7085铝合金热变形行为特征

2023-05-09牛关梅田宇兴

铝加工 2023年2期

李伟，牛关梅，田宇兴，刘成

（中铝材料应用研究院有限公司，北京 102209）

0 前言

高强高韧低淬火敏感性7085 铝合金被公认为是新一代航空领域大规格产品的重点合金[1]。7085铝合金在超厚板、锻件和大规格排材方面，其心部性能指标明显优于7050 合金产品；用于整体制造成型零部件时具有显著的减重和性能优势，在航空大飞机的整体壁板结构件应用中取代了7050 合金，已经应用于多个飞机型号[2-3]。

由于7085 铝合金的优异综合性能，国内外研究机构对7085 铝合金的元素作用、时效热处理工艺等强韧化和析出控制开展了研究工作，对合金的拉伸性能、断裂韧性和裂纹扩展速率等性能的影响作用也开展了研究[4-9]，但对7085 铝合金热变形行为的研究却较少。陈学海[10]开展了实验室7085铝合金铸锭的流变行为及其热变形的显微组织演变行为研究，基于动态材料模型原理，详细地分析了7085 铝合金在不同热变形条件下的高温塑性加工特性。

本研究主要通过组织观察和热压缩实验，研究不同变形温度和应变速率下7085 铝合金的热变形响应，建立合金的本构方程和热加工图，为7085铝合金的热变形工艺提供数据支撑。

1 实验材料与方法

实验材料为工业化生产的φ485 mm7085 铝合金铸锭，铸锭状态为均匀化态，合金的化学成分见表1，取样位置为1/4直径处。

表1 7085铝合金铸锭的化学成分（质量分数/%）

7085铝合金试样通过280~2000#砂纸机械磨抛和粗精抛光，采用Zeiss 光学金相显微镜观察试样表面组织，评价合金均匀化态的组织形貌；7085铝合金热变形实验采用Gleebe1200热模拟压缩设备进行，变形温度选择350~460 ℃，应变速率选择0.01~10 s-1范围；建立7085铝合金的本构方程和热加工图。

2 实验结果与分析

2.1 均匀化态的组织形貌

图1为7085合金均匀化态的金相形貌。由图1可知，7085合金均匀化态的第二相以黑灰色的铸态粗大Fe相为主，枝晶界处没有明显的网状第二相，由此可知铸造形成的可溶第二相基本上完全回溶，晶内有细小的第二相，是在铸锭冷却过程中析出的。

图1 7085合金均匀化态的金相形貌

2.2 应力-应变曲线

图2为7085 合金不同温度和应变速率下的应力-应变曲线。在低应变速率下，应力-应变曲线在变形初期加工硬化迅速达到峰值，应力过峰值后发生软化降低，然后进入稳定流态阶段；而高应变速率下，曲线发生应力波动，应力在稳定流变阶段持续缓慢降低。

图2 7085合金不同温度和应变速率下的应力-应变曲线

表2示出了7085合金在不同温度和应变速率下0.6应变处的峰值应力。

表2 7085合金不同温度和应变速率下0.6应变处的峰值应力

2.3 本构方程建立

本构方程能够确定温度、应变速率和应变之间的关系，同时也是分析材料热塑性变形的重要理论依据。采用双曲本构模型，构建了7085 合金的Arrhenius 本构关系模型[11-12]

本构模型通常采用变形温度和变形激活能的双曲正弦函数的Arrhnius关系来表述：

在高应力条件下（ασ＞1.2）：

在低应力条件下（ασ＜0.8）：

上述两个方程取对数，然后将公式绘制σ-lnε̇与lnσ-lnε̇关系曲线并拟合回归，拟合曲线见图3。获得拟合曲线参数β=0.106 MPa-1，n1=6.36，α=β/n1=0.0166 MPa-1。

图3 7085合金不同温度下应变速率与流变应力的拟合曲线

假设材料的变形激活能Q不随温度T变化而变化，则公式（1）取对数：

在不同温度和应变速率下，分别拟合应力与应变速率和温度的关系曲线，拟合曲线见图4。通过计算得出n=4.76，Q=108 kJ/mol。

中国政府已将中国文化“走出去”上升为国家战略，而中国文化“走出去”在很大程度上要依靠翻译，但是只关注语言层面的对应的翻译难以使中国文化真正“走出去”，还应该特别重视的一个要素是传播效果。谢天振指出，中国文化译介不是简单的文字转换而是文化译介，译是基础，介（即传播）是关键（1999：11）。中国文化的译介如果只重视语言的转换而忽视了对传播规律的思考和遵循是难以让中国文化真正走出去的，很可能导致传而不通，成功译介的关键往往是传播（鲍晓英2014：66）。传播学能为中国文化译介研究提供理论养料。

图4 7085合金应变速率、变形温度与流变应力的拟合曲线

热变形条件与峰值流变应力之间的关系通过材料的温度补偿应变速率因子Zener-Hollomon参数来表述：

根据双曲正弦函数的定义，可得出σ与Z参数的关系。

对公式（5）取对数后：

采用不同变形温度和应变速率与变形激活能Q计算该条件下的Z值，分析lnZ与ln sinh(ασ)的关系，拟合曲线见图5。通过拟合曲线参数计算A=1.57E+7s-1。计算本构方程参数见表3。

图5 7085合金流变应力与Z参数的拟合曲线

表3 7085合金本构方程的主要参数

因此，7085 合金的0.6 应变处峰值流变应力本构方程为：

该方程适用于应变速率在0.01~10 s-1范围之间、变形温度在350~460 ℃范围之间、总变形量为50%的7085合金的流变应力行为。

2.4 热加工图

根据7085 合金的流变应力曲线，通过三次多项式拟合logσ-logε̇关系曲线，拟合曲线见图6。拟合计算出不同变形温度下函数的a、b、c和d值。

图6 7085合金在应变0.6处应力与应变速率的三次多项式拟合曲线

然后通过公式计算，可以得出不同变形条件下应变速率敏感因子m值和耗散系数η值，在T-logε̇二维平面内绘出耗散系数η值的等值轮廓图，即功率耗散图；计算不同变形条件下的失稳参数ξ（ε̇）值，在T-logε̇二维平面内绘出失稳图；结合功率耗散图与失稳图进行综合分析，即可得知7085 合金的热加工特性，见图7。