2195铝锂合金热变形流变行为与热加工图研究

周璇，肖华强，田雨鑫，黄飞龙，陈诺，陈月明

2195铝锂合金热变形流变行为与热加工图研究

周璇，肖华强，田雨鑫，黄飞龙，陈诺，陈月明

（贵州大学 机械工程学院，贵阳 550025）

研究2195铝锂合金在实验温度360～510 ℃、应变速率0.01～10 s−1条件下的热压缩变形行为，建立其本构模型及热加工图，获取该合金的安全加工工艺参数。采用Gleeble−3500热模拟试验机进行热变形实验，分析合金的流变行为及热加工图，结合微观组织阐述其热变形机理，并对所得最优参数进行热挤压实验验证。2195铝锂合金的流变应力随变形温度增加而减小，随应变速率增加而增加；其热激活能为203.643 9 kJ/mol、结构因子为1.943 9×1014、应力因子为0.013、应变硬化指数为5.883 9。确定合金的主要失稳区工艺参数区间为379～420 ℃、0.75～10 s–1和480～510 ℃、1～10 s−1，安全加工区间为440～510 ℃、0.01～0.25 s−1。铸态2195铝锂合金的屈服和抗拉强度分别仅为(179±6)MPa和(239±11)MPa，经热挤压实验后分别达到(605±6)、(633±3)MPa，分别提高了3.5和2.6倍；铸态合金的显微硬度仅为(115±1)HV，热加工后型材达到(178±4)HV，相较于铸态合金增加了54%。2195铝锂合金的流变行为符合正应变速率敏感特征，其安全加工区域集中在高温低应变速率区，主要发生了动态再结晶，实验型材在此区域表现出卓越的力学性能。

2195铝锂合金；热变形试验；流变应力；本构模型；热加工图

2195铝锂合金作为迅速发展的一种先进轻量化结构材料，具有低密度、高比强度、高耐腐蚀和耐高温等诸多优异性能，被广泛应用于运载火箭的液氧及低温推进剂贮箱，以及航天飞机的外部燃料箱及机身壁板等航空航天领域[1-4]。然而，随着铝锂合金在空天领域的广泛应用，使其具备高强的使用性能及较高的损伤容限成为当前亟需突破的关键任务。

近年来，国内外众多研究者对铝锂合金进行了热变形模拟实验，通过实验不仅分析了合金的流变应力规律，还可由真应力-真应变曲线建立本构方程。杨胜利等[5]采用等温热压缩试验研究铝锂合金在300～500 ℃的流变行为，发现其流变曲线受到变形温度、应变速率及应变量的影响，当变形温度低于410 ℃时，曲线存在明显的峰值应力，且由加工硬化、动态软化和稳定等3个阶段组成；当变形温度超过410 ℃时，峰值应力不明显。董宇等[6]通过热压缩实验研究了热轧态2050铝锂合金的高温塑性变形行为，建立了应变修正Arrhenius模型和Hensel-Spittel模型的统一本构方程，证明应变修正Arrhenius模型对合金在稳态流变阶段的拟合精度更高，而Hensel- Spittel模型能描述整个热变形过程的流变应力变化，适用于对精度要求不高但对整体性要求高的模拟。李旭等[7]对2195铝锂合金进行平面应变压缩实验，构建了含有双曲正弦关系的本构方程，得出该合金的激活能为278.208 kJ/mol。随着Zener−Hollomon参数值增加，合金的流变集中增加，合金的软化机制主要为动态回复，此外还有不连续动态再结晶形成。

