6156鋁合金熱變形行為的研究

朱劍軍,鄔 曄,唐文杰,李 劍

(湖南稀土金屬材料研究院,湖南長沙 410126)

6156鋁合金熱變形行為的研究

朱劍軍,鄔 曄,唐文杰,李 劍

(湖南稀土金屬材料研究院,湖南長沙 410126)

在Gleeble-1500熱/力模擬機上對試驗6156合金進行了熱壓縮試驗,研究了其在溫度300～450℃和應變速率0.1～10 s-1條件下的熱變形行為。結果表明:熱變形過程中的流變應力可以很好地用雙曲正弦本構關系來描述,通過優化α值,可以更精確地得到該合金的表觀激活能為240.97 kJ/mol。根據材料動態模型,計算并分析了6156合金的加工圖。利用加工圖確定了熱變形的流變失穩區,而隨著變形溫度的升高及變形速率的降低,能量消耗效率η逐漸升高。

6156合金;流變應力;本構關系;加工圖

6156鋁合金是法國Pechiney公司研究開發的一種新型航空用鋁合金[1,2],由于該合金含有一定量的Si、Mg、Cu、Mn元素,故耐蝕性比高強7xxx系合金好,強度比6xxx系合金高,且保持了優良的成型性,因而該合金在航空航天、艦船、交通和建筑等領域有著廣泛的應用前景。作為一種重要的結構材料,其高溫塑性變形時的流變應力、變形特征和成形指標等還缺乏深入研究,因而研究該合金高溫下的流變應力隨變形條件下的變化規律是非常必要的。本文以6156合金為試驗材料,研究了流變應力模型及加工圖,通過對雙曲正弦函數的材料常數(α)采用α=β/n和優化處理兩種方法進行求解,以能更精確的得出合金的表觀激活能,從而為6156合金的熱加工工藝的制定與優化提供實驗數據及理論依據。

1 試驗材料與方法

試驗用材料采用實驗室制6156鋁合金鑄錠,鑄錠尺寸為110 mm×90 mm×40 mm,其分析的合金化學成分列于表1。壓縮試驗前,鑄錠在箱式電阻爐進行540℃×12 h+570℃×24 h雙級均勻化處理。

表1 6156鋁合金的化學成分 %

將均勻化處理過的合金鑄錠,沿擠壓方向截取20 mm×20 mm×10 mm的方形試樣,用 Gleeble-1500熱模擬試驗機,選取不同溫度、不同應變速率,對鋁合金試樣進行平面應變壓縮試驗。壓縮過程中,在試樣兩端的槽內填充潤滑劑(75%石墨+20%機油+5%硝酸三甲苯脂),以減小摩擦對應力的影響。壓縮試驗結束后立即對試樣進行水淬處理,以保留其變形組織。變形溫度范圍為350～450℃,應變速率范圍為0.1～10 s-1,最大總壓縮應變量為0.9(真應變),熱模擬試驗的升溫速率為2℃/s,保溫時間為5 min。試樣的實際溫度由焊接在試樣側面的熱電偶測量,反饋回控制系統,為降低試樣表面與壓頭之間的摩擦力,在試樣上下兩表面添加石墨片作為潤滑劑,以盡量減少端面摩擦力對真實應力的影響。由 Gleeble-1500熱模擬機的計算機自動采集應力、應變、壓力、位移、溫度及時間等數據,繪制真應力-真應變曲線。

