BFe10-1-1 合金變形抗力的研究

付利國，郭 悅，馬 寧，郭 樺，呂光輝，陶 歡，郁 炎

（中國船舶集團有限公司第七二五研究所，河南 洛陽 471023）

BFe10-1-1 合金是以鎳、鐵、錳為主要添加元素的銅合金[1]，具有優良的耐海水腐蝕性能和抗海生物污損性能，長期以來銅鎳合金以其優異的可加工性，耐腐蝕性以及抗海生物附著等優點在海洋工程、船舶系統等領域中有著重要的應用[2-4]。在實際應用中，BFe10-1-1 合金主要是以管材及管系附件（如凸緣、法蘭等）的形式應用，而其形成方式需要經過高溫塑性加工成形[5-6]。變形抗力是表征合金塑性加工性能的一個基本參量，是材料成形過程中變形和受理計算的基礎。金屬的變形抗力值對于計算各種壓力加工的力和功，制定工藝規程，設計、校核壓力加工設備和工具都是必不可少的。正確揭示熱變形過程中組織和性能的變化以及塑性變形的機理及其規律，對于建立合理的變形抗力數學模型，提高計算機在線控制能力，改善產品質量，具有重要作用[7-8]。

本文以BFe10-1-1 合金為研究對象，利用Gleeble-3500 對其進行熱模擬圓柱壓縮試驗，分析BFe10-1-1 合金塑性加工過程中變形溫度、變形程度、變形速率等參數對該合金變形抗力的影響，建立其塑性變形抗力模型，旨在為該合金的熱加工工藝制定和有限元模擬提供理論和數據支持。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗材料為半連續鑄造方法制備的BFe10-1-1合金鑄錠，其化學成分如表1 所示。圖1a 為實驗合金鑄錠原始組織，可以看出，主要由樹枝狀單相α 組織組成。為了便于塑性變形，防止開裂，實驗前須對鑄錠進行均勻化退火，以使晶內偏析擴散均勻。均勻化退火后鑄錠的組織見圖1b，可以看出為近似的等軸狀晶。經均勻化處理后的鑄錠采用線切割加工成尺寸為?10mm×15mm 的圓柱試樣，兩端開槽，槽寬s=0.4mm，深t=0.2mm。

圖1 實驗合金均勻化前后的金相組織

表1 實驗用BFe10-1-1 合金的化學成分/（質量分數%）

1.2 實驗方法

實驗在Gleeble-3500 熱模擬試驗機上進行，實驗過程如圖2 所示。將試樣以10℃/s 的升溫速度升至變形溫度T 后，保溫3min，以消除溫度梯度，然后開始壓縮變形。合金的變形溫度T 分別為800、850、900、950、1000℃，應變速率 分別為0.01、0.1、1、10、15s-1，變形量均為60%。

圖2 合金熱壓縮過程示意圖

熱壓縮試驗過程中，試樣兩端的凹槽內填充專用潤滑劑（75%石墨+20%機油+5%硝酸三甲苯脂），以減少試樣與試驗機壓頭之間的摩擦，使試樣在熱壓縮過程中變形均勻。

2 結果與分析

2.1 變形溫度對變形抗力的影響

變形溫度對變形抗力的影響如圖3 所示。由圖可知，在變形程度一定時，實驗合金的變形抗力隨著變形溫度的升高而降低，在變形程度和變形溫度一定的情況下，變形速率越大，變形抗力也隨之增大。在變形溫度和變形速率一定的條件，隨著變形程度的增加，實驗合金的變形抗力也相應增加。這是因為溫度對變形抗力的影響主要表現在以下兩個方面：首先隨著變形溫度的升高，發生的回復軟化作用越來越強，位錯在變形過程中通過交滑移和攀移等方式運動，在位錯積聚區會發生部分位錯的重新排列，有利于降低由于位錯應力場引起的畸變能；其次，在畸變能的積聚區會發生動態再結晶現象，較低溫度的大變形量會誘發大量的動態再結晶，使動態再結晶成為主要的軟化方式，隨著變形溫度的升高，畸變能不易累積，動態再結晶難以發生，只有在足夠的變形速率下才能發生動態再結晶的軟化作用。

