新型超高強Al-Zn-Mg-Cu鋁合金熱壓縮變形的流變應(yīng)力行為

臧金鑫, 鄭林斌, 張坤, 陶樂曉

(1.北京航空材料研究院,北京 100095;2.成都飛機工業(yè)(集團)有限責(zé)任公司,成都 610092;3.太原科技大學(xué),太原 030024)

Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金具有高比強度和良好的綜合性能,是世界各國航空、航天及軍事領(lǐng)域不可或缺的結(jié)構(gòu)材料,通過高合金化、高純化、精密熱處理等方法,該系鋁合金進一步向 600MPa級甚至700MPa級超高強度發(fā)展[1,2],并有望在飛機的主承力結(jié)構(gòu)進一步擴大應(yīng)用,更好地滿足新一代先進武器裝備的減重需求。

Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金要想獲得良好的綜合性能,必須經(jīng)過擠壓、軋制或鍛造等高溫塑性變形,而該系鋁合金由于合金化程度較高,導(dǎo)致合金熱加工性能降低,若變形溫度及變形速率選擇不當(dāng),在變形時很容易發(fā)生開裂[3]。近年來,國內(nèi)外針對 7055, 7085,7050等高強Al-Zn-Mg-Cu合金的高溫流變應(yīng)力特征及材料本構(gòu)方程進行了大量的研究[4～8],初步掌握了不同熱變形條件下合金的流變應(yīng)力值及熱變形組織演變規(guī)律,建立了不同合金的高溫變形本構(gòu)方程,為合金后續(xù)熱加工工藝的制定和實施提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本工作針對自行研制的新型超高強Al-7.5～8.7Zn-1.8～2.7Mg-1.4～2.1Cu合金,采用熱力模擬試驗方法研究了合金熱壓縮變形過程中流變應(yīng)力行為,建立了材料熱變形的本構(gòu)方程,旨在為該合金合理制定熱加工工藝參數(shù)提供理論依據(jù)。

1 實驗材料與方法

實驗材料為Al-7.5～8.7Zn-1.8～2.7Mg-1.4～2.1Cu合金鑄錠,鑄錠尺寸為(280mm,均勻化退火后在鑄錠D/4直徑位置處取φ8mm×12mm的圓柱體試樣。在Gleeble-1500熱模擬機上進行熱壓縮變形試驗。變形溫度分別為 300℃,350℃,380℃, 400℃,420℃,450℃,應(yīng)變速率分別為 0.001s-1, 0.01s-1,0.1s-1,1s-1,總壓縮變形量為 50%。為消除接觸面上的摩擦,使壓縮試樣處于單向應(yīng)力狀態(tài),實驗過程中,試樣兩端墊有石墨紙。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

Al-Zn-Mg-Cu合金在不同變形條件下熱壓縮變形的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖 1所示。

從圖 1可以看出,在變形溫度為 300～450℃和應(yīng)變速率為0.001～1s-1的條件下,應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的動態(tài)回復(fù)型特征,即流變應(yīng)力先隨應(yīng)變的增加迅速升高,當(dāng)真應(yīng)變達到一定值后,真應(yīng)力并不隨著應(yīng)變的繼續(xù)增大而發(fā)生明顯的變化,呈現(xiàn)出較為明顯的穩(wěn)態(tài)流變特征。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是因為在熱變形過程中,材料內(nèi)部不斷進行著兩種相互競爭的過程,即加工硬化和加工軟化過程。在變形初期,一方面材料內(nèi)部位錯密度增加,使材料硬化,一方面由于位錯的重排和湮滅,使材料軟化,但由于軟化不足以補償位錯密度增加帶來的硬化,因此,流變應(yīng)力不斷增加。隨著變形量的增大,材料內(nèi)部空位濃度也提高,位錯的攀移在過渡變形階段也開始產(chǎn)生作用,參與軟化過程,從而使材料的軟化程度提高,當(dāng)位錯增殖引起的應(yīng)變硬化與位錯交滑移、攀移以及位錯的脫釘?shù)纫鸬能浕_到動態(tài)平衡時,真應(yīng)力基本保持恒定,即變形進入穩(wěn)態(tài)流變階段。

