7085鋁合金熱變形行為特征

李 偉，牛關(guān)梅，田宇興，劉 成

（中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司，北京 102209）

0 前言

高強高韌低淬火敏感性7085 鋁合金被公認為是新一代航空領(lǐng)域大規(guī)格產(chǎn)品的重點合金[1]。7085鋁合金在超厚板、鍛件和大規(guī)格排材方面，其心部性能指標明顯優(yōu)于7050 合金產(chǎn)品；用于整體制造成型零部件時具有顯著的減重和性能優(yōu)勢，在航空大飛機的整體壁板結(jié)構(gòu)件應(yīng)用中取代了7050 合金，已經(jīng)應(yīng)用于多個飛機型號[2-3]。

由于7085 鋁合金的優(yōu)異綜合性能，國內(nèi)外研究機構(gòu)對7085 鋁合金的元素作用、時效熱處理工藝等強韌化和析出控制開展了研究工作，對合金的拉伸性能、斷裂韌性和裂紋擴展速率等性能的影響作用也開展了研究[4-9]，但對7085 鋁合金熱變形行為的研究卻較少。陳學(xué)海[10]開展了實驗室7085鋁合金鑄錠的流變行為及其熱變形的顯微組織演變行為研究，基于動態(tài)材料模型原理，詳細地分析了7085 鋁合金在不同熱變形條件下的高溫塑性加工特性。

本研究主要通過組織觀察和熱壓縮實驗，研究不同變形溫度和應(yīng)變速率下7085 鋁合金的熱變形響應(yīng)，建立合金的本構(gòu)方程和熱加工圖，為7085鋁合金的熱變形工藝提供數(shù)據(jù)支撐。

1 實驗材料與方法

實驗材料為工業(yè)化生產(chǎn)的φ485 mm7085 鋁合金鑄錠，鑄錠狀態(tài)為均勻化態(tài)，合金的化學(xué)成分見表1，取樣位置為1/4直徑處。

表1 7085鋁合金鑄錠的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

7085鋁合金試樣通過280~2000#砂紙機械磨拋和粗精拋光，采用Zeiss 光學(xué)金相顯微鏡觀察試樣表面組織，評價合金均勻化態(tài)的組織形貌；7085鋁合金熱變形實驗采用Gleebe1200熱模擬壓縮設(shè)備進行，變形溫度選擇350~460 ℃，應(yīng)變速率選擇0.01~10 s-1范圍；建立7085鋁合金的本構(gòu)方程和熱加工圖。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 均勻化態(tài)的組織形貌

圖1為7085合金均勻化態(tài)的金相形貌。由圖1可知，7085合金均勻化態(tài)的第二相以黑灰色的鑄態(tài)粗大Fe相為主，枝晶界處沒有明顯的網(wǎng)狀第二相，由此可知鑄造形成的可溶第二相基本上完全回溶，晶內(nèi)有細小的第二相，是在鑄錠冷卻過程中析出的。

圖1 7085合金均勻化態(tài)的金相形貌

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2為7085 合金不同溫度和應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在低應(yīng)變速率下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線在變形初期加工硬化迅速達到峰值，應(yīng)力過峰值后發(fā)生軟化降低，然后進入穩(wěn)定流態(tài)階段；而高應(yīng)變速率下，曲線發(fā)生應(yīng)力波動，應(yīng)力在穩(wěn)定流變階段持續(xù)緩慢降低。

圖2 7085合金不同溫度和應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表2示出了7085合金在不同溫度和應(yīng)變速率下0.6應(yīng)變處的峰值應(yīng)力。

表2 7085合金不同溫度和應(yīng)變速率下0.6應(yīng)變處的峰值應(yīng)力

2.3 本構(gòu)方程建立

本構(gòu)方程能夠確定溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)變之間的關(guān)系，同時也是分析材料熱塑性變形的重要理論依據(jù)。采用雙曲本構(gòu)模型，構(gòu)建了7085 合金的Arrhenius 本構(gòu)關(guān)系模型[11-12]

本構(gòu)模型通常采用變形溫度和變形激活能的雙曲正弦函數(shù)的Arrhnius關(guān)系來表述：

在高應(yīng)力條件下（ασ＞1.2）：

在低應(yīng)力條件下（ασ＜0.8）：

上述兩個方程取對數(shù)，然后將公式繪制σ-lnε?與lnσ-lnε?關(guān)系曲線并擬合回歸，擬合曲線見圖3。獲得擬合曲線參數(shù)β=0.106 MPa-1，n1=6.36，α=β/n1=0.0166 MPa-1。

