7AXX铝合金在热压缩状态下的流变行为

2019-04-22李昂

原子能科学技术 2019年3期

李昂

(核工业理化工程研究院，天津 300180)

7AXX高强铝合金具有优异的性能，如高比强度、良好的断裂韧性和耐特殊介质腐蚀性，被广泛应用于航空、航天、核工业等领域[1-2]。由于其合金化元素总含量明显提高，该种合金的热变形加工难度较传统7系铝合金更高，特别是在加工特殊形状的零部件过程中易出现热开裂现象[3]。合金的微观结构决定了材料的机械性能，合适的热加工工艺参数有助于优化材料的微观结构和整体性能。为有效避免材料在热加工过程中开裂,提高材料的综合力学性能，研究7AXX铝合金在热变形过程中的流变行为具有重要意义。

Cerri等[4]对7075铝合金进行了温度250～450 ℃、应变速率0.05～5.0 s-1的热扭转实验，确定了其峰值应力与应变速率符合双曲正弦关系。王煜等[5]采用BP神经网络方法推导出挤压态7075铝合金的流变应力本构关系模型。Guo等[6]采用热加工图的方法确定了7050铝合金的最佳热加工参数范围。然而，关于7AXX铝合金热加工的流变行为研究却少有报道。

本实验采用恒应变速率等温压缩实验研究7AXX铝合金的流变行为，通过线性回归方法拟合7AXX的流变应力表达式及热变形本构方程。根据动态材料模型(DMM)理论，绘制7AXX铝合金在不同应变下的功率损耗图及塑性失稳图，为最终确定该合金的热加工工艺提供理论依据及数据支持。

1 实验材料及方法

实验所用原材料为北京航空材料研究院真空熔炼的7AXX铝合金φ70 mm半连续铸锭。均匀化处理后，将锭料加工成φ10 mm×15 mm的圆柱，在Gleeble-3500热模拟试验机上进行等温恒定应变速率压缩实验。变形温度设定为360、380、400、420、440、460 ℃，应变速率为0.001、0.01、0.1、1 s-1，压缩变形量为70%(真应变0.916)。为减小摩擦效应对样品应力状态的影响，将润滑剂涂覆在圆柱形样品的两端并垫上石墨片。用电阻对样品进行加热，加热至变形温度后保温1.5 min。在压缩实验中，每间隔0.05的真应变输出相应应变下的流动应力数值。

2 实验结果

在不同应变速率和变形温度下，7AXX铝合金在热压缩状态的真应力σ-真应变ε数据如图1所示。从图1可看出，流变应力在变形开始时迅速增长，在真应变达到一定临界值后，大多数实验条件下的流变应力随真应变的增加无显著变化，表现出明显的稳态流变特性。当应变速率为1 s-1时，流变应力数据呈增加的趋势。随着变形温度的降低、应变速率的提高，7AXX铝合金的峰值应力及稳态应力亦明显增加。应变速率越高，流变应力的增加越明显，这表明7AXX铝合金属于正应变速率敏感材料。

3 分析与讨论

3.1 热变形条件对7AXX铝合金流变应力的影响

1) 变形温度对合金流变应力的影响

图2示出了当应变速率为0.1、0.01 s-1时7AXX铝合金在不同变形温度下真应变0.5处的流变应力。从图中数据可知，在应变速率0.1、0.01 s-1的条件下，460 ℃的流变应力较360 ℃的流变应力分别降低了39.7%、35.5%。合金的流变应力随变形温度的升高而降低，这主要是因为温度的升高导致铝合金内部的位错阻力减小，位错运动能力增强，产生多个滑移系。另外，随着温度的升高，晶界的弱化效果变得越来越显著，晶界更易于滑动，合金的变形抗力进一步降低。

应变速率，s-1：a——1；b——0.1；c——0.01；d——0.001图1 7AXX铝合金的热压缩变形真应力-真应变数据Fig.1 True stress-true strain data of 7AXX aluminum alloy during hot compression

图2 7AXX铝合金在不同温度下的流变应力Fig.2 Variation of flow stress with deformation temperature in isothermal compression of 7AXX aluminum alloy

2) 应变速率对合金流变应力的影响

图3示出了在变形温度400～440 ℃范围内，7AXX铝合金在不同应变速率下真应变0.5处的流变应力。从图3数据可知，在变形温度400、420、440 ℃的条件下，1 s-1的流变应力较0.001 s-1的流变应力分别提高了276%、360%、440%。合金的流变应力随应变速率的增加而增加，这主要是因为动态回复和动态再结晶均为扩散过程，应变速率的增加减少了位错的运动时间以及动态再结晶的形核长大，这就阻碍了材料的动态软化机制。

图3 7AXX铝合金在不同应变速率下的流变应力Fig.3 Variation of flow stress with strain rate in isothermal compression of 7AXX aluminum alloy

3.2 7AXX铝合金的热变形本构方程

对不同材料的研究结果表明[7-10]，金属或合金的高温塑性变形是一位错克服阻力运动的热激活过程，与高温蠕变过程类似。高温塑性变形的宏观参数，如温度、流变应力及应变速率均遵循阿仑尼乌斯关系，可用双曲正弦形式修正的方程表示：

(1)

