用Gleeble-3500热模拟试验机对15%SiCP/8009铝基复合材料在温度为400～550 ℃和应变速率为0.001～1 s-1条件下的热变形流变行为进行研究。结果表明: 流变应力在开始阶段随应变的增加而增大，出现峰值后逐渐趋于平稳；流变应力随温度的升高而降低，随应变速率的增大而升高，呈现出正应变速率敏感性；流变应力行为可以用双曲正弦模型来描述，其热变形激活能为488.3853 kJ/mol，应力指数为7.19022。

SiC颗粒增强；铝基复合材料；热变形；流变应力；本构方程

颗粒增强铝基复合材料具有低密度、低膨胀、抗热疲劳、高比强度和高耐磨性等良好的性能[1-2]。其中采用SiC颗粒增强的铝基复合材料具有界面结合好、性能高、价格低、密度小等优点，目前广泛应用于航空航天、汽车、电子等高技术产业领域[3-4]。然而由于SiC颗粒与基体铝合金的热膨胀系数的差异，且SiC颗粒强度极高而脆，导致SiC颗粒增强的铝基复合材料的塑性加工性能变差。近年来，国内外学者对SiC颗粒增强铝基复合材料的热变形行为进行了大量研究。Patel等[5]研究了10%SiCP/2014铝基复合材料的热变形行为，发现在高Z值时软化机制为动态回复，低Z值时软化机制为动态再结晶。Tong等[6]对15%SiCP/6061铝基复合板料的热拉伸变形进行研究，得到其应变速率敏感指数是0.17，其激活能为370 kJ/mol。吴红丹等[7]对15%SiCP/7075铝基复合材料的热变形行为进行了研究，发现该材料在变形温度为450 ℃以及应变速率为0.001～0.1 s-1条件下表现出超塑性。

8009耐热铝合金是一种新型的高温铝合金，该合金的有效使用温度能达到300 ℃以上，加入SiC颗粒形成的SiCP/8009铝基复合材料可进一步提高其高温力学性能[8-9]。Xiao等[10]对8009耐热铝合金的高温热压缩流变行为进行了研究，Yan等[11]对8009耐热铝合金板高温拉伸变形进行了研究，但对SiCP/8009铝基复合材料的热变形流变行为鲜见有研究报道。本工作在Gleeble-3500热模拟机上对粉末冶金法制备的SiCP/8009铝基复合材料进行热压缩实验，研究其流变应力行为，建立流变应力本构模型，为优化制定SiCP/8009铝基复合材料挤压和锻造等热加工工艺和开展变形过程的有限元数值模拟分析提供必要的实验数据和理论依据。

1 实验材料及方法

实验所用材料为粉末冶金与挤压相结合制备的碳化硅颗粒增强铝基复合材料，该复合材料由快速凝固制备的8009 (Al-8.42Fe-1.29V-1.93Si) 铝粉和体积含量15%、平均尺寸为10 μm的SiC粉末均匀混合后包套制坯，经过除气，然后加热到460 ℃挤压成φ55 mm的棒材，材料金相组织如图1所示。将棒材用线切割加工成φ10 mm×15 mm的圆柱形压缩试样，在Gleeble-3500热模拟机上进行等温压缩实验。为了减小试样与压头之间的摩擦，压缩时在槽内填充石墨润滑剂，热压缩实验开始前，对试样进行加热，加热速率10 ℃/s，保温时间3 min。实验温度为400～550 ℃，应变速率为0.001～1 s-1，总应变量为60%(真应变)。由Gleeble-3500计算机系统自动采集应力、应变、压力、位移、温度及时间等数据，绘制真应力-真应变曲线。

图1 SiCP/8009铝基复合材料热变形前金相微观组织Fig.1 Microstructure of SiCP/8009 aluminum matrix composite before hot compression

2 实验结果

2.1 真应力-真应变曲线

图2为SiCP/8009铝基复合材料高温热压缩变形 时不同变形温度和应变速率条件下的真应力-真应变曲线。从图2可知，在变形的开始阶段流变应力随着变形程度的增加迅速增大，当流变应力到达峰值后逐渐下降至一稳定值，进入稳态流变阶段。该现象的产生是高温热压缩变形过程中复合材料加工硬化和流变软化共同作用的结果。在变形开始阶段，外加应力使位错密度急剧增加，交滑移导致的软化作用低于硬化，加工硬化处于主导地位。同时SiC颗粒在晶界处钉扎，阻碍位错的滑移，使得流变应力增大。随着真应变的不断增加，复合材料内部位错、空位等缺陷密度不断上升，晶内储能快速积累，动态软化与加工硬化达到平衡，应力逐渐稳定，此时进入稳态流变阶段。此外，在同一应变速率下，SiCP/8009铝基复合材料的流变应力随着温度的升高而明显下降，这是由于变形温度升高使金属原子动能增加，位错运动的阻力下降，空位、间隙原子等点缺陷也更加活跃，从而产生动态软化降低流变应力；在同一变形温度下，SiCP/8009铝基复合材料的流变应力随着应变速率的增大而增大，这说明此复合材料在该实验条件下具有正的应变速率敏感性。

