新型電子產品用Al-Zn-Mg合金熱變形行為與熱加工圖研究

胡 權，孫大翔，鄧 科，周明俊

（1.佛山市三水鳳鋁鋁業有限公司，廣東 佛山 528133；2.廣東省科學院工業分析檢測中心，廣東 廣州 510650）

隨著電子產品行業飛速發展，鋁合金因其陽極氧化性能優異（色澤華麗）、導熱性能好、密度低、易加工等特點，被廣泛應用在智能手機、筆記本電腦、平板電腦、智能手表、手環等電子產品中。但是隨著便攜式電子產品屏幕尺寸的不斷增加及質量的不斷減少，傳統的陽極氧化用6xxx系鋁合金的力學性能已經無法滿足行業發展的需要[1-5]。所以，有必要尋找一種新的高強度鋁合金材料滿足市場需求。Al-Zn-Mg合金是典型的時效強化型合金，具有高比強度、低密度、良好的熱加工性能、良好的陽極氧化效果等優點，被視為新一代電子產品外殼的主要材料，并迅速推廣。但應用于電子產品的Al-Zn-Mg合金設計思路與航空和高鐵用的結構材料有所不同[6]，在要求高強度的同時對合金的表面質量有更高的要求。

為了保證鋁合金的表面質量，必須嚴格控制合金的成分與微觀組織。普遍認為[7-9]：Cu元素可以在一定程度上提高合金的表面光澤度，而Fe元素會降低合金的表面質量；另外，Zn2+對合金的陽極氧化過程有負面影響，一定要盡量消除。同樣，提高合金的組織均勻性，如晶粒細小的再結晶組織，對合金的表面質量有益，而變形組織往往會出現黑線等組織缺陷[10]，應盡量避免。金屬材料的熱變形可以有效改善材料微觀組織，提升其力學性能[11]。通過對熱變形行為進行研究，確定最佳熱加工工藝參數，可有效地獲得具有優異力學性能與理想組織的加工構件。

1 實驗材料及方法

1.1 試樣

采用的Al-Zn-Mg合金在7003合金的基礎上，調整Zn和Mg元素的含量，去除微合金元素后形成新型Al-5.0 Zn-1.2Mg-0.2Cu合金。合金經熔煉、鑄造、均勻化處理后備用，合金化學成分列于表1。

表1 新型Al-Zn-Mg合金化學成分

1.2 方法

首先合金經熔煉鑄造后在470℃/12h下均勻化處理，再加工成直徑10mm×15mm的圓柱形試樣，然后在Gleeble-3500型熱模擬試驗機上進行熱壓縮模擬實驗，試驗溫度范圍380～540℃，變形速率為0.01，0.1，1和10 s-1，熱壓縮前應先在每個試樣兩端涂上石墨潤滑劑以減少摩擦。

將壓縮后的樣品水淬，水淬后的試樣沿中心軸剖開，觀察其剖開面的金相組織。觀察前試樣經KOHLER試劑(1.5% HCl+2.5% HNO3+1% HF+95% H2O)腐 蝕，在DM-4000M光學顯微鏡下進行組織觀察，具體觀察面如圖1所示。

圖1 合金熱壓縮模擬試樣

2 結果與討論

2.1 真應力-真應變曲線

圖2為新型Al-Zn-Mg合金在不同變形條件下熱壓縮變形的真應力-真應變曲線。從圖2可見：在變形的初始階段，應力迅速提高，此階段合金主要發生加工硬化；此后應力增加逐漸緩慢，此時為過渡變形階段，合金開始出現動態軟化；當應變增大到一定值后，真應力基本保持不變，即呈穩態流線特征，表明合金加工硬化與動態軟化達到動態平衡。從圖2還可見：在同一應變速率下，隨著變形溫度的升高，流變應力明顯降低；在同一應變溫度下，隨著應變速率的增加，流變應力明顯上升。綜上所述，說明Al-Zn-Mg合金為典型的正應變速率敏感性材料。

圖2 Al-Zn-Mg合金不同應變速率下熱壓縮變形真應力-真應變曲線

2.2 本構方程建立

材料的本構關系依據應力水平的不同，分別對應著低應力水平下（ασ＜0.8）、高應力水平下（ασ＞1.2）和整個應力范圍內的三個不同的本構方程。

式（1）～式（3）中A，A1，A2，n，n1，α和β均為常數，α=β/n，T為變形溫度，R為摩爾氣體常數，Q為變形激活能，σ為流變應力。

變形溫度與應變速率對流變應力的影響，用含Zener-Hollomon(Z)參數的Arrhenius關系式表示，其中Z的物理意義為由溫度補償的變形速率因子。

綜上所述，本研究首次證實Pim-1在肝癌組織中的表達水平顯著高于癌旁組織和正常肝組織，且與PHC的臨床進展和患者生存時間有重要聯系，其過表達提示PHC患者的預后較差。Pim-1在PHC診斷、治療及預后判斷等方面具有良好的潛在應用價值與前景。

分別對式(1)和式(2)取對數得：

對式(3)兩邊取對數得，

由式(5)和式(6)，取兩個合金流變應力為峰值應力，做合金In-Inσ關系曲線及In-σ關系曲線，經線性擬合，得圖3(a)和圖3(b)。取圖3(a)斜率平均值分別為βA，圖3(b)的斜率平均值分別為n1A，可求αA=βA/n1A=0.0255 MPa-1。

圖3 新型Al-Zn-Mg合金本構方程計算擬合過程中各參數關系曲線圖

將求得的αA代入式（(7）)，取流變應力為峰值應力，分別作In-In[sinh(ασ)]關系曲線，經線性擬合，得圖3(c)。取斜率平均值為nA。求得nA=4.3799