根据不同的应力水平，流变应力、变形温度及应变速率之间的函数方程经简化有以下两种形式：

(2)

(3)

Zener-Hollomon参数[11]可描述高温塑性变形过程中材料的应变速率与温度之间的关系：

(4)

式中，Z为温度补偿应变速率因子，是材料在变形过程中的重要力学性能参数。

图4 7AXX铝合金的流变应力本构方程m拟合图Fig.4 ln σ-ln in isothermal compression of 7AXX aluminum alloy

图5 7AXX铝合金流变应力本构方程β拟合图Fig.5 σ-ln in isothermal compression of 7AXX aluminum alloy

为满足式(2)、(3)的应力条件，选取图4中440、460 ℃温度下的拟合线斜率，计算确定低应力水平下m=3.998 5。选取图5中360、380 ℃温度下的拟合直线斜率，确定在高应力水平下β=0.093 6。代入m、β，α的计算值为0.023 4。

取式(1)两边的自然对数，并将应力指数n视为常数，热变形激活能Q的表达式如下：

(5)

图6 7AXX铝合金流变应力本构方程n拟合图Fig.6 ln(sinh ασ)-ln in isothermal compression of 7AXX aluminum alloy

图7 7AXX铝合金变形温度与ln(sinh ασ)之间的关系Fig.7 1 000/T-ln(sinh ασ) in isothermal compression of 7AXX aluminum alloy

将式(1)代入式(4)，Zener-Hollomon参数与流变应力之间的关系为：

(6)

图8 7AXX铝合金sinh ασ与Z之间的双对数关系Fig.8 ln Z-ln(sinh ασ) in isothermal compression of 7AXX aluminum alloy

总结以上的计算结果，7AXX铝合金的热变形本构方程和包含Zener-Hollomon参数的流变应力表达式分别如下：

(sinh 0.023 4σ)3.21exp(-137 310/RT)

(7)

σ=42.74×ln{(Z/2.39×108)0.31+

[(Z/2.39×108)2+1]0.16}

(8)

3.3 7AXX铝合金的热加工图

在一定的变形温度和应变速率下，热加工图能成功反映在材料变形的过程中内部组织的变化机理[14]。热加工图可用于分析和预测材料在不同变形条件下的变形特征和变形机理，达到优化热加工工艺和避免缺陷的目的。

基于DMM，Prasad[15]建立了材料的功率耗散图和塑性失稳图。功率耗散值η属于无量纲参数，取决于应变、应变速率和温度，其物理意义是材料的微观组织演变所消耗的能量与线性耗散能的比值。η的表达式为：

η=J/Jmax=2m1/(2m1+1)

(9)

目前在使用DMM理论绘制加工图时，大多选择Prasad构建的失稳判据。基于大应变塑性变形原理和不可逆热力学极值，Prasad提出了最大熵产生率原理。在一定温度和应变下的Prasad流变失稳判据[15]为：

(10)

在本研究中，分别提取7AXX铝合金在不同应变速率和变形温度下真应变0.6、0.9对应的流变应力，基于DMM，建立了不同真应变下的功率耗散图及塑性失稳图，如图9所示。加工图上的阴影区域表示理论上的流变失稳区，而失稳区以外的区域称为加工安全区。材料的加工性能越好，对应于安全区的功率耗散值就越大。从图9可看出，加工图上的功率耗散等值线和失稳区的分布明显受到应变的影响。当应变从0.6提高至0.9时，加工图上的功率耗散值有所提高，变形温度385～410 ℃、应变速率0.1～1 s-1范围内的失稳区消失，对应于变形温度360～385 ℃、应变速率0.05～0.002 s-1的失稳区有所扩展。这表明应变的加大有利于提高7AXX铝合金在中高温区域(温度不小于385 ℃)的加工效率及安全性。从图中还可看出，7AXX铝合金存在两个明显的低功耗区域：变形温度390～410 ℃、应变速率0.001～0.005 s-1区域和变形温度360～385 ℃、应变速率0.01～0.37 s-1区域，以上两区域的功率耗散值均不超过0.25。一般来说，在安全加工区域内，功率耗散值越低，材料越不易加工，因此在选择7AXX铝合金的热加工参数范围时应避开以上两个区域。

a——ε=0.6；b——ε=0.9图9 7AXX铝合金的热加工功率耗散图及失稳图Fig.9 Processing maps in isothermal compression of 7AXX aluminum alloy

a——350 ℃；b——420 ℃；c——450 ℃；d——465 ℃图10 不同锻造温度下锻件的金相组织[3]Fig.10 Optical microstructure of 7AXX aluminum alloy at different forging temperatures[3]

图10为7AXX铝合金锻件在不同锻造温度下的金相组织[3]。观察区域的真应变接近0.9，应变速率为0.1 s-1。从图10可发现在锻造温度分别为350、420 ℃时，7AXX铝合金锻件毛坯内部未发生再结晶现象。当锻造温度提高至450 ℃时，锻件内部部分区域存在再结晶现象，而当加热温度设定为465 ℃时，毛坯内部金相组织再结晶较重，表现出浅过烧迹象。考虑到材料的变形组织及锻造工艺的效率问题，7AXX铝合金在热变形过程中较为稳妥的工艺参数范围是变形温度385～450 ℃、应变速率0.01～0.1 s-1。