7A04铝合金动态再结晶的临界应变研究.pdf

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7A04铝合金动态再结晶的临界应变研究1 7A04铝合金动态再结晶的临界应变研究2 7A04铝合金动态再结晶的临界应变研究3 7A04铝合金动态再结晶的临界应变研究4 7A04铝合金动态再结晶的临界应变研究5
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7AO4铝合金动态再结晶的临界应变研究237A04铝合金动态再结晶的临界应变研究InvestigationonCriticalStrainofDynamicRecrystallizati0nfor7A04AluminumAlloy李冬勤,徐磊,黄兴民,戴光泽(西南交通大学材料科学与工程学院材料先进技术教育部重点实验室,成都610031)———LIDongqin,XULei,HUANGXingmin,DAIGuangze(KeyLaboratoryofAdvancedTechnologiesofMaterials(MinistryofEducation),SchoolofMaterialsScienceandEngineering。SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)摘要:通过Gleeble热力模拟获得了7A04铝合金恒温和恒应变速率条件下的压缩应力一应变曲线,温度范围和应变速率℃范围分别为35O~450和0.01~10s~。在峰值应力的双曲正弦模型基础上,测定了7A04铝合金热变形激活能Q;并利用加工硬化率0和Sellars模型结构,自主建立了7A04铝合金动态再结晶的临界应变本构模型。结果表明:由动态再结晶临界应变本构模型得到的结果与Gleeble热力模拟实验结果基本吻合,该本构模型可较准确地预测7A04铝合金热成形过程中的动态再结晶发生的临界点。关键词:临界应变本构模型;动态再结晶;热变形激活能;7A04铝合金—doi:10.3969/j.issn.10014381.2013.04.005中图分类号:TG376.2文献标识码:A———文章编号:10014381(2O13)04002305—Abstract:Thethermalsimulationcompressiontestsof7A04aluminumalloywereconductedat350℃—450withthestrainrateof0.01-10s-1ontheGleebletherma1simulationtestmachine.Basedonhy—perbolicsinerelationsofpeakstress,thethermaIdeformationactivateenergyQof7A04aluminumalloywasdetermined.BasedonSellarsmodelandworkhardeningrate0,thecriticalstrainconstitutivemodelofdynamicrecrvstallizatiOnwasestablished.Theresultsshowthatcomparisonsbetweenthesimulatedandexperimentalresultsaresatisfactoryandtheconstitutivemode1ofcritica1straincouldbeusedforindicatingthebeginningofdynamicrecrysta儿izationfor7A04aluminumalloy.—Keywords:criticalstrainconstitutivemode1;dynamicrecrystallization;thermaldeformationactiveenergy;7A04aluminumalloy———7A04铝合金为AlZnMgCu系高强铝合金,密度低,硬度和强度较高,韧性及热加工性能较好,具有一定的抗腐蚀性能,易于塑性加工与处理,而广泛应用于航天航空与军事领域口]。在一定热变形条件下,7A04铝合金会同时发生动态回复和动态再结晶现象。其中,动态再结晶对合金的微观组织及宏观性能影响较大。再结晶可以破碎粗大的铸态组织,变形晶粒逐渐被新生的等轴晶粒所代替,改善材料的力学性能;再结晶后合金的位错密度显著降低,使得材料的强度与硬度降低。通常用于表征动态再结晶演变的模型都认为临界应变与初始微观组织及变形条件有关,随着变形量的增加,在原始晶粒的晶界及晶内会发生再结晶,形成新的晶粒并长大。张传滨等对304奥氏体不锈钢热变形下动态再结晶行为进行研究,构建了304奥氏体不锈钢热动态再结晶动力学和动运学的数学模型。吴晋彬等口研究了变形速率、温度、C,V及N对钒氮微合金钢动态再结晶动力学的影响。权国政等研究7075铝合金热塑性变形动态再结晶动力学模型,建立了温度、应变速率、应变量、动态再结晶体积分数之间的动态耦合关系模型。T.Sakai等_5]研究7475铝合金在大变形量条件下的连续动态再结晶,分析了高应变速率和低应变速率条件对再结晶晶粒形成的影响。JiGuoliang等根据分析应力应变曲线,研究了镍基合金钢的动态再结晶24材料工程/2013年4期动力学模型,并建立了晶粒尺寸与Z_H参数的关系。YangXuyue等[7分析了垂直和平行于挤压方向两种条件下,AZ31镁合金的动态再结晶中新晶粒的生成及其织构发展。