2 試驗結果與討論

2.1 真應力-真應變曲線

6156鋁合金高溫壓縮變形時不同變形溫度和應變速率條件下的真應力-真應變曲線如圖1所示。在300～450℃和0.1～10 s-1的條件范圍內,該合金的應力-應變曲線為典型的應力-應變曲線,它包含了三個階段。第一階段,變形初期。加工硬化率高于軟化率,應力先隨應變的增加迅速上升,較小的變形引起應力迅速增加;第二階段,當出現一峰值后,流變應力逐漸降低,表現出流變軟化的特征;第三階段,流變應力基本保持恒定,這時加工硬化與流變軟化達到平衡,真應力-真應變曲線趨于水平。流變軟化是鋁合金在高溫變形過程中真應力-真應變曲線的典型特征。它是由變形熱或材料內部組織結構的不穩定性引起的。在相同的應變速率下,流變應力隨著變形溫度的升高而降低,這是由于溫度升高后,受熱激活影響的位錯運動的阻力下降,空位、間隙原子等點缺陷也更加活躍;在相同的變形溫度下,隨著應變速率的增加,材料的真應力水平提高,說明在該實驗條件下,6156鋁合金具有正的應變速率敏感性[1],即應變速率越大,溫度越低,進入穩態流變階段時的真應力逐漸增大,進入穩態變形更困難。

圖1 6156鋁合金在不同應變速率下的真應力-真應變曲線

2.2 流變應力方程

金屬和合金高溫塑性變形最顯著的特點是應變速率受熱激活過程控制,其高溫流變應力σ取決于變形溫度T和應變速率˙ε,引入變形表觀激活能(Q)概念,熱變形的溫度與應變速率條件可采用帶激活能項的Zener-Hollomon(Z)參數描述(式1)。在σ-˙ε-T作為獨立變量的前提下,熱變形本構方程有冪函數(式2)、指數函數(式3)及雙曲正弦函數(式4)三種半經驗類型的表征方案,它們均可轉化為σ=f(σ)型函數[3]。

式(1)～式(4)中,σ是流變應力,R是氣體常數,A、n1、β、α、n稱為材料常數,特別地,n1、n可稱為硬化指數,β可稱為硬化系數。上述材料常數間一般認為存在α=β/n1關系。一般認為,冪函數形式(式2)適用于低應力水平,指數函數形式(式3)適用于高應力水平,而雙曲正弦函數形式(式4)適用于較寬的應力與應變速率范圍。

對式(2)、式(3)兩邊取對數:

由式(5)和式(6)可知,當變形溫度一定時,n和β分別為ln˙ε-lnσ和ln˙ε-σ曲線的斜率。將不同變形條件下的峰值應力值分別代入式(5)和式(6),繪制出相應的ln˙ε-lnσ、ln˙ε-σ關系圖,如圖2所示。分別取圖2(a)、2(b)中所有直線斜率的平均值,得到n1=10.891 8,β=0.128 0,α=β/n=0.011 75 MPa-1。

在一定的應變和應變速率下,對式(4)取自然對數并求偏導得:

由式(7)知,當Q與T無關時,ln[sinh(α σ)]與1/T為線性關系,令式中K=?ln[sinh(α σ)]/?(1/ T),K為直線ln[sinh(α σ)]-1/T的斜率;n2為直線ln˙ε-ln[sinh(α σ)]的斜率。取峰值應力和對應的溫度值,繪制相應的ln˙ε-ln[sinh(α σ)]圖;用最小二乘法線性回歸取平均值后n2=8.369 2。從雙曲正弦函數出發,必須獲得合適的α值。按式(8)所示構造優化目標函數,求解后可得到α′=0.026 9。

圖2 應變速率與流變應力的關系

式中σi為按(4)計算的各ε˙-T條件下的應力值為該條件下的峰值應力。

取αH=α′時 ln˙ε-ln[sinh(αHσ)]、ln[sinh(αHσ)]-1 000/R T關系如圖3所示,按式(7)可得到平均激活能Q=240.97 kJ/mol,大于鋁合金的自擴散激活能。

根據圖3(a)中直線的截距,即lnA-Q/R T的值,取其平均值可獲得A=2.865 3×1014s-1。通過其斜率,則可求得材料常數n的平均值為4.607 8。將求得的A、Q、n、αH等材料參數代入式(4),得到6156鋁合金熱壓縮時的流變應力本構方程為:˙ε= 2.865 3×1014[sinh(0.026 9)]4.6078exp(-240.97/RT)。

