5A30铝合金热变形的流变应力及材料常数.pdf

第４卷第４期２０１０年Ｉ２月材料研究与应用ＭＡＴＥＲｌＡＬＳＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＡＰＰＩ。１ＣＡＴＩＯＮＶ０１．４，Ｎｏ．４Ｄｅｃ．２０１０———文章编号：１６７３９９８１（２０１０）０４０５７７０５５Ａ３０铝合金热变形的流变应力及材料常数＊朱振华１，袁鸽成１，李仲华１，吴其光１，吴锡坤２（１．广东工业大学材料与能源学院，广东广州５１０００６；２．广东兴发铝业有限公司，广东佛山５２８０６１）摘要：在Ｇｌｅｅｂｌｅ－１５００热模拟试验机上。采用高温等温压缩试验。研究了５Ａ３０铝合金在３００℃５００温度范围及应变速率在０．００１～１ｓ－１内压缩变形的流变应力变化规律，采用数学回归及最小偏差法求出了该合金的材料常数，建立了该合金流变应力与Ｚｅｎｅｒ－Ｈｏｌｌｏｍｏｎ参数的线性关系式．结果表明，该合金为正应变速率敏感材料，流变应力随变形温度升高而降低，随应变速率升高而增大；该合金的材料常数包括变形激活能Ｑ为１６０．９４ｋＪ／ｍｏｌ，应力水平参数口为０．０１８４ｍｍ２／Ｎ，应力指数行为３．３１４，结构因子Ａ为３．０５８×１０９ｓ一；合金流变应力模型可表达为口一５４．３１１ｎ｛（Ｚ／３．０５８×”１０９）１邝・４＋［（Ｚ／３．０５８×１０９）２７３……Ｊ＋１３）．关键词：５Ａ３０铝含金；等温压缩；应变速率；流变应力中图分类号：ＴＧｌｌｌ．７；ＴＧ３０１文献标识码：Ａ—５Ａ３０铝合金属于ＡＩＭｇ系铝合金，是５ｘｘｘ系铝合金中镁含量（４．７％＂－－５．５％）较高的热处理不可强化铝合金，主要用于装甲板、高强度焊接结构、储槽、压力容器以及船舶用材．作为一种很重要的结构材料，其室温的力学性能数据可以从相关资料和手册中查到，但其高温塑性变形时的流变应力、变形特征和成形性指标等至今还未见有人报道【１］．金属的热变形流变应力是材料在高温下的重要的基本性能之一，它不仅受变形温度、变形程度、应变速率和合金化学成分的影响，也是变形体内部显微组织演变的综合反映．所以，本文通过研究５Ａ３０铝合金高温塑性变形时的流变应力行为，建立流变应力本构方程，从而为５Ａ３０铝合金的挤压、轧制等热加工组织与性能控制、工艺制定、模具设计、设备选型及加工过程仿真等提供理论依据和实验基础．１热变形流变应力描述金属的热加工变形和高温蠕变・样存在热激活过程，其热变形行为可用稳态变形阶段的应变速率—收稿日期：２０１０一１０２７＊基金项目：广东省重大科技专项（２００８Ａ０９０３００００４）作者简介：朱振华（１９８５一），男。硕士研究生；、温度丁和流变应力仃之间的关系来进行描述嘲．金属材料大量的热变形行为研究表明，低应力水平及高应力水平下稳态流变应力仃和应变速率毒之间的关系可以分别用以下函数描述ｃ３－５］：；一Ａ，矿・（１）；一Ａ２ｅｘｐ（陋）（２）式（１）和（２）中Ａ。，，ｌ。，Ａ：，ｐ均为与变形温度无关的常数．Ｚｅｎｅｒ和Ｈｏｌｌｏｍｏｎ提出了温度补偿应变速率Ｚｅｎｅｒ－Ｈｏｌｌｏｍｏｎ参数Ｚ，通过参数Ｚ可更为准确地描述变形温度、变形速率及流变应力的关系：ｎ”ｚ＝ｅｅｘｐ（券）一Ａ［ｓｉｎｈ（ａ盯）］（３）式（３）中，Ａ为结构因子，口为应力水平参数，以为应力指数，均是与温度无关的材料常数；Ｑ为平均变形激活能，Ｒ为气体常数，Ｔ为绝对温度．从式（１）、（２）、（３）可看出，在低应力水平下（们＜０．８），（３）式接近（１）式的指数关系，高应力水平下（ａｄ＞１．２）时则接近（２）式的幂指数关系，常数ａ，ｐ和ｎ满足ａ＝３／ｎ．万方数据５７８材料研究与应用２材料常数求解原理求解材料高温塑性变形激活能的方法很多，如等温法、补偿时间法、变温法和Ｚｅｎｅｒ－Ｈｏｌｌｏｍｏｎ参‘—数法等引．前三种适用于蠕变变形，而Ｚｅｎｅｒ－Ｈｏｌｌｏｍｏｎ参数法则主要用于控制速率的变形．