E.I.Poliak等在研究Ni合金钢动态再结晶临界条件时,提出发生动态再结晶软化时应力一应变曲线不管出现应力峰与否,其曲线上均呈—现拐点。H.Mirzadeh等Ig预测了174PH不锈钢动态再结晶的临界应力与临界应变条件。国内外对于各种金属材料动态再结晶行为进行了大量的研究,但目前对于7A04铝合金的动态再结晶临界点确定的研究还较少_luj。本工作将在7A04铝合金热模拟压缩实验数据的基础上,利用峰值应力的双曲正弦模型,得到7A04铝合金热变形激活能Q;再对加工硬化率0进行处理,采用--—D-(1rgd)e曲线上的最小值判据来确定不同变形条件下动态再结晶的临界应变[1,建立7A04铝合金再结晶临界条件的本构模型。这将对模拟铝合金形变过程中的微观组织演变和力学性能起到积极有效的作用。1实验采用西南铝业有限公司提供的7A04铝合金铸坯,其化学成分如表1所示。铸坯加工成 ̄10mm×矗羔∽世黑∽15mm的标准圆柱,在Gleeble-1500-D热力模拟试验机上进行不同温度和应变速率下的压缩实验。其中,℃℃变形温度为350,400和450,应变速率为0.01,0.1,1S和10s,压缩变形量为7O,圆柱端面用石墨润滑以消除切向摩擦的影响。试样以2 ̄C/rain的恒定速率加热,达到预定温度后保温2min,待各部分温度分布均匀后进行压缩实验,获得7A04铝合金的真应力一真应变曲线。表17A04铝合金化学成分(质量分数/%)Table1Chemicalcompositionof7A04aluminumalloy(massfraction/%)ZnMgCuMnFe5.591.9331.4550.3230.2962实验结果分析2.1应力一应变曲线图1为不同温度和应变速率下的7A04铝合金的真应力一应变曲线。由图1可知,当应变较低时,应力随着应变量增加而急剧增大达到峰值,随后逐渐下降,意味着铝合金发生了动态软化_】引。应变速率为0.01s时,由于应变速率较小,螺位错的交滑移和刃位错的攀移较充分,使得位错密度降一羔∽矗皇∽图17A04铝合金不同应变速率条件下的真应力一应变曲线(a)=0.01s1;(b)一0.1sl;(c)一ls一1;(d)=10s一1—Fig.1Truestressstraincurvesof7A04aluminumalloyatdifferentstrainrates—(a);一O.01s1;(b)一0.1sl;(c)一ls-1;(d)一10S--∞∞∞∞∞加如如∞∞如印如加m7A04铝合金动态再结晶的临界应变研究25低,回复过程明显,较难达到再结晶所需的位错密度,故表现为再结晶缓慢,没有明显的峰值应力。随应变速率增大,动态回复越不容易发生,加工硬化导致位错密度大,能量高,促使动态再结晶晶粒形核,位错密度降低,应力下降。随应变的增加,动态再结晶与加工硬化趋于平衡,应力也趋向于稳态。而应变速率为lOs时,应力一直处于下降趋势,并没有达到稳态应力。这是由于应变速率大时,不断积累变形畸变能,变形畸变能释放快,表现为位错密度的急剧下降,使动态再结晶的软化程度强于加工硬化程度,应力一直保持下降趋势。表2和表3列出了不同变形条件下的峰值应力。和峰值应变e。。可知,应变速率越大,变形温度越低,峰值应力和峰值应变越高。应变速率越大,发生单位应变所需要的时间越短,发生动态回复和动态再结晶的时间也越短,铝合金的软化不充分,导致峰值应力和峰值应变增大。而当温度升高时,铝合金的原子活动能力增强,滑移系的临界切应力也随之减小,滑移位错增加,动态回复和动态再结晶加快,软化作用增强,位错密度降低,使得峰值应力和相应的应变降低_】。表2不同变形条件下7A04铝合金的峰值应力(MPa)Table2Peakstressesof7A04aluminumalloyswithdifferentdeformationconditions(MPa)表3不同变形条件下7A04铝合金的峰值应变Table3Peakstrainsof7A04aluminumalloyswithdifferentdeformationconditions2.2再结晶激活能的确定Sellars_1¨提出在热变形过程中,流变应力取决于变形速率和变形温度,满足双曲正弦模型:”£一AJsinh(o ̄)lexp(一Q/RT)(1)—Zcexp(一Q/RT)一Alsinh(a7)J(2)式中:为应变速率;为流变应力;Q为热变形激活——能;R为气体常数;T为绝对温度;Z为Zenerollomon参数,其综合了材料变形温度和变形速率条件”对变形过程的作用;A,a,是材料常数,通过实验数据回归确定]。对式(1)两边取对数In/一1nA+nln[sinh( ̄)]一Q/RT(3)对(3)两边取偏微分—QR・{){}E(4)℃利用式(4),求出温度为350~450、应变速率为0.01~10s变形条件下的热变形激活能Q为146.56kJ/mol。铝合金的热变形是一个热激活过程,其形成位错的热激活机制为位错的交滑移与攀移,热变形激活能用于表征材料发生热变形的难易程度,Q越大,材料越难发生热塑变形_1。图2为不同温度条件下的热变形激活能Q变化趋势。可知,热变形激活能Q随应变速率的增加和温度的升高而降低。在外力对变形金属所做的功中,有一部分是以储存能的形式保留在变形金属中,这部分能量主要以位错密度增加的形式存在,储存能是变形金属加热时发生回复与再结晶的驱动力l2。应变速率增加和变形温度升高,使铝合金的变形储能增加,发生运动的位错数量增加,热变形所需的激活能减小。