对于大多数金属变形而言，适宜的加工参数是获得合格产品的关键，而热加工图是得到最佳热变形参数的有力工具[8-10]。迄今为止，已有不少文献对2195铝锂合金的热加工图进行研究。Wang等[11]对喷射态2195铝锂合金进行了440～550 ℃、0.01～10 s–1的热压缩试验，建立了该合金的热加工图，发现动态回复和动态再结晶是合金在高温低应变速率下组织演变的主导机制，且在较低应变速率下具有明显的动态回复特征。而在低温高应变速率下合金发生晶间开裂，流动应力减小导致形成失稳区，最终确定稳定变形区间为475～525 ℃、0.1～1 s−1。Zhang等[12]通过热变形模拟实验，观察在300～520 ℃时2195铝锂合金的微观组织演变，结合热加工图发现合金在变形过程中的软化机制在中温（300～360 ℃）时以不连续动态再结晶为主，在高温（420～520 ℃）时以连续动态再结晶为主。以2195铝锂合金在热压缩模拟实验过程中的热流变行为研究为出发点，构造出其本构模型和热加工图，结合热挤压实验验证，明晰其热变形内部组织的演变机理，获得了2195铝锂合金的最优热加工参数，为空天领域2195铝锂合金在实际热加工生产中工艺参数的选择提供了理论指导及技术支持。

1 实验

原材料为郑州轻研合金科技有限公司提供的铸态2195铝锂合金，化学成分见表1。与2195铝锂合金标准化学成分进行对比，其元素含量在标准范围之内。为消除铸态合金内部组织枝晶偏析等缺陷，将其进行440 ℃、16 h和480 ℃、20 h双极均匀化处理，然后使用线切割机加工成8 mm×12 mm的圆柱形试样，再对试样表面进行轻微的打磨处理。热压缩实验在Gleeble−3500热模拟试验机上进行，以5 ℃/s的速度到达设定温度后保温180 s。应变速率为0.01、0.1、1、10 s−1，变形温度为360、390、420、450、480、510 ℃，变形量为60%，真应变为0.916。热压缩试验结束后，将试样取出立即水淬，实验过程见图1。将实验后的试样沿轴向切开，磨抛制成金相试样，在光学显微镜下观察变形后的形貌特征。

表1 2195铝锂合金的化学成分

Tab.1 Chemical composition of 2195 Al-Li alloy wt.%

根据热加工图所得的安全热加工工艺参数进行热挤压实验，将双极均匀化处理后的2195铝锂合金加工成尺寸为100 mm×250 mm的圆柱形棒料，采用700 t卧式挤压机将其挤压成尺寸为50 mm×40 mm的L形型材，将挤压后型材先后进行固溶处理和人工时效处理，再进行室温拉伸性能和硬度测试。挤压型材出口截面尺寸和拉伸试样尺寸见图2。铸态和挤压态的拉伸和硬度样品的取样位置见图3。

图1 2195铝锂合金热变形实验示意图

图2 挤压型材出口截面尺寸及拉伸试样尺寸

图3 铸态和挤压态拉伸及硬度样品取样位置

2 结果与讨论

2.1 流变应力

2195铝锂合金热变形过程中不同应变速率下的真应力-真应变曲线见图4。由图4可知，其流变应力随变形温度增加和应变速率降低而减小。整体而言，在变形初期存在应力快速上升阶段，随后应力到达某一值并缓慢上升直至顶峰，最后逐渐稳定或缓慢下降到一定值后趋于稳定，整个曲线走向符合稳态流变特征。

研究表明[13-14]，材料的热变形是加工硬化和动态软化的过程，在变形初始阶段，位错密度急剧增加，形成位错缠结和位错胞，主要发生加工硬化，因而流变应力急剧上升。随着流变应力进一步增加达到峰值后，合金内部的动态回复和动态再结晶行为逐渐占据主导地位，材料出现明显软化，于是曲线开始缓慢下降。而当位错增殖速率和位错消失速率相等时，加工硬化和动态软化达到动态平衡，曲线进入稳态流变阶段。

由图4b可知，当应变速率为0.1 s−1时，在峰值后曲线出现明显的波浪状。这是由于当变形进行到一定程度时，位错密度积累，晶粒中存储能增高触发新晶粒的形成，动态再结晶占据主导地位，导致曲线开始逐渐下降；由于应变速率较低，位错密度增长速度较慢，没有足够的存储能来一直触发新晶粒的形成，此时以硬化为主，曲线重新上升。如此反复进行，从而出现波浪状的曲线。而在高应变速率下，位错产生速度比较快，有足够多的存储能来激励它形成新晶粒，新晶粒产生的软化和位错增殖产生的硬化达到了平衡，此时曲线达到了一种稳定状态。