对式（１）和（２）两边分别取自然对数，得到：Ｉｎ毒＝ＩｎＡｌ＋咒１Ｉｎ口Ｉｎ；＝ＩｎＡ２＋ｐ样两端的凹槽内填充润滑剂（７５％石墨＋２０％机油＋５％硝酸三甲苯脂），以减小摩擦对应力状态的影℃响．实验变形温度分别为３００，３５０，４００，４５０，５００，应变速率为０．００１，０．０１，０．１，１ｓ～．利用电阻加热至变形温度然后保温．由Ｇｌｅｅｂ｜ｅ－１５００热模拟试验机的计算机系统自动采集真应力、真应变等数据，利用这些绘制流变应力曲线．（４）４实验结果及分析（５）将不同变形温度条件下５Ａ３０铝合金的随不同应变速率的变化的稳态流变应力值分别代人式（４）∥和（５），得出珂。和Ｊ９，常数７／满足口＝ｎ。，把所得口代人式（３），采用最小偏差法可以得到更为精确的材料常数．对于铝合金来说，由于热压缩变形时流变应力一应变速率一温度相关性更接近于双曲正弦关系，所以将式（３）经过变换可得到计算５Ａ３０铝合金变形激活能Ｑ的修正关系式：—ＱＲ［司ｉ函］Ｔ—Ｌａｌｎａ［－（ｓｌｉｎｈＴ（ａ）ａ）］］：（６）式（６）右边括号中的两项分别为一定温度下，应变速率；与流变应力ｄ的线性关系以及一定应变速率条件下流变应力ｄ与温度倒数之间的线性关系．根据以上求出的材料常数仍然只是一组近似值，需要通过最小偏差法，求出他们的精确值．一般说来，材料的流变应力与主要与变形温度、变形程度和应变速率有关，在本论文中可以用材料常数较为方便的求出热变形时的流变应力．从（３）式可知流变应力ｄ可表达成Ｚｅｎｅｒ－Ｈｏｌｌｏｍｏｎ参数Ｚ的函数：盯：土ｌｎ｛（要）｝｛＋［（手）詈＋１］专。（７）可见，只要已知Ａ，口，７／和Ｑ等材料常数，便可由式（７）求得材料在不同变形温度一速率条件下的流变应力值．３实验方法实验原材料为０１２０ｍｍ的５Ａ３０铝合金铝锭，①沿铸锭的轴向加工成１０ｍｍ×１５ｍｍ圆柱，两端带有深０．２ｍｍ凹槽的压缩样品，压缩实验在Ｇｌｅｅｂｌｅ－１５００热模拟试验机上进行．压缩过程中，在圆柱试４．１流变应力曲线图１为５Ａ３０铝合金在不同温度及不同应变速率的流变应力曲线（即真应力一真应力曲线）．由图可见，高温压缩变形时，流变应力的变化规律为：在过渡变形阶段，流变应力随应变的增加迅速升高后趋于稳态流变应力值，出现近稳态流变特征．随着温度的升高，流变应力显著下降；随着应变速率的增加，流变应力水平升高，表明５Ａ３０铝合金在试验过程中表现出正应变速率敏感性．在过渡变形阶段，材料内部组织变化为位错增殖，位错密度增加．变形量增大时位错发生交滑移，但由于交滑移引起的软化不足以补偿位错密度增加带来的硬化，因此，流变应力值逐渐增大．随着变形量的继续增大，流变应力曲线趋近于水平，进入稳态变形阶段．在稳态变形阶段，位错增殖引起的应变硬化与位错交滑移、攀移以及位错的脱钉等引起的软化达到动态平衡．４．２材料常数根据实验结果以线性回归分析得出的流变应力与变形速率、变形温度之间的关系陆线如图２所示．从图２可看出，稳态流变应力和应变速率的双对数关系、流变应力的双曲线正弦对数项和温度的倒数之间皆较好地满足线性关系．由此可认为，５Ａ３０铝合金高温塑性变形时流变应力ｄ与应变速率；以及温度Ｔ之间满足双曲线正弦形式Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ关系，说明其高温塑性变形过程是一种类似高温蠕变的热激活过程．卵值和ｐ值可以通过式（４）和式（５）分别利用图２（ａ）和（ｂ）求ｌｎ毒一ｌｎｄ和ｌｎ￡一口的斜率，常数，２、口∥和口满足ａ＝ｎ，再代入式（６）求出应变激活能Ｑ值．计算过程中采用最小标准偏差法，由此求得的材料常数Ａ，７／，口和Ｑ更为真实可靠．材料常数结构因子Ａ、应力水平参数口、应力指数咒值及变形激活能万方数据第４卷第４期朱振华，等：５Ａ３０铝合金热变形的流变应力及材料常数５７９Ｑ分别为３．０５８×１０９ｓ一，０．０１８４ｍｍ２／Ｎ，３．３１４，１６０．９４ｋＪ／ｔｏｏｌ，５Ａ３０铝合金高温变形时的流变应力、应变速率与温度的关系可采用Ｚ参数描述为口＝５４．３１ｌｎ｛（Ｚ／３．０５８ד‘１０９）３３１４＋［（ｚ／３．