2124铝合金的热压缩变形和加工图.pdf

　１０　　　　材料工程／２０１０年４期　　　　２１２４铝合金的热压缩变形和加工图　　　　　ＨｏｔＣｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　　　　　　Ｍａｐｓｏｆ２１２４ＡｌｕｍｉｎｕｍＡｌｌｏｙ　　　　　　　　　李成侣，潘清林，刘晓艳，何运斌，李文斌　　　　　　　　　　（中南大学材料科学与工程学院，长沙４１ＯＯ８３）　—　　—　　　　ＬＩＣｈｅｎｇｌｕ，ＰＡＮＱｉｎｇ一１ｉｎ，ＬＩＵＸｉａｏｙａｎ，ＨＥＹｕｎ－ｂｉｎ，ＬＩＷｅｎ－ｂｉｎ　　　　　　　　　（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００８３，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　℃　　　　摘要：采用热模拟实验研究２１２４铝合金在应变速率为０．０１～１０ｓ～、变形温度为３４０５００条件下的流变应力行为。　　　　　　　　　　结果表明：２１２４铝合金热变形过程中的流变应力可用双曲正弦本构关系来描述，平均激活能为１７０．１３ｋＪ／ｍｏｌ。根据动　　　　　　　　　　　态材料模型，计算并分析２１２４铝合金的加工图。利用加工图确定热变形的流变失稳区，并且获得了实验参数范围内的　　　℃　　　　　热变形过程的最佳工艺参数，其热加工温度为４５０左右，应变速率为０．０１～Ｏ．１ｓ－。。　　　　　　　　关键词：２１２４铝合金；热压缩变形；动态材料模型；加工图　　中图分类号：ＴＧ１４６．２　　文献标识码：Ａ　———　文章编号：１００１４３８１（２０１０）０４００１００５　　　　　　　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｆｌｏｗｓｔｒｅｓｓｂｅｈａｖｉｏｒｏｆ２１２４ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｄｕｒｉｎｇｈｏｔｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｗａｓ　　　　　　　　　　　　　　　　ｓｔｕｄｉｅｄｂｙｔｈｅｒｍａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔ，ｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｓｔｒａｉｎｒａｔｅｒａｎｇｅｏｆ０．１－１０ｓ＿１ａｎｄｔｈｅ　　　—℃　　　　　　　　　　　　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒａｎｇｅｆｒｏｍ３４０５００．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｆｌｏｗｂｅｈａｖｉｏｒｏｆ２１２４ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ　　　　　　　　　　　　　ｗａｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄｂｙｔｈｅｈｙｐｅｒｂｏｌｉｃｓｉｎｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｅｑｕａｔｉｏｎ，ａｎｄａｎａｃｔｉｖａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｏｆ１７０．１３ｋＪ／ｍｏｌ　　　　　　　　　　　　　　　ｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．ＴｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍａｐｓｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔＯｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓ　　　　　　　　　　　　　　ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｚｏｎｅｓｏｆｆｌｏｗｂｅｈａｖｉｏｒｃａｎｂｅｒｅｃｏｇｎｉｚｅｄｂｙｔｈｅｍａｐｓ．Ｔｈｅｏｐｔｉｍｕｍｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｈｏｔｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆｔｈｉｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｃａｎａｌｓｏｂｅａｔｔａｉｎｅｄｂｙｔｈｅｍａｐｓ，ｗｈｉｃｈ　　　　　　　　　　　　　ｔｈｅｈｏｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗａｓａｒｏｕｎｄ４５ｏ＊Ｃａｎｄｔｈｅｓｔｒａｉｎｒａｔｅｉｓ０．０１－０．１ｓ＿。．　　　　　　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：２１２４ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ；ｈｏｔｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｄｙｎａｍｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓｍｏｄｅｌ；ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　　ｍａｐ　　　　　　　　　　表征金属塑性成形能力的一个重要指标是材料的“”　　加工性。所谓加工性是指材料在塑性变形过程中不　发生破坏所能达到的变形能力口］。描述材料加工性能　　　　　　　　　　的图形即为加工图。利用加工图可以分析材料在不同　　　变形温度和应变速率的高温变形机制，从而获得热加“”“　”　　工安全区和不安全区，达到控制材料组织演变，避　　　免产生缺陷和优化材料加工工艺的目的［２］。加工图　　主要分为两类：一类是基于原子模型的加工图；另一类　　　　　　　　　　　是基于动态材料模型（ＤｙｎａｍｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓＭｏｄｅｌ，　　　　　　　　　　　　　　ＤＭＭ）的加工图。基于原子模型的加工图涉及很多　　　　　材料参数，因此它仅适用于纯金属和简单合金，且只　　　　在稳态下才有效，对一般的复杂合金不适用。目前，　　　　　　　基于动态材料模型（ＤＭＭ）的加工图技术被广泛应　　　用于表征材料的热加工性能和设计材料的热加工工　　　艺一。　　本工作通过热压缩实验，获得了不同应变条件下　　　　的２１２４铝合金的流变应力数据，分析了该合金的流变　　　　应力行为，并建立了热加工图，为２１２４铝合金热加工　　工艺的制定与优化提供实验数据及理论依据。　　　Ｉ实验　　　　　　实验材料２１２４铝合金的名义成分如表１所示。　　℃　　　　　　　　　　铸锭于４９０均匀化处理２４ｈ，然后加工成￣１０ｍｍ×　　　１５ｍｍ的圆柱形试样，为了减少试样与压头之间的摩　　　　　擦，压缩试样两端各ＪＪｎ－ｒ出深度为０．２ｍｍ的凹槽，在　　　　　　　　　　　　　　压缩实验过程中，将凹槽内均匀填充润滑剂（７５石墨　　　　　＋２０机油＋５％硝酸三甲苯脂，质量分数）。压缩实　　　验在Ｇｌｅｅｂｌｅ－１５００热模拟机上进行。实验应变速率为　　　　　　　　０．