7A50鋁合金熱壓縮過程中的流變行為研究

孫超強， 胡乃錚

（中信戴卡股份有限公司， 河北 秦皇島， 066011）

在現代汽車生產中，許多鋁合金工件采用熱加工方法成型，特別是鋁合金輪轂用材的成型工藝。熱加工工藝不僅需要確定鋁合金在變形時的的最佳工藝參數，而且需要保證在該工藝條件下能夠獲得產品要求的組織與性能指標，滿足不同工件的使用要求[1-2]。目前，通過對材料進行熱壓縮試驗進行熱加工工藝的分析研究是一種最常用的手段[3-4]，通過對熱加工過程的物理模擬獲得材料在不同變形溫度、不同變形速率下的應力與應變之間的定量關系以及對材料微觀組織與力學性能之間的關系進行分析研究，找出之間的內在聯系進而實現對鋁合金材料熱加工過程的定量分析。本文采用單軸壓縮方法系統研究了7A50鋁合金的熱變形行為，以期實現對7A50鋁合金材料熱加工過程的定量描述，進而為優化合金在實際車輪生產過程中的工藝參數提供理論支撐。

1 實驗材料及實驗方法

本實驗采用的7A50鋁合金成分為：Al-6Zn-2Cu-1.5Mg-0.12Zr，鑄態合金經450℃保溫24 h固溶處理，固溶后的7A50鋁合金鑄錠不存在偏析現象，絕大部分一次析出相回熔到鋁基體中，晶粒尺寸約為50～150 μm呈等軸狀。

根據Gleeble-3500熱模擬試驗機的實驗要求，將固溶態鋁合金坯錠加工成尺寸為Φ10 mm×15 mm的圓柱樣品進行熱壓縮試驗。實驗條件為選取5個變形溫度點，分別為 250，300，350，400，450 ℃；選取4 個應變速率，分別為 0.01 s-1，0.1 s-1，1.0 s-1，10 s-1；壓下量選為60%。將熱壓縮變形后的樣品通過金相顯微鏡與透射電鏡分析合金變形組織。

2 結果與討論

2.1 7A50鋁合金的真應力—真應變曲線

對7A50鋁合金熱壓縮后的應力及應變數據進行匯總分析。在不同熱壓縮條件下，7A50鋁合金的流變規律基本相似，開始變形階段，變形應力隨應變量的增加極速增長，當應變量達到一定程度時，應力增加速度開始變緩，當應變量超過一定程度后，變形應力隨應變量的增加開始出現下降趨勢隨后趨于平穩。

不同變形條件下，其位錯積累速率不同。在較低變形溫度和較高應變速率下（如250℃，10 s-1條件下），隨著應變量增加，流變曲線仍處于下降趨勢，而且在高應變速率條件下，即使在溫度較高時，加工后期的流變曲線仍然沒有明顯達到穩態的趨勢，這一現象說明：在應變速率較高的情況下，7A50鋁合金材料變形初期迅速積累了大量位錯，從而加工硬化現象明顯，隨著應變量增強，才逐漸發生動態軟化，直到變形量達到60%的時候，材料組織仍未達到加工硬化與動態軟化的相互平衡。在應變速率較低，變形溫度較高時（如450℃，0.01 s-1條件下），7A50合金在變形后期，材料組織同時發生了動態回復以及動態再結晶，并且這二者產生的材料軟化效果逐漸與加工硬化相抵消，這體現在該條件下的流變曲線在加工后期呈現平緩的趨勢。

通過對流變曲線特征的分析可見，在相同應變速率下，變形溫度越高，7A50鋁合金的動態回復和動態再結晶就越充分，因而使得加工硬化與動態軟化能快速達到平衡，峰值應力和穩態應力也隨之減小。7A50鋁合金材料發生的動態回復和動態再結晶與加工溫度和加工時間均有關。應變速率增加意味著變形時間的縮短，在短時間內，合金材料發生塑性變形時，材料的位錯運動和攀移來不及進行，動態回復過程受到抑制，動態再結晶過程得到促進。