图4 2195铝锂合金不同应变速率下的真应力−真应变曲线

2195铝锂合金在不同变形条件下的峰值应力见图5。流变应力作为合金热加工过程中的重要力学行为指标，通常选用峰值应力表示。由图5可知，当应变速率不变时，随着变形温度升高变形过程的峰值应力逐渐减小；当变形温度恒定时，应变速率越大峰值应力越高。可见，2195铝锂合金具有明显的正应变速率敏感特征。在变形过程中，由于温度的升高，导致原子热运动加强，使得材料的变形抗力降低，增强了位错运动能力，同时加强了动态回复和动态再结晶作用，降低了峰值应力。在高应变速率下，单位时间内产生的位错更多，变形抗力提升，同时材料内部进行动态回复和动态再结晶的时间变短，导致软化效果不充分，因此峰值应变增加。

图5 2195铝锂合金在不同变形条件下热压缩变形的峰值应力

2.2 本构方程

Arrhenius本构模型反映了材料在高温变形下的流变应力、应变速率与变形温度的关系[15-17]。其中，变形温度和应变速率对变形行为的影响可用Zener-Hollomon参数表示，见式（1）。

式中：为材料的温度补偿应变速率因子；为应变速率，s−1；为变形激活能，kJ/mol；为气体常数，通常取=8.314 J/(mol·K)；为变形温度，K。

应变速率、流变应力和变形温度之间的关系可以表示为式（2）。

式中：为常数。其中，()在不同应力状态下可表示为式（3）。

式中：为流变应力，MPa；1为常数，应力因子=/1。

将任意应力状态下的()结合式（2）代入式（1）中，可得到材料的参数见式（4）。

1988 年沪嘉高速公路——我国大陆第一条高速公路建成通车。30年来，我国高速公路发展从无到有，从疏到密，总里程世界第一，创造了世界道路建设史上的奇迹。

由双曲正弦函数定义可知式（5）。

由式（4）—（5）得出流变应力关于参数的函数，见式（6）。

将式（2）中3种表达式的两边分别取对数，得到式（7）—（9）。

取各变形条件下的峰值应力为流变应力，代入式（7）—（8）得到ln−和ln−ln曲线（图6）。ln−和ln−ln曲线分别对应高应力和低应力状态，由图5的峰值应力可知，应力较高的温度为360、390、420 ℃，应力较低的温度为450、480、510 ℃。因此，取图6a中应力较高的温度360、390、420 ℃的斜率得到值（0.091 6），取图6b中应力较低的温度450、480、510 ℃的斜率得到1值（7.074 7），则可得应力因子=0.013 0，将其代入式（9）得到ln−ln[sinh()]曲线（图6c），取拟合曲线斜率的平均值可得应变硬化指数=5.883 9。

假设不考虑温度，对式（9）进行微分，对任意应力状态下的激活能可表示为式（10）。

变换可得式（11）。

图6 应变速率与流变应力关系曲线

由式（4）两边取对数得式（12）。

将激活能Q代入式（4）中，求出Z参数，再将Z参数结合式(12)可得到ln Z−ln[sinh(ασ)]曲线，见图7。拟合曲线的截距为lnA=32.900 9，计算出材料的结构因子A=1.943 9×1014。

综上所述，建立了2195铝锂合金的本构方程见式（13）—（15）。

2.3 热加工图

热加工图常用于表征材料在不同加工条件下的可加工性，由流变失稳图和功率耗散图组合而成，被认为是优化热加工参数和控制微观结构的重要工具[5, 20]。利用热加工图，可直接获取材料在热加工条件下的安全加工区域和失稳区域。安全加工区域以材料高温动态回复、动态再结晶和超塑性特征为主，可在该区域内选择适宜的热加工工艺参数；相反，失稳区主要表现为形成绝热剪切带、局部塑性流动、机械孪晶、空洞形核及开裂等现象，热变形过程应尽量避免在失稳区内进行[21-23]。

