密封艙結構材料5B70 鋁合金高溫壓縮實驗與晶體塑性模擬研究

劉永康，王 博，賴小明，劉 洋，王國峰?，張 榮

(1. 哈爾濱工業大學材料科學與工程學院， 哈爾濱150001； 2. 哈爾濱工業大學金屬精密熱加工國防重點實驗室， 哈爾濱150001； 3. 北京衛星制造廠有限公司， 北京100094)

1 引言

鋁合金具有密度小、比強度高及優異的抗腐蝕性等特點，被廣泛用于大型載人密封艙主體結構。 各國大多采用耐蝕高強度合金，如Al-Mg 系及Al-Mg-Zn 系鋁合金，制備航空飛行器結構件。 俄羅斯開發了1570 牌號的鋁-鈧合金作為新一代載人航天器結構材料；美國將鋁-鎂-鈧C557 型鋁合金應用在戰斗機與航天器結構中。 目前，中國研發的5B70 鋁合金是Al-Mg系鋁合金通過微合金化工藝添加鈧、鋯元素制備的一種新型結構材料，具有優良的力學、可焊性和抗腐蝕性能。 5B70 鋁合金已逐步應用到新一代載人飛船、低溫燃料貯箱和載人深空探測器的主體結構中，在航空航天領域具有廣闊的應用前景。

目前，5B70 鋁合金的研究主要集中在抗腐蝕、焊接性能及塑性變形等宏觀角度，對該材料宏觀變形后的介觀組織變化及內應力預測等方面研究較少。 晶體塑性有限元模型能夠實現材料熱變形過程中應力應變響應，對微觀組織演化進行綜合數值模擬，深入分析材料變形過程中的宏微觀響應規律、晶粒形貌變化及位錯密度演化等，對發展金屬材料熱變形理論和成形工藝的控形控性具有重要理論價值和實際工程意義。 李宏偉提出了率相關晶體塑性模型，實現了大變形和大應變速率狀態下的復雜成形過程的模擬預測；張豐果利用晶體塑性模型研究了金屬材料鐓粗過程中的流變抗力及織構演化規律；Ha 等采用基于位錯密度的晶體塑性模型，通過時間積分算法模擬了不同取向純鋁單晶在各向異性拉伸時的硬化響應關系；Hurtado 等提出了一種分析韌性晶體變形的有限元方法并建立了幾何必需位錯 密 度( Geometrically Necessary Dislocations，GNDS)與滑移應變間的對應關系模型。

綜上，目前主要集中研究晶體塑性理論及其本構模型，關于晶體塑性有限元模擬應用于實際工程中的研究較少。 因此，需將晶體塑性理論與金屬材料熱加工變形相結合，從介觀角度分析塑性變形理論及微觀組織變化。 本文對5B70 鋁合金進行熱壓縮實驗，分析該材料高溫變形時的受力狀態，闡釋內部微觀結構變形機理；通過ABAQUS 有限元分析軟件建立5B70 鋁合金多晶體Taylor 三維模型，進行熱壓縮晶體塑性模擬，研究5B70 鋁合金熱壓縮時的組織變化行為、應力應變關系及位錯密度分布規律，并與實際5B70鋁合金熱壓縮結果分析比較。

2 實驗材料與方法

采用東北輕合金有限責任公司生產的5B70鋁合金作為實驗材料(成分如表1 所示)，將其切割成Φ8 mm ?12 mm 的圓柱試樣，在Gleeble-1500 熱模擬實驗機中進行等溫壓縮實驗。 在柱形試樣兩端放置石墨片以降低摩擦對應力的影響。 實驗時將試樣以30 ℃/min 的速度升溫至目標溫度，保溫5 min 以使壓縮試樣溫度均勻，然后按照設定的工藝參數進行等溫壓縮實驗，壓縮應變(ε)：0.7；壓縮應變速率( ε/s)：0.001、0.01、0.11；壓縮溫度(T/℃)： 250、300、350、390、420。壓縮過程結束取出試樣冷卻。 等溫壓縮實驗具體工藝過程如圖1 所示。