g●、-,\Ink图2不同温度条件下的热变形激活能变化趋势Fig.2Hotdeformationactiveenergywithstrainrateatdifferenttemperatures2.3动态再结晶临界应变模型铝合金再结晶时所采用的临界应变数学模型为Sellars模型结构,其表达式如下:e一al£p(5)£。一a2£exp(Q1/RT)(6)式中:e为动态再结晶开始所对应的临界应变;Q为材料的再结晶激活能;a,a,m是材料常数,通过实验数据回归确定。经实验数据回归确定的材料常数分别为n。一——0.000684,m10.181,Q126.53kJ/mol,代入式(6)∞∞∞∞踟加如加m∞ⅢⅢ2O1吼u74O色盯”∞O00们26材料工程/2013年4期后,得到峰值应变的数学模型为£。=6.84E一4exp(26530/RT)(7)关于式(5)临界应变与峰值应变关系中的a,在大多数文献中都是引用钢的数据,但不同材料的n值不尽相同。为了使模拟更接近实际7A04铝合金材料,本工作采用处理加工硬化率n。的方法来得到临界应变,进而获得7A04铝合金的n值。利用origin软件对图1中各变形条件对应的真应力一应变曲线进行拟合,得到相应条件下的加工硬化率,—并做--O(_ln0)£关系曲线。℃在变形温度为450,应变速率为1s条件下的二s关系曲线如图3所示。随着应变量的增加,一D(1n0)/迅速减小后,呈上升趋势,出现最低点。图3T=4500C,;=ls-时二£曲线Fig.3Relationshipof--——8(1一n8)and£when睫℃丁一450and=ls一1图3中曲线的拟合方程为一—a(1n0)/一419.74216382.337e+186003.503e(8)—可知,--__=O(一ln0)一e曲线上的最低点对应的应变值,(】E即为发生再结晶时的临界应变£:==0.044。按照上述方法,可以获得不同变形条件下的临界应变,结果列在表4中。可知,与峰值应变类似,临界应变也随应变速率的增加和温度的降低而增加,表现表4不同变形条件下的临界应变8。Table4Criticalstrainswithdifferentdeformationconditions35O40O45O0.0270.0560.0780.10.0170.0480.0540.090.0150.0370.0440.07出正的应变速率敏感性和负的温度敏感性。这是由于在相同变形温度下,应变速率越大,变形时间越短,塑性变形时位错来不及相消,导致变形时位错密度越来越高,加工硬化倾向明显,发生再结晶的临界应变增大;随着温度升高,空位原子扩散及螺型位错交滑移、刃型位错攀移的驱动力增大,越易发生动态再结晶,从而使动态再结晶的临界应变量减小[1。临界应变£与峰值应变e。的关系为e一0.71e。(9)将表4中的临界应变模拟结果与热模拟压缩实验测得的结果在不同变形条件下进行对比,其中不同变—形条件用ZenerHollomon参数(Z一exp(一Q/RT))表示,对比结果如图4所示。图4临界应变模拟结果与热模拟压缩实验结果对比Fig.4Criticalstrainsbetweensimulationandexperiment模拟得到的临界应变与实验所得的临界应变基本符合,验证了7AO4铝合金发生动态再结晶时临界应变数学模型的可靠性。3结论℃(1)在温度为350~450、应变速率为0.01~10s-1范围内,7A04铝合金平均变形激活能Q一146.56kJ/mol,热变形激活能随应变速率的增加和变形温度的升高而减小。(2)7A04铝合金峰值应变随应变速率的增加而增加,随变形温度的升高而降低。其本构模型为e一6.84E一4¨exp(26530/RT),计算机模拟结果与Gleeble热力模拟实验结果基本吻合,证明其能够较好地反映实验数据。—(3)利用--_O(-lnO)GE曲线上的最小值判据,测定不同变形条件下7AO4铝合金发生动态再结晶的临界应变,其表现出正的应变速率敏感性和负的温度敏感性;临界应变与峰值应变的线性关系为£一0.71e。。7A04铝合金动态再结晶的临界应变研究27参考文献[1]潘复生,张丁非,曾苏民,等.铝合金及应用[M].北京:化学工业—出版社,2007.118120.1,23张传滨,刘洁,张进学,等.核电用304不锈钢动态再结晶数学模—型的建立[J].铸造设备与工艺,2011,(1):1619.——ZHANGChuan-bin,LIUJie,ZHANGJinxue,eta1.Mathemati—calmodelofdynamicrecrystallizationfornuclearpower304austeniticstainlesssteel[J].FoundryEquipmentandTechnology,—2O11,(1):1619.I-31吴晋彬,刘国权,王承阳,等.钒氮微合金钢动态再结晶动力学及—影响因素[J].材料科学与工艺,2011,19(1):8590.——WUJin-bin,LIUGuoquan,WANGChengyang,eta1.Dynamic—recrystallizationkineticsandrelatedinfluencefactorsofvanadiumnitridemieroalloyedsteelduringhotcompressivedeformation[J].—MaterialsScienceandTechnology,2011,19(1):8590.[4]权国政。张艳伟,王凤标,等.7075铝合金热塑性变形动态再结晶—动力学模型[J].机械工程材料,2011,35(12):97101.