5083和7020变形铝合金加工图的研究.pdf

第５卷第３期２０ｌ１年９月材料研究与应用ＭＡＴＥＲｌＡＬＳＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＡＰＰＬＩＣＡＴＩ（）ＮＶ０１．５．ＮＯ．３ｓｅｐｔ．２０ｌＩ—文章编号：１６７３－９９８１（２０１１）０３０２１８－０４５０８３和７０２０变形铝合金加工图的研究＊梁奕清１，方刚２１．广东兴发铝业有限公司．广东佛山５２８０６１；Ｚ．清华大学机械工程系・北京１０００８４摘要：在动态材料模型理论基础上．对５０８３和７０２０两种典型变形铝合金的加工图进行研究分析・结℃果表明：５０８３铝合金适宜加工区的温度为４５０～５００、应变速率为０．００５～Ｏ．Ｉｓ一１Ｉ７０２０铝合金适宜加工区的温度为４５０～５５０。Ｃ、应变速率为ｏ．００１～ｏ．１ｓ一．同时通过选取７０２０铝合金在不同加工条件下的压缩试样．进一步探讨了７０２０铝合金在不同加工条件下微观组织的演化规律。初步验证了加工图的判断．关键词：变形铝合金；加工图；动态材料模型；塑性失稳准则；功率耗散效率中图分类号：ＴＧ３７６文献标识码：ＡＰｒａｓａｄ和Ｇｅｇｅｌ等人［１］根据大塑性变形连续介质力学、不可逆热力学理论和物理系统模拟，建立了动态材料模型（ＤＭＭ），该模型推导的加工图迄今为止已经在２００多种合金中得到成功地应用．目前在国内，根据加工图研究合金的热变形行为仅限于高温合金、钛合金及镁合金等少数几种合金【２］，在变形铝合金中的应用研究仍处于开拓阶段．５０８３和７０２０是高性能变形铝合金材料中的两个典型牌号，为了研究５０８３和７０２０铝合金的热成形性能及成形过程中微观组织的演化规律，将动态材料模型理论引入到研究中，以突破高性能变形铝合金材料的挤压加工关键技术。提高生产效率及产品性能．本文在动态材料模型理论基础上，对５０８３和７０２０两种典型变形铝合金加工图进行了研究分析，并且探讨了７０２０铝合金在不同加工条件下微观组织的演化规律．１试验部分在Ｇｌｅｅｂｌｅ一１５００Ｄ型热力模拟试验机上进行等温压缩试验，获得５０８３和７０２０铝合金的流动应力曲线，在试验变形条件范围内分析流动应力与热变形之间的关系，计算出５０８３和７０２０铝合金热塑性本构关系中的材料常数，在此基础上引入动态材料模型，对这两种典型合金的加工图进行研究．根据耗散结构理论，动态材料模型认为变形体作为一个功率耗散体，在塑性变形中将外界输入的功率消耗在塑性变形引起的粘塑性热（Ｇ）和变形过程中组织演化所耗散的功率（Ｊ）两方面．这一过程由下面公式表示Ｄ－ｚＪ：Ｐ一盯三＝Ｇ＋Ｊ＝Ｉ盯ｄ三＋Ｉ；ｄ仃．（１）式（１）中Ｐ表示外界输入功率，盯表示稳态流动应力，；表示应变速率．变形过程中的应变速率敏感因子ｍ和功率耗散效率呀可由下面公式表示：■ｍ：曼！！堕９（２）ｍ２一・Ｌ二Ｊａ（Ｉｎ言）刁：上告．（３）ｊ７２丽。’。Ｊ＇７的物理意义是材料成形过程中，显微组织演化所耗散的能量与线性耗散能量的比值．根据温度及应变速率可绘制功率耗散图¨］，功率耗散图反映了加工过程中功率的耗散与温度、应变速率及变形量之间的关系，从而可分析变形过程中材料组织的演变．功率耗散效率高并不代表材料的内在加工性好，因为材料还存在加工失稳区．在加工失稳区内，—收稿日期：２０１０１０．１６－基金项目：２００６年广东省教育部产学研结合项目（２００６Ｄ９０４０４０１３）ｔ２０１０年广东省省部产学研合作重大科技专项（２０１０Ａ０９０２０００７８）作者简介：梁奕清（１９７８一），男，广东茂名人。工程师．学士．万方数据第５卷第３期梁奕清．等：５０８３和７０２０变形铝合金加工图的研究２１９系统的熵产生率小于施加于变形体的应变速率，材料会发生塑性流动局部化，即产生加工失稳．加工失”稳可根据下式判据．雏，一堕掣＋。＞。（４）将加工失稳区域与功率耗散图进行叠加，可得到材料在某一变形量下的完整加工图．一般加工图中包括加工失稳区、危险区和安全区．安全区与金属的动态回复、动态再结晶及超塑性有关，而在加工安全区内功率耗散效率叉与工件成形后微观组织的变化有关，根据它在一定温度和应变速率下的典型值，可对材料微观组织变化的机制进行解释，并且通过微观金相观察得以验证．通过加工图可分析材料的加工性能，在安全区内功率耗散效率越大，表征金属的内在可加工性越好，２结果与分析２１５０８３变形铝合金加工图的研究分析首先对５０８３变形铝合金高温压缩试验数据进行整理，然后通过式（２）求出应变速率敏感因子ｍ，通过式（３）求出功率耗散效率日，在温度和应变速率平面内绘制出５０８３铝合金在真应变为０．