表1 5B70 鋁合金的化學成分Table 1 Chemical compositions of 5B70 aluminum alloy wt.%

圖1 等溫壓縮工藝曲線Fig.1 Isothermal compression process curve

3 實驗結果與分析

由熱壓縮實驗得到5B70 鋁合金在不同溫度和不同應變速率所對應的真應力-真應變曲線，如圖2 所示。 由圖2 可知， 5B70 鋁合金在壓縮時的流動應力隨變形溫度和應變速率變化：在同一應變速率和相同應變條件下，隨著壓縮溫度的升高，試樣壓縮應力降低，這是因為溫度升高，原子動能增大且滑移抗力減小，材料的臨界剪應力減小，動態回復作用加劇，軟化效果明顯；同時溫度的增加提高了晶粒形核驅動力并促進了晶粒長大，動態再結晶軟化作用增強。 試樣在同一溫度和相同變形量時，隨著應變速率減小，試樣的壓縮應力大幅度減小，這是因為在較小的應變速率下，試樣需要更長時間產生相同壓縮變形量，動態回復和動態再結晶引起的軟化作用能夠充分進行，試樣壓縮強度不斷降低。

圖2 不同溫度下5B70 鋁合金真實應力-應變曲線Fig.2 True stress-strain curve of 5B70 aluminum alloy under different temperatures

以圖2(a)為例，在高應變速率時，試樣壓縮初始階段的應力隨應變值的增加急劇上升，這一過程稱為加工硬化階段。 這是由于開始變形時阻力較小且變形速度較快，在該過程中位錯大量增殖并發生堆積和纏結，硬化作用明顯高于軟化作用。 隨著應變的增加，應力達到峰值后呈下降趨勢，此時位錯通過攀移或交滑移發生合并、重組甚至湮滅，加工硬化速率逐漸下降而動態回復效果增強。 當變形量進一步增大時，加工硬化和動態回復作用達到平衡狀態，應力值趨于穩定，熱壓縮進入穩態流變階段。 5B70 鋁合金由于添加了Sc和Zr 后，強烈抑制了再結晶過程，提高了該材料的再結晶溫度，初始再結晶溫度在400 ℃左右，所以圖2(a)和圖2(b)中試樣只有動態回復作用起到了軟化作用。

圖2(d)中，當壓縮溫度為390 ℃時，應變速率為1 s和0.1 s時，由于壓縮變形速率過快，試樣沒有發生動態再結晶，仍然只有動態回復作用發揮軟化作用。 當應變速率為0.01 s和0.001 s時，試樣需要較長時間才能完成壓縮變形，試樣內部開始發生動態再結晶，軟化效果明顯，所以應變速率為0.01 s和0.001 s時，試樣的流變應力降低顯著。 在圖2(e)中，因為壓縮溫度進一步升高，達到420 ℃，壓縮試樣全部發生動態再結晶，與動態回復共同起到軟化作用，當應變速率降低到0.001 s時，試樣硬化效果十分微弱，流動應力基本趨于穩定狀態。

將上述實驗結果匯總，繪制試樣壓縮屈服強度曲線，如圖3 所示。 5B70 鋁合金在壓縮時的流動應力隨變形溫度和應變速率變化：在壓縮溫度相同時，隨著應變速率的降低，試樣變形軟化更加充分，壓縮強度不斷降低；在同一應變速率下，5B70 鋁合金的壓縮屈服強度值隨著溫度的升高而減小，幾乎成線性關系，但存在2 個較為顯著的拐點。 當壓縮應變速率為1 s，溫度由250 ℃升至450 ℃時，試樣壓縮屈服強度由151.2 MPa 降至73.4 MPa。 壓縮溫度為300 ℃時，由于壓縮變形速度過大，加工硬化效果顯著，且動態回復作用與250 ℃時相比，僅有微小增加，所以試樣強度有微弱下降。 而在0.01 s應變速率下，隨著溫度升高，該材料的壓縮屈服強度由117.8 MPa 降低至32.6 MPa，壓縮溫度為390 ℃時，由于試樣內部發生動態再結晶，軟化效果明顯增強，所以屈服強度下降明顯。