圖3 ln˙ε-ln[sinh(αHσ)]、ln[sinh(αHσ)]-1 000/R T關系圖

圖4 lnZ-ln[sinh(αHσ)]關系圖

將Q和變形條件代入式(4),求解不同條件下Z參數,再繪制lnZ-ln[sinh(αHσ)]曲線,其關系如圖4所示。由圖4可以看出,lnZ與ln[sinh(αHσ)]成線性關系,對其進行一元線性回歸,相關系數大于0.99,說明6156合金高溫變形過程是受位錯的熱激活過程控制的。從流變應力曲線特征看,動態回復為主要的變形軟化機制。動態回復的發生與高溫變形過程中位錯的交滑移、攀移以及位錯間相互銷毀和湮滅有關。

為了檢驗優化參數的預測精度,采用這些函數預測應力值(σi)與試驗值(σP)間的方差(δ)作為數據。未優化與優化后的雙曲正弦函數的方差及激活能關系如圖5所示,由圖5可知,優化過的模型方差要小于未優化的雙曲正弦模型,且激活能也低一些。由圖中還可以看出當溫度范圍在400～500℃時,所取的激活能及方差要明顯小于350～500℃的溫度范圍。這說明變形溫度越高,得出表觀激活能越小,經優化α值所得到的方差也就越小。由上述可見,材料常數優化處理可以提高雙曲正弦函數的精度。

圖5 不同溫度范圍下,試驗方差及表觀激活能對比

2.3 加工圖

動態材料模型將金屬的熱加工過程視為一個系統,這個系統中,包括有功率源(液壓能)、功率的儲存(工具)以及功率的消耗(工件)。能量由功率源產生,傳輸到工具而儲存能量,進而通過界面傳輸給工件,工件自身在經歷塑性變形中消耗能量。功率消耗在以下兩方面:(1)由工件塑性變形引起的粘塑性熱,稱之為耗散量,用G表示;(2)工件塑性變形過程中組織變化(如:回復、再結晶、孔洞形成楔形裂紋、超塑性和相變等)而耗散的功率,稱之為耗散協量,用J表示。

功率分配可由如下表示:

由式(9),功率的分量J和G之間有如下關系:

這個比值即材料的應變速率敏感系數m。由這個系數,動態本構方程可表示為:

式(11)稱為動態本構方程,它是沿動態變形過程作積分的結果,即在某一應變速率下的瞬間變形,根據離散化原則對每個材料單元的動態軌跡所作積分。敏感系數m可用不同的應變速率試驗中測量得到的連續流動應力值計算而得。由式(9)得:

冶金學過程變化是由于耗散協量J的變化引起的,當材料處于理想線性耗散狀態時,m=1,此時J達到最大值,即:

引入功率耗散效率參數η:

可以看出,效率η直接與應變速率敏感指數m相關。

在應變速率和溫度所構成的二維平面上繪出等功率耗散效率因子(η)的曲線即為功率耗散圖。功率耗散圖中高功率耗散區定義為具有最佳加工性能區。

根據大應變塑性變形不可逆熱力學極值原理,Prasad等根據Ziegler提出的最大熵產生率原理,認為如果耗散函數D(˙ε)同應變速率 ˙ε滿足不等式dD/d˙ε＜D/˙ε時,會出現變形失穩,式中D是在給定溫度下的耗散函數。按照動態材料模型原理,D等于耗散協量J。因此流變失穩的條件為:

將式(9)代入上式,最終可化簡為:

所以,失穩條件也與應變速率敏感指數m相關。

在應變速率˙ε和溫度T所構成的二維平面上繪出ξ(˙ε)＜0的區域即為熱加工失穩圖。即如果系統不能以施加在系統上的應變速率以上的速率產生熵,那么系統就會產生局部應變或者形成流變失穩。