６时的功率耗散图（见图ｉ中的等值曲线部分），再通过式（４）求得加工失稳区，在温度和应变速率平面空间绘制出５０８３铝台金的加工失稳图（见图１中的灰色区域），最后把功率耗散图和加工失稳图相互叠加．从而绘制出５０８３变形铝合金在高温热压缩实验条件下．真应变为０．６时的加工图（图１）．埴赧餐＿｜爵馏制馏℃温废，图１真应变量为０６时５０８３变形铝合金的加工图Ｆｉｇ１Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍａｐｏｆ５０８３ａｌｕｍｉｎｍ＇ｎａｌｌｏｙａｔｓｔｒａｉｎｏｆ０．６从图１可见：５０８３铝合金在真应变为０．６时的℃加工失稳区范围较大，主要在温度３００～４５０及应变速率为０．ｏ卜一ｌｓ１的区域，在这个区域内系统的熵产生率小于应变速率．导致材料塑性流动的局部化．从而产生加工失稳，表明这个区域是不适合加工区域，在实际的加工过程中应予以避免；在温度约为℃５００及应变速率为ｌ～５“ｓ的区域内ｔ由于功率耗散效率随着应变速率的增加而急剧下降，材料的内在加工性急剧降低，表明该区域是加工危险区，在实际的加工过程中也应该加以避免；在温度区间为℃４５０以上及应变速率为０．００５～０．１“ｓ的区间内，功率耗散效率较高，达到４０％以上，根据金属动态回复和再结晶理论，５０８３铝合金的熔点大约为℃６３０，其动态回复和再结晶的温度应该为℃０．７～ｏ．８Ｔｉｎ，即４４０～５００，而铝合金是具有较高层错能的合金，其理论的动态再结晶应变速率大致在０００１～０．１ｓ１区间，其理论的功率耗散效率最高可达５０％左右，由此可知，这个区域是５０８３铝台金在应变为０．６时的适宜加工区，即安全区．２２７０２０变形铝合金加工图研究分析通过运用与５０８３合金同样的技术步骤，可绘制出真应变量为０．６９３时７０２０变形铝合金的加工图（图２）．坦赫拓哥谮制恻℃温静围２真应变量为０．６９３时７０２０变形铝合金的加工图Ｆｉｇ２Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍａｐｏｆ７０２０ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙａｔｓｔ知ｎｏｆ０６９３℃从图２可以看出，在温度为４５０～５５０及应变速率为０．００ｌ～０．１ｓ１的加工区域内，功率耗散效率较高为２７％一３６％，并且在温度５００Ｃ、应变速率０．００ｌｓ１时取得最大值为３６％．７０２０铝合金的℃熔点约为６０４～６４５，根据动态再结晶理论ｔ发生动态回复和动态再结晶的温度为０．７－－０．８Ｔｍ，即万方数据材料研究与应用２０Ｌｌ℃４５０～５５０，而对于高层错能的铝合金，发生动态再结晶的应变速率范围为０．００１～０．１ｓ～．由此可℃以得出，在温度为４５０～５５０及应变速率为０．００１～０．１“ｓ的区域，该区域为动态再结晶区域，适宜进行加工，而７０２０铝合金的最优加工条件为温度℃５００、应变速率为０．００１ｓ１。．为了验证加工图的判断，选取不同加工条件下的压缩试样，观察其微观组织（图３）．从图３（ａ）和图３（ｂ）可以看出，在变形失稳区晶粒不均匀，粗大现象“严重．对应晶粒尺寸分９０为２５７．６７０ｍ和２９０．８０３“℃ｍ．比较而言，在温度４５０、应变速率０．００１ｓ１，℃温度５００、应变速率０．００１℃ｓ１及温度５００、应变速率１Ｓ＿１加工条件下（图３（Ｃ）至图３（ｅ）），变形后试样的晶粒较细且生长均匀，晶粒尺寸分别为“２１１．９ｉ０ｍ，２２４．２８８“ｐｍ和２０５．１０ｌｍ．图３（ｆ）为初始晶粒组织，晶粒尺寸为１７４．９１“９ｍ．这是由于试样经压缩后进行空冷，而高温条件下，在变形结束后易出现晶粒长大的现象，因此无法看出再结晶晶粒细化现象．田３不同变形条件下７０２０铝合金的微观组织．（ａｊ３００＂Ｃ．０．１℃ｓ；（ｂ）３５０．１０℃ｓ一；（ｃ）４５０．０．００１ｓ－。；（ｄ）５００１３．０．００１℃ｓ－。；（ｅ）５００．１ｓ～；ｆｆ）变形前Ｆｉｇ３Ｔｈｅｍｉｅｒｏｓｔｒｕｅｔｕｒｅｏｆ７０２０ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｆａ）３００１Ｃ．０．１℃５一；（ｂ）３５０．１０℃ｓ～；（ｃ）４５０，０００１℃ｓ；（ｄ）５００，０．