圖3 5B70 鋁合金壓縮強度匯總圖Fig.3 Summary of 5B70 aluminum alloy compressive strength

4 晶體塑性單向壓縮模擬

4.1 多晶體本構模型

本文采用Taylor介觀模型，假設多晶體在加載過程中具有相同的變形梯度，計算其彈塑性約束，多晶材料的應力應變關系及等效彈塑性模量如式(1)、式(2)所示。

式中：T為第k 個取向對應的Cauchy 應力，v為第k 個取向體積分數，W 為總的單元等效模量，W為第k 個取向對應的等效模量。

多晶體塑性變形時所受切分應力與其剪切應變速率息息相關，近些年許多學者將位錯長短交互作用引起的背應力與變形激活能Q應用于流變準則中，提出了包含溫度、應變速率及激活能在內的流變準則及基于位錯密度演化的硬化準則，如式(3)和式(4)所示。

4.2 多晶體壓縮模擬

本文基于ABAQUS 有限元模擬軟件，通過Fortran 語言編寫適用于ABAQUS 接口的UMAT子程序，實現適用于FCC 晶體的塑性理論算法，建立了5B70 鋁合金多晶體三維近似模型，如圖4所示。 在Taylor 三維模型中研究60 個晶粒之間的塑性變形響應，在inp 文件中生成不同的單元集，將單元集賦予不同的材料屬性，導入ABAQUS軟件中進行熱壓縮模擬實驗。 在250 ℃、300 ℃時采用0.1 s、1 s的應變速率進行有限元熱壓縮模擬，提取模擬云圖，并分析模擬結果。

圖4 5B70 鋁合金多晶體四面體三維模型Fig.4 The tetrahedron 3D model of 5B70 aluminum alloy

當應變速率為0.1 s時，分別在250 ℃和300 ℃條件下模擬5B70 鋁合金壓縮過程，如圖5和圖6 所示。 對比圖5(a)和圖6(a)可以發現，應變量相同時，晶粒形狀、尺寸變化相同。 與圖6相比，在整體應變相同的情況下，圖5(c)中晶粒的應力值更大，表明了250 ℃下5B70 鋁合金的加工硬化作用更加明顯。 對比分析圖5(d)和圖6(d)中多晶體位錯密度分布發現，300 ℃條件下，位錯密度整體值降低，這是由于隨著溫度的升高，多晶體模型中位錯發生了合并重組甚至湮滅，促進動態回復過程。 從介觀角度描述了材料的加工硬化與動態回復現象，解釋了相同應變速率下，模型壓縮溫度升高，流動應力降低的原因。

圖5 250 ℃、應變0.7、應變速率0.1 s-1條件下壓縮模擬云圖Fig.5 Compression simulation diagram at 250 ℃with strain of 0.7 and strain rate of 0.1 s-1

當應變速率為1 s時，分別在250 ℃和300 ℃條件下模擬5B70 鋁合金壓縮過程，如圖7 和圖8所示。 通過對比分析圖7(b)和圖8(b)發現，應變分布基本相似。 與圖8 相比，在整體應變相同的情況下，圖7(c)中晶粒的應力值更大，表明了250 ℃下5B70 鋁合金的加工硬化作用更加明顯。 當圧縮溫度為250 ℃時，多晶體中位錯密度更高，如圖7(d)所示。 這是由于在較低溫度下，多晶體模型中位錯發生了動態回復不完全造成的。

圖6 300 ℃、應變0.7、應變速率0.1 s-1條件下壓縮模擬云圖Fig.6 Compression simulation diagram at 300 ℃with strain of 0.7 and strain rate of 0.1 s-1

對比圖6(a)和圖8(a)，在相同溫度變形時改變壓縮應變速率，由于應變速率過快，變形時間過短，晶粒長大情況相似，所以多晶體模型的晶粒尺寸與形狀幾乎沒有區別。 隨著應變速率的升高，多晶體模型在更短的時間內完成壓縮變形，晶粒的介觀應力值明顯增大，如圖6(c)和圖8(c)所示，但介觀應變只有略微增加。 同時，圖6(d)和圖8(d)中的位錯密度值幾乎沒有變化，這說明應變速率從0.1 s升高至1 s，對動態回復作用沒有影響，從介觀角度說明了宏觀流變應力的增加，主要是加工硬化作用顯著增強的結果。

