4032鋁合金熱加工圖及熱變形機理研究

陳 強，劉華平，陳拂曉，楊永順，郭俊卿

（1.河南科技大學 材料科學與工程學院，河南 洛陽 471023；2.洛陽中重發電設備有限責任公司，河南 洛陽 471003）

4032鋁合金是一種典型的共晶鋁硅合金，具有中等力學性能（抗拉強度350MPa），低的熱膨脹系數，出色的耐磨和耐腐蝕性能，適合于制造空調壓縮機活塞、發動機活塞、壓縮機轉子等零部件[1]。基于動態材料模型的熱加工圖能夠準確反映材料在不同變形條件下的組織結構變化，確定軟化機理，研究出失穩區域，優化熱加工工藝參數。本文采用Gleeble-1500熱物理模擬實驗機對4032鋁合金進行等溫壓縮實驗，得到壓縮式樣的真應力-真應變關系曲線。依據動態材料模型構建4032鋁合金的熱加工圖，為4032鋁合金的熱擠壓等熱塑性加工工藝參數的優化以及控制組織變化提供理論依據。

1 試驗材料和方法

實驗材料為工廠生產的4032鋁合金擠壓棒材，H112狀態，其化學成分（質量分數）為：Si11.0-13.5、Cu0.5-1.3、Mg0.80-1.3、Zn0.2、Fe1.0、Cr0.9，其他為Al。試樣加工成直徑?10mm、高為15mm的圓柱。為了減少摩擦因素的影響，在試樣兩端加工?13mm、深為0.2mm的淺槽，淺槽里放置碳粉。壓縮試驗在Gleeble-1500熱模擬試驗機上進行，變形溫度T分別為：370℃、400℃、430℃、460℃和 490℃，變形速率ε 分別為 0.02s-1、0.1s-1、1s-1和 5s-1，變形程度為60%。Gleeble-1500熱模擬試驗機自動采集壓頭行程及載荷，并根據相應的公式計算出應力和應變數據，應用origin軟件處理試驗數據，并繪制真應力—真應變關系圖。采用線切割將試樣沿著縱界面切開，在拋光機上用金剛石拋光液拋光，直至沒有明顯的劃痕，再用三酸溶液（HF、HCl、HNO3的含量分別是1.5%、2.5%、4%）腐蝕 10min，使用 OLYMPUS PMG光學顯微鏡觀察試樣微觀組織。

2 動態材料模型

動態材料模型是基于大應變塑性變形的連續力學、物理系統模擬和不可逆熱動力學等方面的基本原理而建立起來的[2]。在該模型中，熱加工材料被認為是密閉的熱力學系統，外界對材料所輸入的功率P分為兩部分，一部分用于熱塑性變形，用G表示，這其中以很大比例的能量轉化為熱能，其余以晶體缺陷的形式儲存于材料；另外一部分被材料的微觀組織變化所耗散，用J表示。P、G和J有如下關系：

式中ε為應變速率；σ為應力。G和J具有一定比例關系，兩者之間的分配關系由應變速率敏感因子m決定，可有以下關系式表達：

由（1）和（2）可得：

當m=0時，材料沒有因微觀組織變化而耗散能量；當0

一般情況下，材料不是處于理想的線性能量耗散狀態，對于材料處在非線性耗散狀態的，可用無量綱的功率耗散效率因子η描述[4]：

η是描述材料微觀組織變化在非線性耗散狀態所耗散的能量與理想的線性耗散狀態下所耗散的能量的比值，受變形溫度、應變速率和變形量的影響。由T、ε˙和η建立功率耗散圖。在功率耗散圖中，并不總是η值越大越好，在材料功率耗散效率較大時，材料可能出現流變失穩，導致材料加工失敗，為此，首先要確定材料的加工失穩區域。

Prasad等根據最大熵產生率原理，將材料熱變形中的不可逆熱動力學原理應用于大塑性變形中，提出了材料穩定塑性流變的條件是[5]：

當 ζ（ε˙）<0，材料熱塑性流變會失穩。ζ（ε˙）被稱為失穩判據，是無量綱，受T、ε˙和應變量的影響。應用origin軟件繪制有關失穩判據、溫度和應變速率之間的關系圖，此圖被稱為流變失穩圖，圖中的負值區域為失穩區域。將能量耗散圖和流變失穩圖疊加在一起就構成加工圖。綜合利用加工圖和金相圖可以判定材料在熱加工過程中可能出現的缺陷以及組織變化機理，為實際生產提供理論依據。