將熱加工失穩圖疊加于功率耗散圖之上就可得到材料的熱變形加工圖。應用熱加工圖來分析合金的加工性能不僅可以優化加工工藝而且可以避免流變不穩定區域。試驗6156合金在真應變為0.9時的加工圖如圖6所示,其他應變的加工圖與此類似。圖中陰影區為流變失穩區,等值線上的數字表示功率耗散系數。由圖6可以看出,圖中失穩區較少,僅在變形溫度為623～650 K、1～10 s-1范圍內,出現流變失穩區,可加工范圍寬,說明該合金可加工性較好。變形溫度及應變速率不同,合金的動態能量消耗行為明顯不同。隨著變形溫度的升高及應變速率的降低,η值逐漸增加,即合金的動態能量消耗能量增強,應變量對其熱加工圖的形狀影響不大。

圖6 試驗6156合金在真應變為0.9時的加工圖

利用動態材料模型所繪制的熱加工圖能夠成功地反映出材料在各種溫度和變形速率條件下變形時,其內部組織變化機制,并能預測獲得良好熱加工性能的最佳溫度和變形速率范圍。η參數反映出在一定的溫度和應變速率范圍內各種組織變化機制。對于安全的熱變形機制有動態再結晶,動態回復和超塑性,如果有楔形裂紋和區域變形的形成則表明懸危險的熱加工。從熱加工圖可以看出,應變量對熱加工圖的影響不大。隨著變形溫度的升高及應變速率的降低,能量消耗效率逐漸升高,即合金的動態能量消耗能量增強。η的峰值對應的區域為材料的完全再結晶區,而η則描述的是材料熱變形過程中因顯微組織改變而消耗的能量與總能量的比值。試驗材料在變形溫度500℃左右、應變速率為0.1 s-1時,能量消耗效率η達到峰值,約為33%～35%。

3 結 論

1.在應變速率為0.1～10 s-1、變形溫度350～500℃條件下,6156合金的流變應力在開始階段隨應變的增加而迅速增加,當真應變超過一定值后,真應力開始下降并逐漸趨于穩定。隨著變形溫度的降低和應變速率的增加,流變應力增加。

2.熱變形過程中的流變應力可以很好地用雙曲正弦本構關系來描述,通過優化α值,可以更精確地得到該合金的表觀激活能為240.97 kJ/mol。其熱變形本構方程為:

3.應變量對其熱加工圖的形狀影響不大,隨著溫度的升高及應變速率的降低,η值逐漸增加,即合金的動態能量消耗效率逐漸升高。在變形溫度500℃左右、應變速率為0.1 s-1時,能量消耗效率η達到峰值,約為33%～35%。

[1] Dif R,Bes B,Warner T,et al.Recent development in AA6056 aluminum alloy used for aerospace[J].Advances in the Metallurgy of Aluminum Alloys,2001:390-397.

[2] Lequeu P,Lassince P,Warner T.Aluminum Alloy Development for the Airbus A380 Part 2[J].Advanced Materials&Process,2007, 165:41-44.

[3] 關德林.晶體的高溫塑性變形[M].大連:大連理工大學出版社,1989.

[4] Shi H,Mclaren A J,Sellars C M,et al.Constitutive equations for high temperature flow stress of aluminum alloys[J].Material Science and Technology,1997,13(3):210-216.

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Study on 6156 Aluminum Alloy Hot Deformation Behavior

ZHU Jian-jun,WU Ye,TANG Wen-jie,LI Jian
(Hunan Research Institute of Rare Earth Materials,Changsha410126,China)

Gleeble-1500 thermal/mechanical simulator tests on 6156 alloy hot compression tests were studied in the temperature 300～450℃and strain rate of 0.1～10 s-1under the conditions of hot deformation behavior.The results show that:during hot deformation,the flow stress can be well described by the hyperbolic sine constitutive;by optimizing the value ofα,it can obtain more accurately the apparent activation energy of the alloy which is 240.97 kJ/mol.According to the dynamic materials model,it calculated and analyzed the 6156 alloy processing maps.With use of hot deformation processing maps,it identified areas of flow instability,and as the deformation temperature and deformation rate decreased gradually,the energy consumption efficiencyηin creased.

6156 alloy;flow stress;constitutive;processing maps

TG166.3

A

1003-5540(2011)03-0038-05

朱劍軍(1968-),男,工程師,主要從事材料壓力加工研究。

2011-05-08