7050 铝合金高温流变压缩本构方程的研究

刘金东，曹源源，赵志国，史丹丹，申晓丽

（航鑫材料科技有公司，山东 烟台 265706）

7050 属于高强度可热处理合金，具有极高的强度及抗剥落腐蚀性能，是航空航天和飞机行业应用的优秀选择。铝合金流变应力是材料在高温的基本性能之一，受变形温度、变形速率、形变量和合金化学成分的影响[5]。本课题在Gleeble3500 热模拟试验机上，采用圆柱试样进行高温流变压缩试验，建立该流变应力本构方程，为优化合金挤压、锻造轧制等热加工工艺提供理论依据。

1 试验

1.1 试验材料

所用材料为南山铝业公司提供的7050 铝合金铸锭，铸锭通过470℃/24h 均匀化处理，加工成Φ10×15 的圆柱试样。为了减少试样两端与砧子头之间的摩擦，避免“鼓肚”现象，在试样两端涂抹高温润滑剂，并在试样与砧子头之间加入石墨片。

1.2 试验方法

使用Gleeble-3500 热模拟试验机上进行高温流变压缩试验,变形温度300℃、350℃、400℃、450℃，应变速率0.01S-1、0.1S-1、1S-1、5S-1，升温速率10℃/S，加热至预定温度后保温5min，然后进行压缩，试样变形量为60%，试样压缩方向为铸造方向。

图1

2 实验结果及分析

2.1 真应力-真应变曲线

图1 中(1a)、 (1b) 、(1c) 、(1d)为变形温度为300～450℃，应变速率为0.01～5S-1，条件下得到该铝合金的真应力应-真变曲线图。由图可知流变应力与变形温度、应变速率有关，当应变速率一定时，峰值应力随着温度的升高降低；当变形温度一定时，峰值应力随着应变速率的增大而增大[9-12]。

由图1 真应力-真应变曲线，可将高温流变应力压缩试验分为3 个阶段。

第1 阶段：应力随着应变的增大迅速增加，较小的应变量产生了较高的流变应力，呈现出明显的加工硬化现象。第2 阶段：随着应变的增加，应力趋于稳定。随着变形的增加，流变应力进入稳态阶段，应力基本保持稳定。第3 阶段：随着应变的继续增大，应力出现缓慢增加的趋势。加工硬化效应略强于动态软化效应，从而造成应力随着应变的增加缓慢增大[5]。

2.2 变形温度对峰值应力的影响

由图1 可知，在相同的应变速率下，峰值应力随变形温度的升高而降低，且变形温度越高，动态软化效果越明显。随着温度的升高，材料热激活作用增强，原子的动能和扩散速率增加，原子间结合力减弱，位错运动的阻力减小，使得材料变形更加容易，从而导致峰值应力随着温度的升高而降低[6]。

2.3 变形速率对流变应力的影响

图1(1e)(1f)为在相同的变形温度不同应变速率下的流变应力-应变曲线。由图可知，峰值应力随应变速率的增大而增加。在材料的热变形过程中，同时存在着应变硬化和动态软化两个过程，随着应变速率的增大加工硬化作用增强；另一方面，应变速率提高变形时间减少，动态回复及动态再结晶由于变形速度太快，部分来不及进行，动态软化效果减弱，故而表现出峰值应力随应变速率的增大而增加，说明该合金为正应变速率敏感材料[7]。

3 本构模型的建立

金属材料的高温变形是一个热激活过程。Zener-Hollomon参数可以体现出变形温度与变形速率对变形行为的影响。7050铝合金的热变形行为的研究采用Sellars CM 和Tegart WJ 等提出的Arrhenius 方程[1-4]：

即：

（1）低应力水平条件下关系式描述为：

（2）高应力水平条件下关系式描述为：

（3）所有应力水平下：

式中，A1、A2、A、n、n1、、---------与变形温度无关的常数，A1、A2、A2为结构因子，s-1；n1、n 为应力指数；、为应力水平参数，MPa-1；且满足。

R---------摩尔气体常数， [8.3145 KJ·mol-1] ；

T----------绝对温度（K）。

分别对式（2）、（3）、（4）两边取自然对数可得到：

由式（5）、式（6）可知，利用试验所得的不同变形条件下的峰值应力（σ）与相应的应变速见表1，绘制和的散点图，分别对其进行一元线性回归拟合，得到关系图。可以用来描述7050 铝合金在等温热压缩过程中流变应力与应变速率之间的关系[6-8]。

表1 不同热变形条件下的峰值应力

利用Zener-Hollomon 参数Z 的双曲线正弦函数来描述[9]。Z参数表达式如下：

将式（8）带入式（4）可得到：

分别对式（8）、式（9）两边取对数得：

将不同变形温度下的应变速率和求得的Q=130.4KJ/mol 带入式（8），得到不同的变形条件下的值。绘制散点图，并进行线性回归拟合，见图2（c），根据图中直线斜率得到最终的n=5.9675，根据直线截距得到=23.267，计算得到A=1.27269x1010s-1。

4 结论

（1）7050 铝合金的激活能Q=130.4 KJ/mol，稳态流变应力方程为：

（2）采用Arrhenius 项的参数来描述的稳态流变应力方程为：