０５８ד１０９）ｚ／３・３１４＋１］２），其中Ｚ＝ｅｅｘｐ（１６０．９４／ＲＴ）．图３绘出了由最小偏差法求得的５Ａ３０铝合金２００１５０Ｌ芝１００５０２００１５０矗山芝＼ｏ１００５０ｌ０—１－２。三．３・４・５・６－７Ｏ０材料常数计算的ｌｎＺ和ｌｎＥｓｉｎｈ（口ｄ）值的关系．从图中可知，两者在实验应变速率和温度条件内的线性关系吻合的相当好，表明５Ａ３０铝合金在压缩时是有热激活速率机制控制，由此可以通过控制包含Ｚ参数Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ方程中的参数从而有效预测、控制以及优化合金的压缩组织及性能．日乱毫＼ｏＯ００．２０．４Ｏ．６Ｏ８１．０Ｏ．００．２０．４０．６０．８１．０￡肖屯毫＼￡图１５Ａ３０铝合金压缩变形时的流变应力曲线Ｏ／ＭＰａ￡万方数据材料研究与应用’Ｔ＇／ｉｎｋ。１Ｉｎ［ｓｉｎｈ（ａａ）】图２５Ａ３０铝合金流变应力与温度和应变速率关系图３ＩｎＺ和［ｎ［ｓｉｎｈ（ａａ）］的线性关系从Ｑ＝１６０．９４ｋＪ／ｔｏｏｌ的数值来看，５Ａ３０铝合金高温塑性变形激活能不仅比多晶纯铝的自扩散能１４２ｋＪ／ｔｏｏｌ［７１要大，而且比其他大多数铝合金的变形激活能都要稍大一些．主要是因为在５Ａ３０铝合金中，Ｍｇ为主要的合金化元素，它的加入除产生固溶作用外，还可与基体金属形成各种弥散第二相，如口（Ｍｇ；ＡＩ。）［８一，如图４所示．图４（ａ）为５Ａ３０铝合金℃在４５０，０．０１ｓ－１的热变形ＴＥＭ形貌，在第二相粒子口相处，由于位错相互销毁而使位错密度大大减小，导致铝合金的变形激活能减少，但在图４（ｂ）℃所示５Ａ３０铝合金在４５０，０．０１ｓ一１变形时，显示了位错缠结，说明第二相会对位错运动产生阻碍作用，使位错发生交滑移和攀移所需的能量提高，使平均激活能有所增加，由此提高激活动态回复及再结晶所需的能量［９］．图４５Ａ３０铝合金ＴＥＭ形貌℃（ａ）３５０，０．１℃ｓ一１；（ｂ）４５０，０．０１ｓ一１万方数据第４卷第４期朱振华，等：５Ａ３０铝合金热变形的流变应力及材料常数５８１Ｆ２］ＺＨＡＮＧＨ，ＺＨＡＮＧＨＧ，ＬＩＬＸ．Ｈｏｔｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ５结论ｂｅｈａＶｉｏｒｏｆＣｕ－Ｆｅ－Ｐａｌｌｏｙｓｄｕｒｉｎｇｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎａｔｅｌｅｖａｔ一（１）变形温度和应变速率是影响５Ａ３０铝合金的流变应力的重要影响因素，同一应变速率下变形温度越高流变应力越低，同一变形温度下应变速率越高，流变应力越高．５Ａ３０铝合金表现出正应变速率敏感性．（２）５Ａ３０铝合金材料常数结构因子Ａ、应力水平参数ａ、应力指数咒值及变形激活能Ｑ分别为３．０５８×１０９Ｓ～。０．０１８４ｍｍ２／Ｎ，３．３１４，１６０．９４ｋＪ／ｔｏｏｌ，流变应力、应变速率与温度的关系可采用Ｚ参数描述为盯＝５４．３１ｌｎ（（Ｚ／３．０５８ｘ“１０９）３。３１４＋［（Ｚ／３．０５８×’“１０９）纠３３１４＋１３２），其中Ｚ一耋ｅｘｐ（１６０．９４／ＲＴ）．（３）５Ａ３０铝合金高温塑性变形激活能比多晶纯铝的自扩散能以及其他大多数铝合金的变形激活能都要大一些，主要是因为合金元素Ｍｇ除产生固溶作用外，还可与基体金属形成各种弥散第二相，从而提高激活动态回复及再结晶所需的能量．参考文献：［１］王祝堂。田荣璋．铝合金及其加工手册［Ｍ］．湖南：中南工业大学出版社，２００６．ｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，—２００９，２０９：２８９２２８９６．［３］单毅敏，罗兵辉，柏振海．５０８３铝合金高温变形的流变应力［Ｊ］．铝加工，２００６，１７２（６）：卜６．［４］ＭＣＱＵＥＥＮＨＪ．ＣｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｉｎｈｏｔｗｏｒｋｉｎｇＩ－ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００２，Ａ３２２：４３－６３．［５１ＬＩＵＸＹ，ＨＥＹＢ。ＹＵＮＢＨ。ｅｔａ１．Ｆｌｏｗｂｅｈａｖｉｏｒａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆ——ＡｌＣｕＭｇａｌｌｏｙｄｕｒｉｎｇｈｏｔｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎ－—ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００９，５００：１５０１５４．［６］ＳＨＥＮＪｉａｎ．Ｍａｔｅｒｉａｌｃｏｎｎｓｔａｎｔｓｏｆｆｉｎ———ＡｌＬｉＣｕ－ＭｇＺｒａｌｌｏｙｄｕｒｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｔｅｌｅｖａｔｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓＳｏｃｉｅｔｙｏｆＣｈｉｎａ．１９９８，８（１）：７８－８２．１－７３李慧中。梁霄鹏，张新明．２５１９铝合金热变形组织演化—［Ｊ］．中国有色金属学报，２００８，１１８（２）：２２６２３０．［８］ＳＥＬＬＡＲＳＣＭ．Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇｍｉｃｒｏ－ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ—ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｕｒｉｎｇｈｏｔｒｏｌｌｉｎｇＦＪ］．ＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄ—Ｔｅｅｈ—ｎｏｌｏｇｙ。１９９０．１６（１１）：１０７２１０７８．［９３ＭＣＱＵＥＥＮＨＪ，ＰｏＳｃＨＭＡＮＮＩ．Ｓｕｂｇｒａｉｎ—ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｉｎｈｏｔｗｏｒｋｉｎｇｏｆＡｌａｎｄＡｉ一５Ｍｇ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１—９９７，２３４（２３６）：８３０８３３．ＴｈｅｆｌＯＷｓｔｒｅｓｓａｎｄｍａｔｅｒｉａｌｃｏｎｓｔａｎｔｓｏｆｔｈｅｒｍａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｏｒ５Ａ３０ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙＺＨＵＺｈｅｎ－ｈｕａｌ。ＹＵＡＮＧｅ－ｃｈｅｎ９１，ＬＩＺｈｏｎｇ－ｈｕａｌ，ＷＵ—Ｑｉｇｕａｎ９１。ＷＵ—Ｘｉｋｕｎｚ（１．ＦａｃｕｌｔｙｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＥｎｅｒｇｙ，ＧｕａｎｇｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ—５１０００６，Ｃｈｉｎａ；２．ＧｕａｎｇｄｏｎｇＸｉｎｇｆａＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＬｉｍｉｔｅｄ，Ｆｏｓｈａｎ５２８０６１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｆｌｏｗｓｔｒｅｓｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ５Ａ３０ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｉｓｏｔｈｅｒｍａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ—ｔｅｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｗｉｔｈＧｌｅｅｂｌｅｑ５００ｔｈｅｒｍａｌｓｉｍｕｌａｔｏｒｕｎｄｅｒｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｓｔｒａｉｎｒａｔｅｒａｎｇｅｆｒｏｍ３００ｔｏ５００＇Ｃａｎｄ０．００１ｔｏ１—Ｓｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｃｏｎｓｔａｎｔｓｏｆａｌｌｏｙｗｅｒｅｄｅｒｉｖｅｄｂｙｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｍｉｎｉｍｉｚｅｄｄｅｖｉａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉｏｎ。ｔｈｅｌｉｎｅａｒｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｏｆｔｈｅｆｌｏｗｓｔｒｅｓｓｔｏＺｅｎｅｒ－Ｈｏｌｌｏｍｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅ—ｒｅｓｕｉｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｌｌｏｙｉｓｓｅｎｓｉｔｉｖｅｍａｔｅｒｉａｌｔｏｓｔｒａｉｎｒａｔｅｐｏｓｉｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄｔｈｅｆｌｏｗｓｔｒｅｓｓｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｄｅｃｒｅａｓｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｆｓｔｒａｉｎｒａｔｅ．Ｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｃｏｎｓｔａｎｔｓｏｆｔｈｅａｌｌｏｙ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｃｔｉｖａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙＱａｓ１６０．９４ＫＪ／ｍｏｌ，ｓｔｒｅｓｓ－ｌｅｖｅｌｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ口ｆｌＳ０．０１８４ｍｍ２／Ｎ，ｓｔｒｅｓｓｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌｎａｓ３．３１４ａｎｄｓｔｒｕｃｔｕａｌｆａｃｔｏｒＡａｓ３．０５８×１０９Ｓ～．Ｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆｆｌｏｗｓｔｒｅｓｓｃａｎｂｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄａｓｏ．－ｍ＿５４．３１Ｉｎ｛（ｚ／３．０５８Ｘ“‘１０９）３３１４＋［（ｚ／３．０５８Ｘ１０９）纠３・３¨“＋ｒ］２）．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：５Ａ３０ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ；ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ；ｓｔｒａｉｎｒａｔｅ；ｆｌｏｗｓｔｒｅｓｓ万方数据