圖7 250 ℃、應變0.7、應變速率1 s-1 條件下壓縮模擬云圖Fig.7 Compression simulation diagram at 250 ℃with strain of 0.7 and strain rate of 1 s-1

綜合分析不同變形條件下5B70 鋁合金多晶體的晶體塑性壓縮模擬，各晶粒間只存在相互協調變形，并未發生動態再結晶，模擬溫度及應變速率對晶粒形狀影響程度較低。 模型中各晶粒的應變差別較大，可分為變形較大的軟晶粒與變形較小的硬晶粒。 5B70 鋁合金模型中晶粒的應力-應變-位錯密度具有一一對應的關系。 分析圖5 ～8可以發現，在材料發生熱壓縮時，硬晶粒具有較大的位錯密度，所受應力較小；反之，軟晶粒具有較小的位錯密度，所受應力較大。

圖8 300 ℃、應變0.7、應變速率1 s-1 條件下壓縮模擬云圖Fig.8 Compression simulation diagram at 300 ℃with strain of 0.7 and strain rate of 1 s-1

在相同變形溫度時，應變速率越大，晶體模型中同一位置處晶粒的應力隨之增大，加工硬化效果明顯，但對于位錯密度幾乎沒有影響，對于動態回復作用影響不大，所以應變速率增加，5B70 鋁合金宏觀壓縮屈服強度隨之增大。 當應變速率相同時，隨著變形溫度升高，晶體模型中同一位置處晶粒的應力值降低，加工硬化作用降低，而且多晶體模型中位錯發生了合并重組甚至湮滅，位錯密度降低，促進動態回復過程，所以變形溫度升高，5B70 鋁合金宏觀壓縮屈服強度降低。

提取各壓縮條件下晶體模型的平均應力應變曲線與壓縮實驗所得應力應變曲線，對比分析結果如圖9 和圖10 所示。

圖9 250 ℃時模擬與實驗應力-應變曲線Fig.9 The stress-strain curves of simulation and test at 250 ℃

圖10 300 ℃時模擬與實驗應力-應變曲線Fig.10 The stress-strain curves of simulation and test at 300 ℃

從圖9 與圖10 中可以發現，在熱壓縮模擬時晶體模型與試樣宏觀壓縮實驗所得的應力-應變曲線整體相似。 但也存在細微差別，由于Taylor多晶體模型壓縮過程中具有相同的變形梯度，與實際壓縮實驗相比，加工硬化效果更佳明顯；晶體塑性模擬的屈服強度與真實試樣壓縮屈服強度相同，流變曲線略有差別。 這是因為5B70 鋁合金中含有納米級的AlSc 和AlZr(約50 nm)，在壓縮變形時能夠促進空位的擴散，加強了動態回復作用，而本文建立的Taylor 多晶體模型并未包含上述粒子，所以動態回復效果較弱，造成模擬壓縮曲線的穩態流變階段應力值偏大，但總體趨勢與宏觀試樣壓縮曲線相同。

5 結論

1)壓縮應力應變曲線是由硬化作用(加工硬化)和軟化作用(動態回復和動態再結晶)共同影響，在同一應變速率下，隨著壓縮溫度的升高，試樣壓縮屈服強度降低幾乎成線性關系。

2)多晶體內部分為硬晶粒和軟晶粒，在熱壓縮時硬晶粒的應力較小但內部位錯密度較大，軟晶粒的應力較大但內部位錯密度較小。

3)相同應變速率下，模型壓縮溫度升高，動態回復作用增強，流動應力降低；相同變形溫度下，應變速率變大，多晶體加工硬化效果增強，流動應力升高。

4)多晶體有限元模型與實際壓縮實驗中的應力-應變曲線整體相似，可以充分說明5B70 鋁合金多晶體本構模型的正確性。 5B70 鋁合金晶體塑性熱壓縮模擬不僅在科學研究上具有重要意義，也對工程實踐起到指導作用。