圖3 變形溫度對變形抗力的影響

2.2 變形程度對變形抗力的影響

圖4 為變形程度與變形抗力的關系曲線。由圖可知，變形抗力均隨著變形程度的增加而增大。在變形程度一定時，隨著變形溫度的升高，變形抗力降低。當變形溫度較低時，變形抗力隨著變形程度的增加有比較明顯的增加；變形溫度較高時，變形抗力隨變形程度的增加變化趨勢減緩。變形速率增加時，同一變形溫度和程度的變形抗力也增大。這是因為在變形程度一定時，在較低變形溫度、較高變形速率的條件下，動態再結晶需要的驅動能增加，金屬在高溫塑性變形過程中來不及發生回復和再結晶，硬化作用大于軟化作用，變形抗力增加。在變形速率一定時，在較高的變形溫度條件下，隨著變形程度的增加，金屬發生了動態回復和再結晶，抵消了加工硬化，隨著變形量的增加，位錯密度增大引起的變形抗力與動態回復和再結晶處于平衡狀態，所以曲線變緩。

圖4 變形程度對變形抗力的影響

2.3 變形速率對變形抗力的影響

圖5 為變形速率與變形抗力的關系曲線。由圖可知，當變形速率小于2s-1時，隨著變形速率的增加，變形抗力有比較明顯的增加；當變形速率在3～15 s-1之間時，隨著變形速率的增加，金屬變形抗力的增加比較緩慢。這是因為當應變速率較低時，金屬的加工硬化起著主導作用，且由于應變速率較低，無法積累足夠的畸變能，硬化作用遠遠大于回復和再結晶的軟化作用，因此變形抗力增加較快。當應變速率增加到3s-1以后，盡管金屬的加工硬化持續增加，但由于變形較快，金屬中的畸變能得以快速積累，畸變能達到一定程度后，動態回復與再結晶軟化作用于加工硬化作用達到動態平衡后，變形抗力曲線便進入穩定階段。動態再結晶屬于不完全軟化，但軟化率較高，隨著應變速率的增加再結晶軟化率降低，變形抗力緩慢增加。

圖5 變形速率對變形抗力的影響

2.4 變形抗力數學模型

金屬變形抗力的大小，決定于金屬的組織成分、變形溫度、變形速率、變形程度以及加工過程中的加工硬化、動態回復和再結晶。這些因素共同影響著金屬的變形抗力。冷加工過程中，由于擴散作用被抑制，金屬的變形抗力被加工硬化所主導，軟化因素只有少量的位錯回復、交滑移等不完全軟化方式。熱加工過程中，包括各種回復以及再結晶的發生，其中靜態再結晶屬于完全軟化因素，動態再結晶屬于不完全軟化，但軟化作用明顯，這些因素在熱加工過程中對變形抗力的影響巨大，不能像冷加工過程忽略。因此，熱加工過程的變形抗力數學模型可用公式（1）表達[9]：

金屬中的合金元素對金屬變形抗力的影響相當復雜，不僅要考慮各個元素被添加進金屬中的影響，還需要考慮各元素間的交互作用。此外，金屬的應力狀態、各部分變形程度不同等也會導致金屬各部分表現出不同的變形抗力，因此很難實現把各種合金都放到一個變形抗力模型中，通常按不同的合金建立各合金的變形抗力模型，這種方法可以得到簡化的變形抗力模型。

以金屬的變形條件、組織狀態及化學成分在某一特定條件下得到的變形抗力為基值，用σ0表示，對應的變形溫度、變形程度、變形速率分別用t、ε、表示，則公式（1）可簡化為：

在建立變形抗力模型時，有將變形溫度、變形程度、變形速率視為獨立變量互不影響，也有認為三者之間互相影響加以考慮，本文選用的模型考慮了t、ε、之間的相互影響，可由公式（3）表示[10]：

將實驗各變形溫度、變形速率和變形量下的變形抗力進行非線性回歸，計算各回歸系數值，表2 為變形溫度950℃、變形量0.4、變形速率1s-1變形抗力模型回歸系數。

表2 變形抗力回歸系數分析結果

從表2 中可知，公式計算值與實測值的平均相對誤差為4.21%，相關系數R 為0.9853，表明回歸方程具有較好的曲線擬合特性。

3 結論

（1）在一定變形溫度和變形程度下，變形抗力隨變形速率的增加而增加。在一定變形速率和變形程度下，變形抗力隨著變形溫度的增加而減小。在較小的變形溫度和較高變形速率下，變形抗力增加顯著。

（2）在考慮變形溫度、變形速率、變形程度對變形抗力交互影響下，建立了實驗合金變形抗力數學模型，由實驗數據通過回歸分析得到的變形抗力數學模型有較高的預測精度。