對式(4)兩邊取對數得：

以In[sinh(ασ)]和T-1為坐標軸作圖，經線性擬合，得圖3(d)。取其斜率平均值為S。考慮溫度對變形激活能的影響，對式(4)求偏微分可得，

將A，Q，n和α等材料常數代入式(3)，得到合金用雙曲正弦函數修正的Arrhenius關系表示的流變應力方程為：

采用含Z參數的方程可表示為：

2.3 熱加工圖

熱加工圖基于動態材料模型理論，由功率耗散圖疊加加工失穩圖而成。主要用來描述材料高溫變形時的組織性能變化，指出熱加工的安全區域，為合金材料的鑄造、擠壓、軋制等工藝提供技術指導[12-14]。根據動態材料模型（DMM）理論，在熱變形過程中外界對工件做功，工件能量的耗散方式有主要有兩個，一是用于工件的塑性變形，二是用于工件微觀組織的轉變。因此，被工件吸收的總能量可表示為[15]：

式（12）中P為外界輸入的能量，G為塑性變形消耗的能量，J為組織轉變消耗的能量，

G和J的關系受材料的本構關系影響，對大多數純金屬材料和低合金材料，溫度和應變一定時材料本構關系符合率冪律（式（14））。在本構關系符合式(4)的條件下，G和J的關系可以表示為：

m為應變速率敏感因子，與應變無關[16]，理想條件下m=1。當工件為線性耗散體系時，耗散協量J為最大值Jmax=P/2。定義J/Jmax為功率耗散系數η，其為微觀組織結構轉變耗散的能量與理想線性耗散能量的比值：

一般情況下，功率耗散系數較高，表明材料具有良好的熱加工性能。然而，材料的加工不穩定的局部區域很可能也具有較高的功率耗散值。基于此，要確定合理的熱加工工藝參數時必須考慮材料的失穩區域[17-18]。Prasad基于最大熵產生效率原理提出，若果耗散函數與應變速率的關系應滿足下式：

分別繪制真應變為0.2，0.4，0.6和0.8時的功率耗散圖和能量失穩圖，疊加生成相應的熱加工圖（圖4）。從圖4可見：陰影部分為失穩區，等高線的值為功率耗散因子η，相對于穩定區失穩區的功率耗散因子較小，隨著真應變的增大失穩區逐漸擴大，功率耗散因子也逐漸增大，當真應變增大到一定值(0.6)時失穩區面積變化基本不變；當真應變為0.2和0.4時，熱加工圖有兩個失穩區即低溫高應變速率失穩區和高溫高應變速率失穩區；當真應變為0.6和0.8時，熱加工圖有一個溫度為360～540℃和應變速率為0.6～10 s-1的失穩區。無論應變量較小(0.2)，還是應變量較大(0.8)，當溫度為420℃～540℃和應變速率0.01～0.4 s-1時，加工圖的功率耗散因子均較高(η＞0.34)且處于變形穩定區，在該區域內合金適合熱加工變形。僅靠熱加工圖來判斷合金適合的加工區域還不夠準確，還需要利用合金金相組織的觀察來證明加工圖的準確性。

圖4 新型Al-Zn-Mg合金熱加工圖

2.4 顯微組織演變

圖5為Al-Zn-Mg合金在真應變為0.8時不同熱加工區域對應的金相組織照片。由于鋁合金在實際加工過程中真應變一般比較大，我們以真應變為0.8的加工圖為例，將加工圖分為A，B，C和D四個區域（圖5(d)）。圖5(a)為合金在420℃和10 s-1變形條件下的顯微組織，由于此區域應變速率較大，形成了明顯的局部流變區域，說明該區域已經發生了流變失穩現象，不適宜進行熱加工。圖5(b)為合金在460℃和0.1 s-1變形條件下的顯微組織，合金在此變形條件下為中變形溫度低應變速率區域，此區域的功率耗散因子很高，有足夠的驅動力進行動態回復和動態再結晶，還可以觀察到再結晶與亞晶晶粒，基本上不存在纖維組織特征，此區域動態再結晶進行程度較高，是適合合金加工變形的區域。圖5(c)為合金在380℃和0.01 s-1變形條件下的顯微組織，由于此區域應變速率較小溫度較低，晶粒變形沿壓縮軸方向呈顯著的纖維組織特征，但是也可看到有部分亞晶出現，說明合金發生了部分動態回復。圖5(e)中合金熱壓縮條件為溫度500℃和應變速率0.1 s-1的顯微組織，該區域位于高變形溫度低應變速率下，由于高溫使得亞晶不斷合并長大，可以觀察到再結晶晶粒和部分動態回復現象，合金再結晶程度很高，且比較均勻，適合合金加工變形。綜上所述，合金在420℃～500℃及應變速率0.01～0.4 s-1區域內，可保持細小且均勻的再結晶晶粒，且功率耗散因子很高（η＞0.34），表明此區域內適合進行熱加工。

圖5 Al-Zn-Mg合金不同變形條件下的微觀組織

3 結論

（1）新型Al-Zn-Mg合金為典型的正應變速率敏感性材料，合金的流變應力隨應變速率增大而增大、隨變形溫度的升高而降低。

（2）新型Al-Zn-Mg合金的變形激活能分別為168.83kJ/mol，合金高溫變形時的本構方程分別可表示為。

（3）Al-Zn-Mg合金隨著真應變的增大，熱加工圖中流變失穩區逐漸增大，當真應變達到0.6時流變失穩區基本保持不變。合金在420℃～500℃及0.01～0.4 s-1變形條件下，保持細小且均勻的再結晶晶粒，適合進行熱加工。