图2 SiCP/8009铝基复合材料不同应变速率下真应力-真应变曲线Fig.2 True stress-true strain curves at different strain rates for SiCP/8009Al (a)0.001 s-1;(b)0.01 s-1; (c)0.1 s-1; (d)1 s-1

2.2 流变应力本构方程

金属材料的热加工变形是一个受热激活控制的过程，Sellars等[12]根据材料变形过程与高温蠕变过程的相似性，采用包含变形激活能Q和温度T的双曲正弦修正的Arrhenius关系来描述材料热加工变形过程中流变应力与变形温度及应变速率之间的关系：

(1)

F(σ)=σn(ασ<0.8)(低应力水平)

(2)

F(σ)=exp(βσ)(ασ>1.2)(高应力水平)

(3)

F(σ)=[sinh(ασ)]n(所有应力)

(4)

α=β/n

(5)

通常对所有应力状态(1)式表示如下：

(6)

式中：α为应力水平参数；n为应力指数；T为绝对温度；R为气体常数；σ为峰值应力。求出α，n，A，Q，即可描述材料的高温流变特性，该式在整个应力范围内可以较好地描述金属材料在热加工变形过程中的流变应力变化规律。

另外，Zener和Hollomon[15]于1944年提出并验证了变形温度和应变速率对流变应力的影响可以用温度补偿的应变速率因子Zener-Hollomon参数Z来描述：

(7)

对式(2)，(3)两边取对数：

(8)

(9)

由式(6)可得：

(10)

图3 不同变形温度下应变速率与流变应力之间的关系Fig.3 Relationship between strain rate and flow stress at different deformation temperatures (a) ln σ-ln

在一定的应变和应变速率下对式(10)中1/T求偏导得：

(11)

图4 不同变形温度下应变速率与流变应力之间的关系Fig.4 Relationship between strain rate and flow stress at different deformation temperatures

图5 不同应变速率下流变应力与变形温度的关系Fig.5 Relationship between flow stress and deformation temperature at different strain rates

对式(7)求对数得:

(12)

lnZ=lnA+nln[sinh(ασ)]

(13)

图6 ln Z与ln[sinh(ασ)]之间的关系Fig.6 Relationship between flow stress and Zener-Hollomon parameter

将上述过程所得出的材料常数代入式(1)可以得到SiCP/8009铝基复合材料热变形的流变应力方程：

(14)

将温度、变形速率代入获得的流变应力方程，得到计算峰值，求取计算峰值与实测峰值之间的相对误差(图7)。通过计算表明整体平均误差为5.726%。这表明该流变应力方程能较好地表征SiCP/8009铝基复合材料的高温流变行为。

图7 计算峰值与实测峰值之间的相对误差Fig.7 Relative error between the peak value and the measured peak

热变形激活能Q的大小可作为反映材料热加工难易程度的一个重要物理参数。上述求得SiCP/8009铝基复合材料的变形激活能为488.3853 kJ/mol，这比一般(2000系、6000系、7000系)SiC颗粒增强铝基复合材料激活能要高很多[5-7]，这是由于8009耐热铝合金本身塑性较差，合金中存在高体积分数的α-Al12(Fe,V)3Si 热稳定弥散颗粒，使得其变形比较困难[16]。同时，这比基体8009耐热铝合金激活能(300 kJ/mol)要高[17]，这是由于SiC颗粒的加入，变形中在绕过较大尺寸的颗粒时，需要较高的应力，使得材料变形困难，导致激活能明显提高。

3 结 论

1) SiCP/8009铝基复合材料高温热压缩变形时流变应力开始随应变的增加而增大，出现峰值后逐渐趋于稳态流变特征。流变应力随变形温度的升高而降低，随变形速率的提高而增大，表现出正的应变速率敏感性。

2) 可用包含Zener-Hollomon参数的双曲正弦关系来描述SiCP/8009铝基复合材料热变形流变行为，其流变应力方程为：

[1] 冉娜，谢娥，李坤，等．SiC颗粒增强铝基复合材料的制备及性能[J]．现代机械，2012(2)：84-85+94．

(RAN N，XIE E，LI K，etal． Preparation and properties of SiC particulate reinforenced aluminium matrix composites[J]. Modern Machinery，2012(2)：84-85+94)

[2] SOLIMAN M，EL-SABBAGH A，TAHA M，etal．Hot deformation behavior of 6061 and 7108 Al-SiCpcomposites[J]．Journal of Materials Engineering and Performance，2013，22(5)：1331-1340.