3 4032鋁合金應變量為0.5時的熱加工圖

表1 4032鋁合金應變量為0.5的真應力值

對表1試驗數據采用三次樣條插值函數擬合得：

對上式兩邊求偏導得：

（6）和（7）中，a、b、c和 d 都是常數，可由線性回歸可得，由此可根據公式（7）、（4）和（5）分別計算出應變速率敏感因子m，功率耗散效率因子η和失穩判據 ζ（ε˙），其數據如表 2 所示。

表2 4032鋁合金應變量為0.5的 m、η 和 ζ（ε˙）值

根據以上數據，應用origin軟件分別繪制功率耗散圖（圖1）和流變失穩圖（圖2），并將二者疊加就建立了熱加工圖，如圖3所示。

圖3中等值線表示能量耗散效率值，陰影部分表示加工失穩區。

4 分析與討論

金屬和合金在流變失穩區域所對應的工藝參數下進行熱塑性變形，會出現空洞，裂紋等缺陷，對材料的微觀組織不利，影響材料的性能，熱塑性變形應避開這些區域[6]。從圖3可以看出，4032鋁合金在變形量為0.5時，有三個流變失穩區域，即三個陰影區域分別是：變形溫度420℃～435℃，應變速率0.03s-1～0.08s-1；變形溫度 370℃～390℃，應變速率 0.5s-1～1s-1；變形溫度 440℃～490℃，應變速率 0.36s-1～1s-1。圖中其余部分為加工安全區，但是不同的安全區域其功率耗散效率因子值的大小是不同的，從熱加工圖中可看到4032鋁合金最理想的熱加工區域為：變形溫度 460℃～490℃，應變速率為0.03s-1～0.36s-1；因為其既不在失穩區域，而且功率耗散效率因子η較大，最大為0.3640。

金屬和合金在熱塑性加工過程中伴隨著加工硬化和軟化的過程。加工硬化是：隨著變形的進行，位錯密度迅速增加，位錯運動相互交割加劇，形成大量的位錯塞積群、割階、位錯網等大量的障礙，增大了位錯的運動阻力[7]。軟化的機制主要有兩種，一種是動態回復，另一種是動態再結晶。4032鋁合金是高層錯能合金，由于它的曾錯能較高，變形時擴展位錯的寬度窄、集束容易，位錯的攀移和交滑移容易進行，位錯容易在滑移面間轉移，使異號位錯抵消，位錯密度下降，使位錯畸變能降低不足以達到動態再結晶所需要的能量，因此4032鋁合金的主要軟化機制是動態回復[8]。動態回復可分為微變形階段、均勻應變階段和穩態流變階段。從圖4中可看出，微變形階段（如圖4中A點到B點），隨著應變的增加，應力急劇增大，是因為產生了加工硬化。均勻應變階段（圖4中B點到C點），隨著應變的增加，應力緩慢增加。在此階段4032鋁合金開始均勻的塑性變形，位錯繼續增加，加工硬化持續增強，但與此同時動態回復也在逐步增強，其抵消一部分加工硬化，使曲線的斜率降低。穩態流變階段（如圖4中C點之后），此階段應力已不再隨應變的增加而增加，是因為由變形引起的位錯增加的速率和由回復引起的位錯消失的速率相等，即加工硬化和動態回復達到了動態平衡。

從圖5可看出，370℃時（如圖5a）的粗大的晶粒隨著變形溫度增加到460℃時（如圖 5b），其晶界開始變得模糊，并伴隨著小晶粒的出現；隨著溫度繼續升高到490℃時（如圖5c），出現少量的細小的等軸新的再結晶晶粒。由圖5還可以看出，4032鋁合金在熱變形過程中，再結晶現象很不明顯，再結晶不是該合金主要的軟化機制，其主要軟化機制是動態回復。

圖1 應變量為0.5時的4032鋁合金的功率耗散圖

圖2 應變量為0.5時的4032鋁合金的流變失穩圖

圖3 應變量為0.5時的4032鋁合金的熱加工圖

圖4 4032鋁合金在應變速率為0.02時不同溫度下的真應力—真應變的關系圖

圖5 4032鋁合金在應變速率為0.02s-1時的熱變形組織

5 結論

（1）試驗表明，4032鋁合金在熱壓縮過程主要軟化機制是動態回復，并在變形溫度為460℃～490℃，應變速率為0.02s-1條件下出現了一定的動態再結晶現象，但4032鋁合金的主要軟化機制仍是動態回復。

（2）4032鋁合金的熱加工圖表明，應變量為0.5時，其最佳熱加工工藝參數是變形溫度為460℃～490℃，應變速率為 0.03s-1～0.36s-1。

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