００１ｓ～；℃（ｅ）５００．１—５１ｌ（ｆ）ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｅｔｕｒｅｂｅｆｏｒｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ３结语．（１）５０８３和７０２０变形铝合金的加工图均由加工失稳区、危险区和适宜加工区（安全区）三部分组成．５０８３铝台金适宜加工区的温度为４５０～５００＇Ｃ、应变速率为０．００５～０．１ｓ；７０２０铝合金适宜加工℃区的温度为４５０～５５０、应变速率为０．００１～ｏ．１Ｓ．为制定变形铝合金加工工艺提供了非常重要的理论依据，值得深入研究探讨并进行工业推广应用．（２）通过选取不同加工条件下的７０２０铝合金压缩试样，观察其微观组织，初步验证了加工图的判断，为深人开展变形铝合金加工图研究分析指明了方向．参考文献：［１］ＰＲＡＳＡＤＹＶＲＫ．ＧＥＧＥＬＨＬ．ＤＯＲＡＩＶＥＬＵＳＭ・（下转第２２４页）万方数据２２４材料研究与应用２０１１ｓｉｏｎｓｐｅｅｄｉｓ１７ｍ／ｒａｉｎ，ｔｈｅｄｅｆｅｃｔｉｓｍｏｒｅｖｉｓｉｂｌｅ．Ｔｏｏ１０Ｗｅｘｔｒｕｓｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｌｅａｄｓｔｏｎｏｎ－ｕｎｉｆｏｒｍｓｉｚｅａｎｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｄｙｎａｍｉｃｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｇｒａｉｎｓ，ｔｈｕｓｄｅｅｐｅｎｉｎｇｔｈｅｄｅｆｅｃｔｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｔｒｉｐ．Ｔｏｏｈｉｇｈｅｘｔｒｕｓｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｒｓｐｅｅｄｒｅｓｕｌｔｓｉｎｉｎｈｏｍｏｇｅｎｅｉｔｙｏｆｔｈｅｍｅｔａｌｆｌｏｗａｔｔｈｅｐａｒｔｗｈｅｒｅｗａｌｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓｃｈａｎｇｅｓ，ｃａｕｓｉｎｇｔｈｅｎｏｎ－ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｄｅｅｐｅｎｉｎｇｔｈｅｄｅｆｅｃｔｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｔｒｉｐ．Ｔｈｅｂｅｓｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｓｗｈｅｎｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓａｔ℃４９０ａｎｄｓｐｅｅｄａｔ１２ｍ／ｍｉｎＫｅｙｗｏｒｄｓ：ａｌｕｍｉｎｕｍｐｒｏｆｉｌｅ；ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｔｒｉｐｅ（上接第２２０页）ｅｔａ１．Ｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｄｙｎａｍｉｃｍａｔｅｒｉａｌｂｅｈａｖｉｏｒｉｎｈｏｔ—ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｏｒｇｉｎｇｏｆＴｉ－６２４２［Ｊ］．ＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌＴｒａｎｓａｃ－ｔｉｏｎｓ．１９８４．１５（１０）：１８８３．１８９２．’Ｃｚ］李庆渡．周海涛．蒋永峰．等．加工图的理论研究现状与展望［Ｊ］．有色冶金设计与研究．２００９．３０（４）：ｌ一６．［３］ＲＡＪＲ．ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍａｐｆｏｒｕｓｅｉｎｗｏｒＩｎｆｏｒｍｉｎｇａｎｄｈｏｔｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓ［Ｊ］．Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉ－ｃａｌａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＡ．１９８１．１２（６）：１０８９－１０９７．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍａｐｓｏｆ５０８３ａｎｄ７０２０ｗｒｏｕｇｈｔａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙＬＩＡＮＧＹｉｑｉｎ９１。ＦＡＮＧＧａｎｇｚ１．ＣｍａｎｇｄｏｎｇＸｉｎｇｆａＡｌｕｍｉｎｉｕｍＣｏ．．Ｌｉｄ．．Ｆｏｓｈａｎ５２８０６１．Ｃｈｉｎａ；２．ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ・ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ＢｅＯｉｎｇ１０００８４．ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｍａｔｅｒｉａｌｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍａｐｓｏｆｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅｗｒｏｕｇｈｔａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇ５０８３ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙａｎｄ７０２０ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙａｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｏｐｔｉｍｕｍｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｏｒ５０８３ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｉＳ℃４５０－５００ｗｉｔｈｓｔｒａｉｎｒａｔｅ—０．００５０．１Ｓ～・ｗｈｉｌｅｔｈｅｏｐｔｉｍｕｍｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｏｒ７０２０ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｉｓ—４５０５５０＂Ｃｗｉｔｈｓｔｒａｉｎｒａｔｅ０．００—１０．１Ｓ－。．Ｓａｍｐｌｅｓｏｆ７０２０ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｍｐｒｅｓｓｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄｆｏｒａｎａｌｙｚｉｎｇｉｔｓｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎ，ｔｈｕｓｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｉｌｙｔｅｓｔｉｆｙｉｎｇｔｈｅｊｕｄｇｍｅｎｔＯｆｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍａｐ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｒｏｕｇｈｔａｌｕｍｉｎｕｍ；ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍａｐｓ；ｄｙｎａｍｉｃｍａｔｅｒｉａｌｍｏｄｅｌ（ＤＭＭ）；ｐｌａｓｔｉｃｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ—ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ；ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｐｏｗｅｒｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ．万方数据