圖3 7085合金不同溫度下應(yīng)變速率與流變應(yīng)力的擬合曲線

假設(shè)材料的變形激活能Q不隨溫度T變化而變化，則公式（1）取對數(shù)：

在不同溫度和應(yīng)變速率下，分別擬合應(yīng)力與應(yīng)變速率和溫度的關(guān)系曲線，擬合曲線見圖4。通過計算得出n=4.76，Q=108 kJ/mol。

中國政府已將中國文化“走出去”上升為國家戰(zhàn)略，而中國文化“走出去”在很大程度上要依靠翻譯，但是只關(guān)注語言層面的對應(yīng)的翻譯難以使中國文化真正“走出去”，還應(yīng)該特別重視的一個要素是傳播效果。謝天振指出，中國文化譯介不是簡單的文字轉(zhuǎn)換而是文化譯介，譯是基礎(chǔ)，介（即傳播）是關(guān)鍵（1999：11）。中國文化的譯介如果只重視語言的轉(zhuǎn)換而忽視了對傳播規(guī)律的思考和遵循是難以讓中國文化真正走出去的，很可能導(dǎo)致傳而不通，成功譯介的關(guān)鍵往往是傳播（鮑曉英2014：66）。傳播學(xué)能為中國文化譯介研究提供理論養(yǎng)料。

圖4 7085合金應(yīng)變速率、變形溫度與流變應(yīng)力的擬合曲線

熱變形條件與峰值流變應(yīng)力之間的關(guān)系通過材料的溫度補償應(yīng)變速率因子Zener-Hollomon參數(shù)來表述：

根據(jù)雙曲正弦函數(shù)的定義，可得出σ與Z參數(shù)的關(guān)系。

對公式（5）取對數(shù)后：

采用不同變形溫度和應(yīng)變速率與變形激活能Q計算該條件下的Z值，分析lnZ與ln sinh(ασ)的關(guān)系，擬合曲線見圖5。通過擬合曲線參數(shù)計算A=1.57E+7s-1。計算本構(gòu)方程參數(shù)見表3。

圖5 7085合金流變應(yīng)力與Z參數(shù)的擬合曲線

表3 7085合金本構(gòu)方程的主要參數(shù)

因此，7085 合金的0.6 應(yīng)變處峰值流變應(yīng)力本構(gòu)方程為：

該方程適用于應(yīng)變速率在0.01~10 s-1范圍之間、變形溫度在350~460 ℃范圍之間、總變形量為50%的7085合金的流變應(yīng)力行為。

2.4 熱加工圖

根據(jù)7085 合金的流變應(yīng)力曲線，通過三次多項式擬合logσ-logε?關(guān)系曲線，擬合曲線見圖6。擬合計算出不同變形溫度下函數(shù)的a、b、c和d值。

圖6 7085合金在應(yīng)變0.6處應(yīng)力與應(yīng)變速率的三次多項式擬合曲線

然后通過公式計算，可以得出不同變形條件下應(yīng)變速率敏感因子m值和耗散系數(shù)η值，在T-logε?二維平面內(nèi)繪出耗散系數(shù)η值的等值輪廓圖，即功率耗散圖；計算不同變形條件下的失穩(wěn)參數(shù)ξ（ε?）值，在T-logε?二維平面內(nèi)繪出失穩(wěn)圖；結(jié)合功率耗散圖與失穩(wěn)圖進行綜合分析，即可得知7085 合金的熱加工特性，見圖7。

圖7 7085合金應(yīng)變0.6處的功率耗散圖與失穩(wěn)圖

根據(jù)功率耗散圖和失穩(wěn)圖的情況，7085 合金最佳的熱加工區(qū)間為溫度420~460 ℃，應(yīng)變速率0.01~0.3 s-1。

3 結(jié)論

（1）隨著7085鋁合金變形溫度的提高和速率降低，合金的變形峰值應(yīng)力降低，7085 合金呈正應(yīng)變速率敏感性。

（2）7085合金的材料本構(gòu)方程為：

（3）建立7085合金的熱加工圖，最佳的熱加工區(qū)間為溫度420~460 ℃，應(yīng)變速率0.01~0.3 s-1。