7050 鋁合金高溫流變壓縮本構方程的研究

劉金東，曹源源，趙志國，史丹丹，申曉麗

（航鑫材料科技有公司，山東 煙臺 265706）

7050 屬于高強度可熱處理合金，具有極高的強度及抗剝落腐蝕性能，是航空航天和飛機行業(yè)應用的優(yōu)秀選擇。鋁合金流變應力是材料在高溫的基本性能之一，受變形溫度、變形速率、形變量和合金化學成分的影響[5]。本課題在Gleeble3500 熱模擬試驗機上，采用圓柱試樣進行高溫流變壓縮試驗，建立該流變應力本構方程，為優(yōu)化合金擠壓、鍛造軋制等熱加工工藝提供理論依據(jù)。

1 試驗

1.1 試驗材料

所用材料為南山鋁業(yè)公司提供的7050 鋁合金鑄錠，鑄錠通過470℃/24h 均勻化處理，加工成Φ10×15 的圓柱試樣。為了減少試樣兩端與砧子頭之間的摩擦，避免“鼓肚”現(xiàn)象，在試樣兩端涂抹高溫潤滑劑，并在試樣與砧子頭之間加入石墨片。

1.2 試驗方法

使用Gleeble-3500 熱模擬試驗機上進行高溫流變壓縮試驗,變形溫度300℃、350℃、400℃、450℃，應變速率0.01S-1、0.1S-1、1S-1、5S-1，升溫速率10℃/S，加熱至預定溫度后保溫5min，然后進行壓縮，試樣變形量為60%，試樣壓縮方向為鑄造方向。

圖1

2 實驗結果及分析

2.1 真應力-真應變曲線

圖1 中(1a)、 (1b) 、(1c) 、(1d)為變形溫度為300～450℃，應變速率為0.01～5S-1，條件下得到該鋁合金的真應力應-真變曲線圖。由圖可知流變應力與變形溫度、應變速率有關，當應變速率一定時，峰值應力隨著溫度的升高降低；當變形溫度一定時，峰值應力隨著應變速率的增大而增大[9-12]。

由圖1 真應力-真應變曲線，可將高溫流變應力壓縮試驗分為3 個階段。

第1 階段：應力隨著應變的增大迅速增加，較小的應變量產(chǎn)生了較高的流變應力，呈現(xiàn)出明顯的加工硬化現(xiàn)象。第2 階段：隨著應變的增加，應力趨于穩(wěn)定。隨著變形的增加，流變應力進入穩(wěn)態(tài)階段，應力基本保持穩(wěn)定。第3 階段：隨著應變的繼續(xù)增大，應力出現(xiàn)緩慢增加的趨勢。加工硬化效應略強于動態(tài)軟化效應，從而造成應力隨著應變的增加緩慢增大[5]。

2.2 變形溫度對峰值應力的影響

由圖1 可知，在相同的應變速率下，峰值應力隨變形溫度的升高而降低，且變形溫度越高，動態(tài)軟化效果越明顯。隨著溫度的升高，材料熱激活作用增強，原子的動能和擴散速率增加，原子間結合力減弱，位錯運動的阻力減小，使得材料變形更加容易，從而導致峰值應力隨著溫度的升高而降低[6]。

2.3 變形速率對流變應力的影響

圖1(1e)(1f)為在相同的變形溫度不同應變速率下的流變應力-應變曲線。由圖可知，峰值應力隨應變速率的增大而增加。在材料的熱變形過程中，同時存在著應變硬化和動態(tài)軟化兩個過程，隨著應變速率的增大加工硬化作用增強；另一方面，應變速率提高變形時間減少，動態(tài)回復及動態(tài)再結晶由于變形速度太快，部分來不及進行，動態(tài)軟化效果減弱，故而表現(xiàn)出峰值應力隨應變速率的增大而增加，說明該合金為正應變速率敏感材料[7]。

3 本構模型的建立

金屬材料的高溫變形是一個熱激活過程。Zener-Hollomon參數(shù)可以體現(xiàn)出變形溫度與變形速率對變形行為的影響。7050鋁合金的熱變形行為的研究采用Sellars CM 和Tegart WJ 等提出的Arrhenius 方程[1-4]：

即：

（1）低應力水平條件下關系式描述為：

（2）高應力水平條件下關系式描述為：

（3）所有應力水平下：

式中，A1、A2、A、n、n1、、---------與變形溫度無關的常數(shù)，A1、A2、A2為結構因子，s-1；n1、n 為應力指數(shù)；、為應力水平參數(shù)，MPa-1；且滿足。

R---------摩爾氣體常數(shù)， [8.3145 KJ·mol-1] ；

T----------絕對溫度（K）。

分別對式（2）、（3）、（4）兩邊取自然對數(shù)可得到：

由式（5）、式（6）可知，利用試驗所得的不同變形條件下的峰值應力（σ）與相應的應變速見表1，繪制和的散點圖，分別對其進行一元線性回歸擬合，得到關系圖。可以用來描述7050 鋁合金在等溫熱壓縮過程中流變應力與應變速率之間的關系[6-8]。

表1 不同熱變形條件下的峰值應力

利用Zener-Hollomon 參數(shù)Z 的雙曲線正弦函數(shù)來描述[9]。Z參數(shù)表達式如下：

將式（8）帶入式（4）可得到：

分別對式（8）、式（9）兩邊取對數(shù)得：

將不同變形溫度下的應變速率和求得的Q=130.4KJ/mol 帶入式（8），得到不同的變形條件下的值。繪制散點圖，并進行線性回歸擬合，見圖2（c），根據(jù)圖中直線斜率得到最終的n=5.9675，根據(jù)直線截距得到=23.267，計算得到A=1.27269x1010s-1。

4 結論

（1）7050 鋁合金的激活能Q=130.4 KJ/mol，穩(wěn)態(tài)流變應力方程為：

（2）采用Arrhenius 項的參數(shù)來描述的穩(wěn)態(tài)流變應力方程為：