０１，０．１，１．Ｏｓ和１０ｓ＿。，变形温度为３４０，３８０，４２０，℃　℃　　　　　４６０和５００，总压缩变形量为６０。压缩变形结束　后立即对试样进行水淬以保留高温变形组织。沿压缩　　　轴线将试样对半切开，利用ＰＯＬＹＶＥＲ－ＭＥＴ金相显　微镜观察合金热压缩变形后的组织。　　２１２４铝合金的热压缩变形和加工图　１１　　２结果及分析　　　　　　２．１２１２４铝合金流变应力　　　图１为２１２４铝合金在高温压缩变形时的真应力一　　　　　　　　　　　　　真应变曲线。由图１可见，热变形初期，流变应力随着　　　变形程度的增大而升高，并迅速达到某一峰值，随后随　　　　　　　　　　　　着应变量的增大，真应力不发生明显变化，即呈现稳态　　流变特征。在同一应变速率下，随着变形温度的升高，　　　流变应力明显降低。在同一变形温度下，随着应变速　　率的增加，流变应力升高。说明２１２４铝合金具有正的　　　　　应变速率敏感性。　　　　　　　　　　　　　　　金属材料的热加工变形存在着热激活过程Ｌ８］，与　　　　　图１２１２４铝合金热压缩变形真应力一真应变曲线　　　　（ａ）０．０１ｓ一；（ｂ）０．１ｓ一；（ｃ）１．０ｓ一；（ｄ）１０ｓ一　　　—　　　　　　　　　　Ｆｉｇ．１Ｔｒｕｅｓｔｒｅｓｓｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｓｏｆ２１２４Ａ１ａｌｌｏｙａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒａｉｎｒａｔｅｓ　　　　（ａ）０．０１ｓ一１；（ｂ）０．１Ｓ一；（ｃ）１．Ｏｓ一；（ｄ）１０ｓ一　　　　　　　　高温蠕变相似。Ｓｅｌｌａｒｓ和Ｔｅｇａｒｔ根据材料变形过程与　　　　　　　　　　　　　　　　　蠕变过程的相似性，采用包含变形激活能Ｑ和温度Ｔ　　　　　　的双曲正弦修正的Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ关系来描述材料热变形过　　　　　　　　　　程中流变应力与变形温度和应变速率之间的关系：一　　　　　ＡＩｓｉｎｈ（ａ）Ｉｅｘｐ（一Ｑ／Ｒ丁）　（１）　　　　　　　　式中；Ａ为结构因子；为应力指数；ａ为应力水平参　　　　　　　　　　　　　数；Ｑ为材料的热变形激活能，它反应材料热变形的难　　　　　　　　　　　　　　　易程度，是材料热变形过程中重要的力学性能参数；Ｔ　　　为变形温度；表示峰值应力或稳态流变应力，即稳态　　流变阶段某指定应变量对应的流变应力；Ｒ为摩尔气　体常数。该式可以在整个应力范围内较好地描述金属　　　　　　　　　　　材料常规热加工过程的流变应力变化规律。并被广泛　　　　　　　　　　用于估计各种金属及合金的热变形激活能。　　在低、高应力水平下，流变应力与应变速率的关系　　　　　　　　　　分别可用指数关系和幂指数关系描述，即：　　　　　低应力水平（ａａ＜０．８）时：一　　　Ａｅｘｐ（一Ｑ／ＲＴ）　（２）　　　　高应力水平（ａａ＞１．２）时：一　　Ａｚｅｘｐ（ｆｌｄ）ｅｘｐ（一Ｑ／ＲＴ）　（３）　　　　　　　　　　　　　　　　　式中：Ａ，Ａ。，ｎ，均为材料常数；ａ，与之间满足　　　ａ一　　１。　　　根据Ｚｅｎｅｒ和ＨｏｌＩｏｍｏｎ提出的应变速率和温度　　　关系［９］，用参数Ｚ表示：—　　　Ｚｋｅｘｐ（Ｑ／ＲＴ）寻ＡＥｓｉｎｈ（ａ）］　（４）　∞∞∞　　　Ｂｄ《丧已　　　　　￡，Ｓｓｕ丧ｕ芑　１２　　　材料工程／２０１０年４期　　　　假定在一定的温度下，变形激活能Ｑ为常数，对　　　　　式（２）和（３）两边取对数有　　　　　　　Ｉｎ｝：Ｂ１＋１ｌＩ，其中Ｂ１一ｌｎＡ１一Ｑ／ＲＴ（５）　　　　　　　　１畦一Ｂ２＋卢，其中Ｂｚ：＝：ｌｍ２一Ｑ／ＲＴ（６）　　　取不同条件下的峰值应力为流变应力，分别绘制　　　　　　　　出１Ｍ，与Ｉｎｋ关系图，并分别进行线性回归，如图２　　　　所示。