CuNi10Fe1.6Mn铜镍合金热压缩流变应力行为研究

马艳霞，苑 伟，梁 晨，周铁柱

（中国船舶重工集团公司 第七二五研究所，河南 洛阳 471000）

铜镍合金由于具有良好的塑性成型性能、焊接性能、超强的抗腐蚀能力和抗污杀菌能力以及光亮的颜色，在石油化工、海洋舰船制造和工艺品制造等领域得到大量使用[1，2]。近年来，随着海洋工业的大力发展，对铜镍合金管和管件产品需求量迅速增加，因此提高生产效率和产品质量是具有重大意义的。

铜镍二元合金不论成分比例多少，组织结构始终为单一α相，但由于镍在铜中的扩散速度很慢，所以铜镍合金的样品容易出现成分不均匀的现象，组织有明显的树枝状枝晶结构的存在[3]，因此铜镍合金热变形的组织与性能主要取决于热变形工艺参数。目前，铜镍合金管主要采用热挤压的方法进行成形，生产过程中的加工参数一般根据实际经验来确定，不能有效地利用模具以及控制产品生产效率和质量。因此，本文采用热压缩实验方法，研究铜镍合金的热变形流变应力行为，为制定合理的热加工工艺提供理论依据[4]。由于实验过程中，铜镍合金的化学成分基本不变，也不会发生相变，本文将着重研究变形温度和应变速率对铜镍合金流变应力行为的影响。

1 实验过程

CuNi10Fe1.6Mn合金是在铜镍合金的基础上加入铁和锰等合金元素，能够细化晶粒、提升强度和耐腐蚀性[5]。其主要化学成分如表1所示。

表1 CuNi10Fe1.6Mn合金的化学成分

本实验所用合金铸锭经均匀化处理后，截取ø10x15mm的圆柱形式样，其中心轴线与铸锭的中心轴线平行。热压缩实验在Gleeble-1500热模拟机上进行，变形温度为800～1000℃，应变速率为0.01s-1、0.1s-1、1s-1、10s-1，总变形量为 60%。实验式样以 10℃/s的速度升至目标温度并保温5min，同时在实验时需在试样两端与压头接触处增加了一层薄石墨片来减少压缩过程中试样两端面与热模拟试验机压头间的摩擦。

2 实验结果与分析

2.1 真应力-真应变曲线

图1是CuNi10Fe1.6Mn合金在低温800℃和高温1000℃下的真应力-真应变曲线。从图中可以看出，在同一变形温度下，随着应变速率的增加，流变应力逐渐增加；在同一应变速率下，流变应力随着温度的上升而逐渐下降。合金的流变应力在变形初期快速上升至峰值应力，这一阶段以位错的产生增殖及相互之间的交互阻碍缠结为主，流变应力增大，发生加工硬化现象。当真应变达到一定数值时出现峰值应力，真应力不再随着真应变的增加而继续增加，呈现稳态流变的特征。这一阶段随着位错的运动和重排，动态回复和动态再结晶的软化机制逐渐与加工硬化达到动态平衡[6]。

图1 不同温度下的真应力-真应变曲线

2.2 热变形流变应力本构方程

金属的高温变形是一个热激活过程，形变激活能Q反映原子重排的能力。热变形时流变应力受到变形温度T和应变速率的影响，可用Arrhenius方程对实验数据采用数理统计的方法建立本构方程[7，8]，即：

式（1）可以根据较低应力水平和较高应力水平简化式（2）和式（3）：

式中：R——气体常数，取值8.314J/（mol·K）；

Q——高温形变激活能，J/mol。它反映了材料热变形的难易程度，也是材料在热变形过程中的重要力学性能参数；

n——应力指数，n=β/α；A、A1、A2、n1、β——与材料有关的常数。

根据本构方程模型，求解与BFe10-1.6-1合金相关的参数 n、β、α。对式（2）和式（3）两边取对数并整理得

根据前述实验数据，获取CuNi10Fe1.6Mn合金在不同变形条件下的峰值应力来计算材料变形本构方程，如表2所示。

表2 CuNi10Fe1.6Mn合金在不同变形条件下的峰值应力

图2 不同条件下，CuNi10Fe1.6Mn 合金 σ～ln、lnσ～ln的变化关系图

根据式（4），取图2a中高应力状态下，800～900℃下的三条拟合直线斜率的平均值可得β值：β=0.0789；根据式（5），取图2b中低应力状态下，900～1000℃下的三条拟合直线斜率的平均值可得n1值：n1=8.831；所以 α=β/n1=0.0089。

假定形变激活能Q与温度无关，对式（1）两边取对数并取对数，可得到

并对式（6）求偏微分可得变形激活能

图3 ln～ln[sinh（ασ）]与 ln[sinh（ασ）]～1000/T 的关系曲线

则形变激活能Q

变形温度和变形速率对材料热变形的影响可以用温度补偿变形速率因子Zener-Hollomom参数（简称 Z）来描述[9，10]：

对式（8）取对数得到：

绘制sinh（ασ）及其对应的lnZ的值的关系图并进行线性拟合，如图4所示。根据其截距可得lnA=28.48，则 A=2.337×1012。

图4 lnZ～sinh（ασ）的关系图

将求得的α、Q、n、A 的数值带入式（1）即可得到CuNi10Fe1.6Mn合金的峰值流变应力本构方程：

3 结论

（1）CuNi10Fe1.6Mn合金的流变应力随着应变速率的增加和应变温度的下降而逐渐上升。合金的流变应力在变形初期快速上升至峰值应力后不再发生明显变化，呈现稳态流变的特征。

（2）CuNi10Fe1.6Mn合金的热变形激活能是306.082KJ/mol，其高温变形的流变应力本构方程为：