[3] THOMAS M P，KING J E．Improvement of the mechanical properties of 2121Al/SiCpMMC plat by optimization of the solution treatment[J]．Composites Science and Technology，1996，(56)：1141-1149．

[4] 崔岩．碳化硅颗粒增强铝基复合材料的航空航天应用[J]．材料工程，2002(6)：3-6．

(CUI Y．Aerospace applications of silicon carbide particulate reinforced aluminium matrix composites[J]． Journal of Materials Engineering，2002(6)：3-6)

[5] PATEL A，DAS S，PRASAD B K．Compressive deformation behaviour of Al alloy (2014)-10wt.% SiCpcomposite： effects of strain rates and temperatures[J]． Materials Science and Engineering: A，2011，530(1)：225-232．

[6] TONG G Q，CHAN K C．Deformation behavior of a PM Al6013/15%SiCPcomposite sheet at elevated temperature[J]． Materials Letters，1999，38(5)：326-330．

[7] WU H，ZHANG H，CHEN S，etal． Flow stress behavior and processing map of extruded 7075Al/SiC particle reinforced composite prepared by spray deposition during hot compression[J]．Transactions of Nonferrous Metals Society of China， 2015，25(3)：692-698．

[8] 张荣华，朱宝宏，郑小平．挤压态喷射成形8009耐热铝合金组织性能的研究[J]． 热加工工艺，2015(4)：61-62．

(ZHANG R H， ZHU B H， ZHENG X P．Microstructure and mechanical properties of extruded spray forming 8009 heat resistant aluminum alloy[J]．Hot Working Technology，2015(4)：61-62)

[9] ZHU S J，PENG L M，MA Z Y，etal．High temperature creep behavior of SiC whisker-reinforced Al-Fe-V-Si composite[J]．Materials Science and Engineering: A，1996，215(1)：120-124．

[10] XIAO Y，WANG W，LI W．High temperature deformation behavior and mechanism of spray deposited A1-Fe-V-Si alloy[J]．Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2007，17(6)：1175-1180．

[11] YAN Q，FU D，DENG X，etal．Tensile deformation behavior of spray-deposited FVS0812 heat-resistant aluminum alloy sheet at elevated temperatures[J]．Materials Characterization，2007， 58(6)：575-579．

[12] SELLARS C M，MCTEGART W J．On the mechanism of hot deformation[J]．Acta Materialia，1966，14：1136-1138．

[13] 孙鹏，李志辉，熊柏青，等．喷射成形超高强铝合金热压缩过程中的流变行为[J]．航空材料学报，2014，34(3)：8-14．

(SUN P，LI Z H，XIONG B Q，etal．Flow stress behavior of spray-formed ultra-high strength aluminum alloy during compression at elevated temperature[J]． Journal of Aeronautical Materials，2014，34(3)： 8-14．)

[14] 赵业青，李岩，鲁法云，等．7150 铝合金热变形行为及微观组织[J]．航空材料学报，2015，35(3)： 18-23．

(ZHAO Y Q，LI Y， LU F Y，etal．Flow stress behavior and microstructure of 7150 aluminum alloy during hot deformation[J]． Journal of Aeronautical Materials，2015，35(3)：18-23．)

[15] ZENER C，HOLLOMON J H．Effect of strain-rate upon the plastic flow of steel[J]．Journal of Applied Physics，1944，15(1)：22-27．

[16] SUBHASH C K，ALAN L Y，MICHAEL J K．Creep and microstructure stability of dispersion strengthened Al-Fe-V-Si-Er alloy[J]．Materials Science and Engineering: A，1993，167(1/2)：11-21．

[17] 彭良明，朱世杰，陈浩然，等．Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si合金的压缩蠕变行为[J]．材料工程，1998(4)：26-28．

(PENG L M ，ZHU S J，CHEN H R，etal．Compression creep behavior of Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si alloy[J]．Journal of Materials Engineering，1998(4)：26-28)

(责任编辑：徐永祥)

Flow Stress Behavior of 15%SiCP/8009 Aluminum Matrix Composite During Hot Compression Deformation

WANG Yu1, TENG Jie1,2, CHEN Shuang1, LUO Haibo1, TANG Liulian1,2, ZHANG Hui1,2

(1. College of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China; 2. Hunan Province Key Laboratory for Spray Deposition Technology and Application, Hunan University, Changsha 410082, China)

The flow stress behavior of 15%SiCP/8009 aluminum matrix composite at deformation temperature of 400-550 ℃ and strain rate of 0.001-1 s-1was studied by hot compression testing on the Gleeble-3500 thermal-mechanical simulator. The results show that the flow stress increases initially and reaches a plateau after peak stress value with the increase of strain. The peak stress increases with the increase of strain rate and deformation temperature. The flow stress behavior can be described by the hyperbolic sine constitutive equation with the deformation activation energyQof 488.3853 kJ/mol and the stress indexnof 7.19022.

SiC particle reinforced; aluminum matrix composites; hot compression; flow stress; constitutive equation

2016-08-09；

2016-10-22

湖南省战略性新兴产业科技攻关与重大科技成果转化项目(2014GK1063,2016GK4056)；国家自然科学基金 (51574118)

张 辉(1963—)，男，博士，教授，主要研究方向为金属基复合材料，(E-mail) zhanghui63hunu@163.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.000140

TG146.2

A

1005-5053(2017)02-0007-06