6156铝合金热变形行为的研究

朱剑军,邬 晔,唐文杰,李 剑

(湖南稀土金属材料研究院,湖南长沙 410126)

6156铝合金热变形行为的研究

朱剑军,邬 晔,唐文杰,李 剑

(湖南稀土金属材料研究院,湖南长沙 410126)

在Gleeble-1500热/力模拟机上对试验6156合金进行了热压缩试验,研究了其在温度300～450℃和应变速率0.1～10 s-1条件下的热变形行为。结果表明:热变形过程中的流变应力可以很好地用双曲正弦本构关系来描述,通过优化α值,可以更精确地得到该合金的表观激活能为240.97 kJ/mol。根据材料动态模型,计算并分析了6156合金的加工图。利用加工图确定了热变形的流变失稳区,而随着变形温度的升高及变形速率的降低,能量消耗效率η逐渐升高。

6156合金;流变应力;本构关系;加工图

6156铝合金是法国Pechiney公司研究开发的一种新型航空用铝合金[1,2],由于该合金含有一定量的Si、Mg、Cu、Mn元素,故耐蚀性比高强7xxx系合金好,强度比6xxx系合金高,且保持了优良的成型性,因而该合金在航空航天、舰船、交通和建筑等领域有着广泛的应用前景。作为一种重要的结构材料,其高温塑性变形时的流变应力、变形特征和成形指标等还缺乏深入研究,因而研究该合金高温下的流变应力随变形条件下的变化规律是非常必要的。本文以6156合金为试验材料,研究了流变应力模型及加工图,通过对双曲正弦函数的材料常数(α)采用α=β/n和优化处理两种方法进行求解,以能更精确的得出合金的表观激活能,从而为6156合金的热加工工艺的制定与优化提供实验数据及理论依据。

1 试验材料与方法

试验用材料采用实验室制6156铝合金铸锭,铸锭尺寸为110 mm×90 mm×40 mm,其分析的合金化学成分列于表1。压缩试验前,铸锭在箱式电阻炉进行540℃×12 h+570℃×24 h双级均匀化处理。

表1 6156铝合金的化学成分 %

将均匀化处理过的合金铸锭,沿挤压方向截取20 mm×20 mm×10 mm的方形试样,用 Gleeble-1500热模拟试验机,选取不同温度、不同应变速率,对铝合金试样进行平面应变压缩试验。压缩过程中,在试样两端的槽内填充润滑剂(75%石墨+20%机油+5%硝酸三甲苯脂),以减小摩擦对应力的影响。压缩试验结束后立即对试样进行水淬处理,以保留其变形组织。变形温度范围为350～450℃,应变速率范围为0.1～10 s-1,最大总压缩应变量为0.9(真应变),热模拟试验的升温速率为2℃/s,保温时间为5 min。试样的实际温度由焊接在试样侧面的热电偶测量,反馈回控制系统,为降低试样表面与压头之间的摩擦力,在试样上下两表面添加石墨片作为润滑剂,以尽量减少端面摩擦力对真实应力的影响。由 Gleeble-1500热模拟机的计算机自动采集应力、应变、压力、位移、温度及时间等数据,绘制真应力-真应变曲线。

2 试验结果与讨论

2.1 真应力-真应变曲线

6156铝合金高温压缩变形时不同变形温度和应变速率条件下的真应力-真应变曲线如图1所示。在300～450℃和0.1～10 s-1的条件范围内,该合金的应力-应变曲线为典型的应力-应变曲线,它包含了三个阶段。第一阶段,变形初期。加工硬化率高于软化率,应力先随应变的增加迅速上升,较小的变形引起应力迅速增加;第二阶段,当出现一峰值后,流变应力逐渐降低,表现出流变软化的特征;第三阶段,流变应力基本保持恒定,这时加工硬化与流变软化达到平衡,真应力-真应变曲线趋于水平。流变软化是铝合金在高温变形过程中真应力-真应变曲线的典型特征。它是由变形热或材料内部组织结构的不稳定性引起的。在相同的应变速率下,流变应力随着变形温度的升高而降低,这是由于温度升高后,受热激活影响的位错运动的阻力下降,空位、间隙原子等点缺陷也更加活跃;在相同的变形温度下,随着应变速率的增加,材料的真应力水平提高,说明在该实验条件下,6156铝合金具有正的应变速率敏感性[1],即应变速率越大,温度越低,进入稳态流变阶段时的真应力逐渐增大,进入稳态变形更困难。