根据Prasad等[24]对热加工图的建立原理，求解绘制出2195铝锂合金的热加工图。真应变为0.3、0.5和0.7的热加工图见图8，其中等高线上的值为功率耗散系数，阴影部分为失稳区。由图8可知，真应变对功率耗散系数有一定影响，但整体变化趋势不大。有研究[8, 25-26]表明，功率耗散系数>0.3的区域为高耗散区，主要发生动态回复和动态再结晶等安全变形机制。3种不同真应变下的热加工图的高耗散区基本一致，主要集中在440～510 ℃、0.01～0.25 s−1的高温低应变速率区域，当变形参数为480 ℃、0.01 s−1时，功率耗散系数达到峰值，3种不同真应变下的热加工图的峰值耗散系数分别为0.48、0.46和0.47。在热变形中，高温有利于位错的充分运动，同时低应变速率使合金有足够的时间来实现动态回复，而在高温下晶粒迅速长大，发生连续动态再结晶，其对功率耗散的贡献相较于动态回复更占优势，从而形成功率耗散峰值区。

当真应变从0.3增加到0.7时，热加工图中的失稳区有略微变化，但在低温高应变速率区域都存在一个主要的失稳区，变形参数区间为379～420 ℃、0.75～10 s−1。当变形温度低和应变速率高时，合金内部形成的亚晶粒尺寸小，加工硬化在变形过程中占主导地位，金属的强度和硬度增加而塑性降低。由于晶格畸变恢复不彻底，变形阻力变大，会导致金属出现开裂等现象。同时，功率耗散系数在该失稳区急剧减小形成一个低谷，可知在此区域材料的可加工性差，不适合热加工。另外，在热加工图的边缘处还存在少许的失稳区，这是由于在温度与应变速率过高或过低等极端变形条件下，材料内部动态回复和动态再结晶等现象发生不充分导致的。

结合3种不同真应变下热加工图的高耗散区和失稳区，可以预测出2195铝锂合金热变形的主要失稳区工艺参数区间为379～420 ℃、0.75～10 s−1和480～510 ℃、1～10 s−1；安全加工区间为440～510 ℃、0.01～0.25 s−1。

2195铝锂合金在不同变形条件下的微观组织见图9，2种变形参数分别对应着热加工图中的失稳区和安全加工区。由图9a可知，组织垂直于压缩方向且为伸长的纤维状，表面分布着一些未长大的细小颗粒，在变形过程中未发生动态再结晶。由图9b可知，组织形状发生了显著变化，晶界清晰且呈现锯齿状，晶界和晶内分布着长大的再结晶颗粒，说明2195铝锂合金在此变形条件下发生了动态再结晶。可见，显微组织的观察结果与热加工图的预测结果一致。

图8 不同应变条件下2195铝锂合金的热加工图

图9 2195铝锂合金在不同变形条件下的金相组织图

2.4 热挤压实验

为了更好地说明热加工图预测的安全加工参数具有可靠性，开展热挤压试验对其进行验证。考虑到在挤压过程中产生的摩擦热和变形热，会导致实际挤压温度比理论温度高，因此最终设定挤压实验的坯料预热温度为440 ℃、模具预热温度为480 ℃、挤压速度为0.5 mm/s。

2195铝锂合金铸态和热加工后型材的力学性能见图10。挤压得到的型材实物见图10a，可见型材具有良好的成型效果，表面光滑无毛刺，未见弯曲、翘曲等缺陷。由图10可知，铸态合金的屈服和抗拉强度分别仅为（179±6）、（239±11）MPa，而热加工后型材的屈服和抗拉强度分别达到（605±6）、（633±3）MPa，分别约为铸态合金的3.3倍和2.6倍。铸态合金的显微硬度仅为（115±1）HV，热加工后型材的显微硬度达到（178±4）HV，相较于铸态合金增加了54%。可见，在安全加工区间可以加工出性能优良的产品。

图10 2195铝锂合金挤压型材实物图及不同合金形态的力学性能

3 结论

1） 2195铝锂合金的流变应力受到变形参数、加工硬化和动态软化复合机制的影响，随变形温度增加和应变速率降低而减小。在弹性变形阶段加工硬化导致流变应力迅速上升，在塑性变形阶段动态软化作为主要变形机制使流变应力趋于平稳。