—QUANGuozheng,ZHANGYan-wei,WANGFeng-biao,eta1.—Kineticsmodelfordynamicrecrystal1izati0nof7075aluminumal—loyinthermoplasticdeformation[J].MaterialsforMechanicalEn—gineering,2011,35(12):97101.[5]SAKAIT,MIURAH,GOLOBORODKOA,eta1.Continuousdynamicrecrystal1izati0nduringthetransientseveredeformation—ofaluminumalloy7475I-J].ActaMaterialia,2009,57(1):153162.————[63儿Guoliang。LIFuguo,LIQinghua,eta1.Researchonthedynamicrecrystal1izati0nkineticsofAermet100steel[J].Materials—ScienceandEngineering:A,2010,527(9):23502355.———[73YANGXuyue,JIZesheng,MIURAH,eta1.Dynamicrecrystallizationandtexturedevelopmentduringhotdeformationof—magnesiumalloyAZ31I,J].TransactionsofNonferrousMetalsSo—cietyofChina,2009,19(1):556O.[8]POLIAKEI,JONASJJ.InitiationofdynamicrecrystaI1izati0ninconstantstrainratehotdeformationEJ].ISIJInternational,2003,—43(5):684691.[9]MIRZADEHH,NAJAFIZADEHA.Predictionofthecriticalconditionsforinitiationofdynamicrecrysta1lization[J].Materials—&Design,2010,31(3):11741179.1,10]刘红,王西涛,陈冷.含铌微合金钢的再结晶组织演化模拟[J].—北京科技大学学报,2008,30(12):13331337.——LIUong,WANGXitao,CHENLeng.Microstructuralmodel—lingofrecrystalIizationinniobiumcontainingmicroalloyedsteel口].JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing,—2008,30(12):13331337.[11]MOMENIA,DEHGHANIK.otworkingbehaviorof2205———austeniteferriteduplexstainlesssteelcharacterizedbyconstitu_—tiveequationsandprocessingmapsl'J].MaterialsScienceandEn—gineering:A,2011,528(3):14481454.[123欧阳德来,鲁世强,黄旭,等.TA15钛合金B区变形动态再结晶—的临界条件l-J].中国有色金属,2010,20(8):15391544.———OUYANGDelai,LUShiqiang,HUANGXu,eta1.CriticalconditionsofdynamicrecrystaI1izati0nduringdeformationof8areainTA15titaniumalloy[J].TheChineseJournalofNonferrous—Metals,2010,20(8):15391544.[13]周坚,潘清林,张志野,等.7B50铝合金热变形组织演变[J].热加—工工艺,2012,41(2):2023.——ZHOUJian,PANQinglin,ZHANGZhiye,eta1.Microstructureevolutionof7B50alloyduringhotdeformation[J].HotWorking—Technology,2012,41(2):2023.[14]邬小萍,李德富,郭胜利,等.铸态ZnAll0Cu2合金热变形本构方—程[J].锻压技术,2011,36(1):119123.———WUXiaoping,LIDefu,GUOShengli,eta1.ConstitutiveequationofhotdeformationforcastingZnAll0Cu2alloy[J].—Forging&StampingTechnology,2011,36(1):119123.[15]JONASJ,SELLARS,MCGWJ.Strengthandstructureunderhotworkingcondition[J].TegartIntMetalsReviews,1969,15—(1):2227.—[16]SHIH,MCLARENAJ,SELLARSCM.Constitutiveequationsforhighte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布丁老师
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