2.2 熱變形方程計算

材料熱變形過程中變形應力、應變速率以及變形溫度之間的函數關系可用以下三種模型表示，其關系表達式為：

低應力水平時：

高應力水平時：

普通形式：

式中：A1、A2、A、n1、n、β 均為材料常數；α 為應力水平參數，MPa-1，其計算公式為 α＝β/n1；Q 為熱變形激活能；R為氣體常數；T為變形絕對溫度；ε˙為應變速率；σ可以是曲線的峰值應力、穩態應力或對應于某一指定應變時的流變應力，本文研究取峰值應力σp。

公式（1）和（2）兩邊取對數得到如下表達式：

將7A50鋁合金在不同變性條件下的峰值應力帶入上兩式，得到 lnε˙－lnσ 和 lnε˙－σ 的關系如圖 1 所示。

圖1 7A50鋁合金峰值應力與應變速率的關系

由 lnε˙－lnσ 和 lnε˙－σ 的關系圖的斜率平均值可以得到n1和β的數值，根據公式α＝β/n1可得應力水平參數 α＝0.010 8 MPa-1。

在所有應力水平下，將關系式（3）兩邊取自然對數并整理后得：

在溫度恒定的條件下，將上式兩邊對應變速率求偏導，得：

在變形速率恒定的條件下，將式（6）兩邊對1/T求偏導，得：

根據式（6）及流變曲線峰值應力σp以及對應的應變速率和溫度值繪制7A50鋁合金熱變形峰值應力與變形溫度和應變速率的關系曲線圖。

同一應變速率下，lnsinh（ασp）與 1/T 呈明顯的線性關系，隨著變形溫度的降低，熱變形峰值應力逐漸增加；當變形溫度一定時，lnsinh（ασp）與 lnε˙呈線性關系，隨著應變速率的增加，峰值應力也逐漸增加。根據上述公式（6）—（8），采用線性回歸的方式對流變應力的結果進行計算分析。經計算可得：7A50鋁合金材料的熱變形參數為：Q＝190.49 kJ/mol，n＝6.26，A＝1.69×1013。

由此，在溫度250～450℃之間，7A50鋁合金的本構方程可定量描述為：

在熱變形過程中，材料的峰值應力由變形溫度和應變速率而決定。材料熱加工過程中的變形溫度和變形速率通常用Z參數來描述，其表達式為：

將求得的變形激活能Q帶入公式（10）可得Z參數，隨著Z值的增加，7A50鋁合金熱變形峰值應力增加，并且lnsinh（ασp）與lnZ呈現很好的線性關系。通過分析計算可得該線性相關性系數R2的值為0.993。結合公式（9）及（10）進行求解，可得到 7A50合金材料再熱變形過程中的峰值應力σp與Z參數的關系式：

公式（11）表明，在7A50合金熱變形過程中，提高變形溫度或者降低應變速率都能夠使材料更容易發生動態軟化，即材料組織更容易發生回復或者再結晶。

3 結論

在變形溫度250～450℃、應變速率0.01～10 s-1、最大真應變均為0.6的條件下，采用等軸熱壓縮試驗方法研究了7A50鋁合金的熱變形行為，所得結果如下：

1）熱變形過程中，7A50鋁合金的流變應力受溫度和應變速率的影響，隨變形溫度的升高和應變速率的降低，流變應力減小。

2）7A50鋁合金的熱變形激活能為192.45 kJ/mol，其熱變形方程分別為：

3）在大應變量下（ε＝0.6），晶粒已經充分發生動態回復，從而使得能量消耗效率η隨著溫度的升高和應變速率的降低而增大，由此確定了7A50鋁合金的最佳熱加工條件為變形溫度350～400℃，應變速率0.1 s-1。