2） 2195铝锂合金的热变形激活能为203.643 9 kJ/mol，流变应力本构方程见式（13）—（15）。

3）根据热加工图和微观组织分析可知，2195铝锂合金主要在低温高应变速率区域出现失稳区，安全加工区域集中在高温低应变速率区域，在该区域主要发生动态再结晶，最佳热加工参数范围为440～510 ℃、0.01～0.25 s−1。

4）热挤压实验表明，在适宜的热加工工艺参数下，2195铝锂合金可以被加工出力学性能优秀的型材，验证了热加工图具有很好的参考价值。

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Hot Deformation Behavior and Hot Processing Map of 2195 Al-Li Alloy

ZHOU Xuan, XIAO Hua-qiang, TIAN Yu-xin, HUANG Fei-long, CHEN Nuo, CHEN Yue-ming

(School of Mechanical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

The work aims to investigate the hot compression deformation behavior of 2195 Al-Li alloy at the experimental temperature of 360-510 ℃ and the strain rate of 0.01-10 s−1and establish its constitutive model and processing map to obtain the safe processing parameters. The hot deformation experiment was carried out by Gleeble-3500 thermal simulation tester. The deformation behavior and processing map of the alloy were analyzed. The hot deformation mechanism was expounded in com­bination with the microstructure, and the obtained optimal parameters were verified by hot extrusion experiment. The flow stress of 2195 Al-Li alloy decreased with the increase of deformation temperature and increased with the increase of strain rate. It was determined that thermal activation energy=203.643 9 kJ/mol, structure factor=1.943 9×1014, stress factor=0.013 0 and strain hardening exponent=5.883 9. The range of process parameters for the main unstable region of the alloy was 379-420 ℃, 0.75-10 s−1and 480-510 ℃, 1-10 s−1and the safe processing region of the alloy was determined to be 440-510 ℃, 0.01-0.25 s−1. The yield strength and tensile strength of the as-cast 2195 Al-Li alloy were only (179±6) MPa and (239±11) MPa, while these two values after hot extrusion experiment reached (605±6) MPa and (633±3) MPa, increasing by 3.5 and 2.6 times, respectively. The microhardness of the as-cast alloy was only (115±1)HV, while the microhardness of profile after hot processing reached (178±4) HV, which was 54% higher than that of the as-cast alloy. The deformation behavior of 2195 Al-Li alloy is consistent with positive strain rate sensitivity. The safe processing region of the alloy is concentrated in the high-temperature low-strain rate region, where dynamic recrystallization mainly occurs and the experimental profile shows excellent mechanical properties.

2195 Al-Li alloy; hot deformation test; flow stress; constitutive model; hot processing map

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.01.002

TG146.2+1

A

1674-6457(2023)01-0008-09

2020−09−07

2020-09-07

国家自然科学基金（52065009）；贵州省科技计划（ZK2022204）；贵阳市科技计划（筑科合同[2021]1−4号）；国家重点研发计划“科技助力经济2020”重点专项（SQ2020YFF0421630）

National Natural Science Foundation of China (52065009); Science and Technology Planning Project of Guizhou Province (ZK2022204); Science and Technology Planning Project of Guiyang (2021.1-4); National Key R & D Program 'Science and Technology Helping Econemy 2020' Key Special Project Funding of China (SQ2020YFF0421630)

周璇（1996—），男，硕士生，主要研究方向为轻合金热变形及挤压成形工艺。

ZHOU Xuan (1996-), Male, Postgraduate, Research focus: thermal deformation and extrusion forming process of light alloy.

肖华强（1983—），男，博士，教授，主要研究方向为激光制造及轻合金复合材料制备。

XIAO Hua-qiang (1983-), Male, Doctor, Professor, Research focus: laser manufacturing and light alloy composite material preparation.

周璇, 肖华强, 田雨鑫, 等. 2195铝锂合金热变形流变行为与热加工图研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(1): 8-16.

ZHOU Xuan, XIAO Hua-qiang, TIAN Yu-xin, et al. Hot Deformation Behavior and Hot Processing Map of 2195 Al-Li Alloy[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(1): 8-16.