圖1 Al-Zn-Mg-Cu合金熱壓縮變形的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.1 True stress-strain curves of Al-Zn-Mg-Cu alloy at different temperatures and strain rates (a)ε﹒=0.001s-1;(b)ε﹒=0.01s-1;(c)ε﹒=0.1s-1;(d)ε﹒=1s-1

從圖 1還可以看出,在相同的應(yīng)變速率條件下,合金流變應(yīng)力隨變形溫度的升高而顯著降低。在相同的變形溫度下,合金的流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率增加而升高。這是因為：當(dāng)應(yīng)變速率恒定時,隨著變形溫度升高,基體中原子活動能力增強,原子間的結(jié)合力降低,合金變形時臨界切應(yīng)力降低,更多的滑移系得以啟動;而且位錯攀移能力增強,位錯間相互湮滅更加明顯,軟化程度增大,從而導(dǎo)致合金的應(yīng)力水平降低。當(dāng)變形溫度不變時,一方面,隨著應(yīng)變速率增大,在同一應(yīng)變量下產(chǎn)生的位錯增多,位錯運動速度增大,位錯間相互交割的幾率增多,因而提高了變形時的臨界切應(yīng)力;另一方面,應(yīng)變速率升高時,單位應(yīng)變的變形時間縮短,位錯被激活的時間縮短,使得動態(tài)回復(fù)或動態(tài)再結(jié)晶等流變應(yīng)力軟化行為不能充分進行。

2.2 流變應(yīng)力方程的建立

研究表明[9,10],金屬和合金的熱加工變形和高溫蠕變一樣都存在熱激活過程,應(yīng)變速率受熱激活過程控制。雖然熱加工變形時的應(yīng)變速率通常比蠕變時的應(yīng)變速率大幾個數(shù)量級,但熱加工仍可視為蠕變在大應(yīng)變速率和較高的應(yīng)力水平下的一種外延,兩者的變形機制和軟化機制都非常相似。為此, Sellars和Tegart于1966年提出了一種包括變形激活能Q和溫度的雙曲正弦形式的修正Arrhenius關(guān)系[11]來描述這種熱激活穩(wěn)定變形行為：

其中：

式中：ε﹒為應(yīng)變速率(s-1);R為氣體常數(shù)(8.31J/ mol(K));T為絕對溫度(K);Q為變形激活能(kJ/ mol);σ為流變應(yīng)力(MPa);A,α,n和n1為材料常數(shù),其中α=β/n1。A為結(jié)構(gòu)因子(s-1),α為應(yīng)力水平參數(shù)(MPa-1),n為應(yīng)力指數(shù)。

溫度和變形速率對材料變形行為的影響還可以用溫度補償?shù)膽?yīng)變速率因子Zener-Hollomon參數(shù)(簡稱Z參數(shù))來描述：

Arrhenius方程的雙曲正弦函數(shù)形式較好地考慮了熱變形條件(T,ε﹒)的綜合作用。這里取σ為穩(wěn)態(tài)應(yīng)力。

將式(2),(3)帶入式(1)并兩邊取對數(shù)得：

在同一溫度條件下,式中l(wèi)nA都為常數(shù)。分別做lnε﹒-lnσ,lnε﹒-σ關(guān)系圖。如圖2所示。

圖2 穩(wěn)態(tài)應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系Fig.2 Relationship between stresses and strain rates (a)lnε﹒-σ;(b)lnε﹒-lnσ

由式(6)(7)可知,當(dāng)溫度一定時,n1和β分別為lnε﹒-lnσ和lnε﹒-σ曲線的斜率。采用線性回歸處理,如圖2所示,相關(guān)系數(shù)均大于 0.99。n1值取圖2 (a)中穩(wěn)態(tài)應(yīng)力較低,即溫度為 380～450℃的直線斜率的平均值,得到n1=5.35532。β取圖2(b)中穩(wěn)態(tài)應(yīng)力較高,即溫度為 300～350℃的 2條直線斜率的平均值,得到 β=0.0689。則 α=β/n1= 0.01287MPa-1。