可以看出，其线性关系十分明显。根据式（５）和　　　　（６），取图２（ａ）中峰值应力较低，即温度为４２０，４６０，℃　　　　　　５００各直线斜率的平均值，得到ｎ一５．３４９２；取图２　　℃　（ｂ）中峰值应力较高，即温度为３４０，３８０，４２０各直线　　　　　　斜率的平均值，得到一０．０９２７ＭＰａ＿。，则ａ一３／＂一　　　０．０１７３ＭＰａ～。　　　图２峰值应力与应变速率的关系　（ａ）ｌｎｏ－ｌｎ￣；（ｂ）ａ－ｌｎ　　　　　　　　　Ｆｉｇ．２Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｐｅａｋｓｔｒｅｓｓａｎｄｓｔｒａｉｎｒａｔｅｓ　（ａ）ｌｎａ－ｌｎ￣ｌ（ｂ）ｏ－－ｌｎｋ　　　对式（１）两边取自然对数，整理可得—　　　—　ｌｎｋＢ＋ｎｌｎ［ｓｉｎｈ（ａ）］（Ｂ＝ｌｎＡＱ／ＲＴ）（７）　　　　　　　　ａ取本实验所得０．０１７３ＭＰａ～，以Ｉｎｋ和ｌｎ［＇ｓｉｎｈ　　　　　　（ａ）］为坐标作图，并进行线性回归，如图３所示。可　　　　知，Ｉｎｋ与ｌｎ［ｓｉｎｈ（ａａ）］之间的线性关系明显。　　　　对式（４）两边取自然对数，并假定在恒应变速率条　　　　件下变形时，一定温度范围内Ｑ保持不变，可得：　　　Ｉｎ［ｓｉｎｈ（口）］一Ａ。＋Ｂ３１０００（Ａ　。一　ｌ（１ｎｋ—　ｌｎＡ），　ｔ＂ｌ　Ｂｓ一　）　（８）　　　　　　图３不同变形温度下Ｉｎｋ与ｌｎ［ｓｉｎｈ（ａ）］的关系　　　　　　Ｆｉｇ．３Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｌｎｋａｎｄ　　　ｌｎ［ｓｉｎｈ（ａａ）］ａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ　　　以ｌｎ［ｓｉｎｈ（ａａ）］和１０ｏｏ／Ｔ为坐标作图，进行线性　　　　回归，如图４所示。可见，在相同应变速率下，ｌｎ［ｓｉｎｈ　　　　　（ａｄ）］和１Ｏ００／Ｔ呈线性关系。　　　　图４不同应变速率下ｌｎ［ｓｉｎｈ（ａｏ）］与温度的关系　　　　　Ｆｉｇ．４Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｌｎ［ｓｉｎｈ（ａａ）］ａｎｄ　　　　　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒａｉｎｒａｔｅｓ　　考虑温度对变形激活能的影响对式（４）求偏微分：　—　　ＱＲ　ｎＯｎｌｎｈ　　　　ｋ）｛　　）一Ｒ　（９）　　—　　　式中：为一定温度下ｌｎｋｌｎ［ｓｉｎｈ（ａｏ）］关系的斜率，　　　　即图３中各直线斜率的平均值，其值为４．３５１５；Ｓ为应　　变速率一定的条件下ｌｎ［ｓｉｎｈ（ａａ）］一ｌｏｏ０／Ｔ关系的斜　　　　　　　　　　　　　　　　　率，即图４中各直线斜率的平均值，其值为４．７０２５。　　　　　　将和Ｓ的值代入，即可求出２１２４铝合金的热变形激　　　活能Ｑ一１７０．１３ｋＪ／ｍｏｌ。　　　　　　对式（４）两边取对数还可得　—　　　　　ｌｎＺｌｎＡ＋ｎｌｎ［－ｓｉｎｈ（口）］　（１Ｏ）　　　将Ｑ值和变形条件代人式（４）求出ｚ值。绘制　　　’　ｌｎＺ－ｌｎ￣ｓｉｎｈ（ａａ）］关系图并进行线性拟合，如图５所　　　　　示。其线性关系表明，２１２４铝合金高温变形流动应　　　力一应变行为可以用ｚ参数描述，即该合金的高温塑性　２１２４铝合金的热压缩变形和加工图　１３　　　　　　　　　　　　　变形受热激活控制。由式（１Ｏ）可知，图５中直线的斜　　　　　　　　　　　　　　　　率即为应力指数，而其截距为ｌｎＡ。由拟合结果可　　　　　得，应力指数一４．１０９３，由ｌｎＡ一２５．６７０９，可以求得　　—材料常数Ａ１．４０８４×”　　１０Ｓ。　ｌｎ［ｓｉｎｈ（ＯｔＯ＂）］　　　　　　图５Ｚ参数与流变应力的关系　　　　　　　　　　Ｆｉｇ．５ＲｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎＺｐａｒａｍｅｔｅｒａｎｄｆｌｏｗｓｔｒｅｓｓ　　　　将Ｑ，Ｒ，Ｔ值代入即可求得Ａ。峰值应力下的热　　　　　　变形材料常数如表２所示。　　　　　表２峰值应力下２１２４铝合金的热变形材料常数　　　　　　　　　　　　　Ｔａｂｌｅ２Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆ２１２４Ａ１ａｌｌｏｙａｔｐｅａｋｓｔｒｅｓｓ　　　　２．２加工图理论　　　　　　　　　　　　　　在不同的变形温度与应变速率下，加工图能反映　　　　　　　　　　　　　　　　材料在热变形时内部微观组织的变化，且能够评估材　　　　　　　　料的可加工性。按照ＤＤＭ的观点　　　，在给定温度　　　　　　　　　　　和应变下，材料的热变形过程满足动态本构方程：一　Ｋｋ　（１１）　　　　　　　　　　　　　　　　　　式中：Ｋ为常数；为应变速率敏感指数。热加工过　　　　　　　　　　　　　　程中的单位体积所吸收的总能量Ｐ一，能量耗散可　　　　　　　　　　　　　　分为两部分：耗散量Ｇ和耗散协量，，其数学定义为：—　　—　—　　　　　　　　　ＰＧ＋Ｊｌ・ｄｋ＋Ｉ・ｄａ（１２）—　　　　　式中：Ｇｌ・畦，表示材料发生塑性变形所消耗的　　　　　　　　　　　能量，其中大部分转化成了热量，小部分以晶体缺陷能　　　的形式储存；Ｊ＝＝＝ｌ・ｄａ，表示材料变形过程中组织　　　　　　　　　　　演化所消耗的能量。这两种能量所占比例由材料的应　　　变敏感速率指数ｍ决定，即：ｍ　　一一　是一　　…　　　　对于理想线性耗散来说：Ｊ具有最大值Ｊ一，　　　　　定义耗散效率系数一　　　，则有：一　一　一　２　　　　一２ｃ一　（１４）　　　　　　　　　　当ｍ为常数时，根据式（１１）和式（１４）可得：　＇７一　　（１５）　　　是一个无量纲的参数，其物理意义是指材料热　　　　　　　　　　　　变形过程中显微组织变化所耗散的能量同线性耗散能　　　　量的比例关系。在应变速率和变形温度Ｔ所构成　　　的二维平面上绘出能量耗散因子刀的等值线图，就构　　　　　　　成了材料的功率耗散图。　　　　　　　　　　根据大应变塑性变形时的极大值原理口　，当耗　　　　　　　　　　　　散函数Ｄ（）与应变速率满足不等式：ｄＤ／ｄｋ＜Ｄ／　　　　　　　　　　　　　　　　　时，材料会出现变形失稳，式中Ｄ是在给定温度下　的耗散函数。按照动态材料模型原理，Ｄ等于耗散协　　　　　　　　　量，因此材料流变失稳的判据为：　掣＜　（１６）———　　—　—　　　　—　由于ＪＰＧｌａｄｋ一ＩＫｄｋ　（１７）　　　　　　　　将式（１７）带人式（１６）并化简可得：　３１ｎ（　）——　　　　　＋＜０　（１８）　３Ｉｎｋ　。　、　３１ｎ（　）　　　　—　　定义：（）一　十ｍ　（１９）　　　　　　　则材料流变失稳的条件为：　０１ｎ（　）　　　—　　（）一　　　　＋＜０　（２０）　　　　　　　　　　　　　式（２Ｏ）即为Ｐｒａｓａｄ失稳判据。在和Ｔ所构成　　　　　　　　　　　　　的二维平面上绘出变量（）的等值线图，这就构成了　　　　　　　　　　　　　　　材料的流变失稳图，（）＜Ｏ的区域为流变失稳区域。　　　　　　　　　　将失稳图与功率耗散图叠加便形成了加工图。　　　　　　　２．３２１２４铝合金加工图及其分析　　　　　　　　　　　　　采用三次样条函数拟合ｌｎａ与ｌｎｋ的关系，按式　　　　　（１３）计算，再按式（１Ｓ）计算刁，按式（２０）计算流变失　　　　稳区域，从而得到２１２４铝合金在应变量为０．６时的加　　　　　　　　　　　　　　　　　工图，如图６所示，图６中阴影部分为流变失稳区域，　等值线上的数字表示功率耗散系数。加工图中局部区　　　域存在功率耗散系数最大值，它代表特殊的显微组织　　　　机制或流变失稳机制。一般来说，高功率耗散区对应　　　　　　　　　　　　　　　　着材料的最佳加工性能区，然而由于楔形裂纹破坏机