假定熱變形激活能Q與溫度T無關(guān),對式(1)兩邊分別取對數(shù),整理得：

在一定溫度下,對式(8)兩邊取對數(shù)得：

在一定應(yīng)變速率下,對式(8)兩邊取對數(shù)得：

將圖1中不同溫度下Al-Zn-Mg-Cu鋁合金變形時的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變速率值和 α值分別帶入式(8),再用最小二乘法線性回歸處理,分別繪制相應(yīng)的 ln關(guān)系曲線(圖3)和ln[sinh(ασ)]-1/T關(guān)系曲線(圖4),直線的斜率分別為應(yīng)力指數(shù)n和Q/nR。

由圖3,4可以得出,變形激活能Q=169.92kJ/ mol,應(yīng)力指數(shù)n=4.5537。

對式(5)兩邊取對數(shù)可以得到：

圖5所示為lnZ-ln[sinh(ασ)]關(guān)系曲線。采用一元線性回歸分析可以得出兩者的關(guān)系為lnZ= 28.029+0.987nln[sinh(ασ)],相關(guān)系數(shù)達到0.99以上。由此可以得出材料常數(shù) A為1.49×1012s-1。

圖5 穩(wěn)態(tài)應(yīng)力與Z參數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between flow stresses and Z parameters

由上述可以得到適用于該合金所有應(yīng)力狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力本構(gòu)方程：

變形激活能反映了合金熱變形的難易程度,表1給出了相關(guān)文獻中 7000系鋁合金及純鋁的變形激活能。從表 1的數(shù)據(jù)可以看出,7000系鋁合金的變形激活能比多晶純鋁的高,這是因為Zn,Mg,Cu等合金元素的加入,形成了第二相粒子,這些第二相粒子在金屬塑性變形的過程中,會阻礙位錯的運動,使位錯交滑移和攀移所需要的能量增加,從而提高了變形激活能。

表1 7000系鋁合金的變形激活能Tab le 1 Activation energy of the 7000 series alloys

與 7050,7085等 7000系高強合金相比,新型合金的熱變形激活能與 7050相當(dāng),比 7085的稍低,表明新型合金的熱變形難易程度與 7050相當(dāng),比7085更易熱變形。該新型合金的合金元素含量比7050及 7085的都要高,但熱變形激活能與二者相當(dāng)或略低,表明該合金有很好的熱加工性能。這一方面是因為該合金鑄錠的均勻化程度較高,除少數(shù)非平衡相在晶界析出外,大部分以平衡析出相的形式存在,在熱變形過程中,大部分平衡析出相發(fā)生了回溶,阻礙位錯運動的第二相粒子大量減少,導(dǎo)致熱變形激活能較低;另一方面是因為合金元素的加入會造成合金在塑性變形過程中形成的亞結(jié)構(gòu)更加密集,大量的亞晶界與基體間存在的原子錯配使合金在塑性變形過程中產(chǎn)生更多的空位,會促進位錯的重排和湮滅,增大了合金的回復(fù)驅(qū)動力,導(dǎo)致合金的變形激活能降低。

3 結(jié)論

(1)新型Al-7.5～8.7Zn-1.8～2.7Mg-1.4～2.1Cu-0.11Zr鋁合金為應(yīng)變速率敏感材料,應(yīng)變速率和變形溫度對合金的流變應(yīng)力有顯著影響,熱變形流變應(yīng)力隨溫度升高而降低,隨應(yīng)變速率的增加而增大。

(2)新型Al-7.5～8.7Zn-1.8～2.7Mg-1.4～2.1Cu-0.11Zr鋁合金可以用包含Arrhenius項的本構(gòu)過程描述其穩(wěn)態(tài)變形時的流變應(yīng)力行為。流變應(yīng)力本構(gòu)方程可以表示為：ε﹒=1.49× 1012[sinh(0.01287σ)]4.5537×exp(-1.6992× 105/RT)。

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