图1 6156铝合金在不同应变速率下的真应力-真应变曲线

2.2 流变应力方程

金属和合金高温塑性变形最显著的特点是应变速率受热激活过程控制,其高温流变应力σ取决于变形温度T和应变速率˙ε,引入变形表观激活能(Q)概念,热变形的温度与应变速率条件可采用带激活能项的Zener-Hollomon(Z)参数描述(式1)。在σ-˙ε-T作为独立变量的前提下,热变形本构方程有幂函数(式2)、指数函数(式3)及双曲正弦函数(式4)三种半经验类型的表征方案,它们均可转化为σ=f(σ)型函数[3]。

式(1)～式(4)中,σ是流变应力,R是气体常数,A、n1、β、α、n称为材料常数,特别地,n1、n可称为硬化指数,β可称为硬化系数。上述材料常数间一般认为存在α=β/n1关系。一般认为,幂函数形式(式2)适用于低应力水平,指数函数形式(式3)适用于高应力水平,而双曲正弦函数形式(式4)适用于较宽的应力与应变速率范围。

对式(2)、式(3)两边取对数:

由式(5)和式(6)可知,当变形温度一定时,n和β分别为ln˙ε-lnσ和ln˙ε-σ曲线的斜率。将不同变形条件下的峰值应力值分别代入式(5)和式(6),绘制出相应的ln˙ε-lnσ、ln˙ε-σ关系图,如图2所示。分别取图2(a)、2(b)中所有直线斜率的平均值,得到n1=10.891 8,β=0.128 0,α=β/n=0.011 75 MPa-1。

在一定的应变和应变速率下,对式(4)取自然对数并求偏导得:

由式(7)知,当Q与T无关时,ln[sinh(α σ)]与1/T为线性关系,令式中K=∂ln[sinh(α σ)]/∂(1/ T),K为直线ln[sinh(α σ)]-1/T的斜率;n2为直线ln˙ε-ln[sinh(α σ)]的斜率。取峰值应力和对应的温度值,绘制相应的ln˙ε-ln[sinh(α σ)]图;用最小二乘法线性回归取平均值后n2=8.369 2。从双曲正弦函数出发,必须获得合适的α值。按式(8)所示构造优化目标函数,求解后可得到α′=0.026 9。

图2 应变速率与流变应力的关系

式中σi为按(4)计算的各ε˙-T条件下的应力值为该条件下的峰值应力。

取αH=α′时 ln˙ε-ln[sinh(αHσ)]、ln[sinh(αHσ)]-1 000/R T关系如图3所示,按式(7)可得到平均激活能Q=240.97 kJ/mol,大于铝合金的自扩散激活能。

根据图3(a)中直线的截距,即lnA-Q/R T的值,取其平均值可获得A=2.865 3×1014s-1。通过其斜率,则可求得材料常数n的平均值为4.607 8。将求得的A、Q、n、αH等材料参数代入式(4),得到6156铝合金热压缩时的流变应力本构方程为:˙ε= 2.865 3×1014[sinh(0.026 9)]4.6078exp(-240.97/RT)。

图3 ln˙ε-ln[sinh(αHσ)]、ln[sinh(αHσ)]-1 000/R T关系图

图4 lnZ-ln[sinh(αHσ)]关系图

将Q和变形条件代入式(4),求解不同条件下Z参数,再绘制lnZ-ln[sinh(αHσ)]曲线,其关系如图4所示。由图4可以看出,lnZ与ln[sinh(αHσ)]成线性关系,对其进行一元线性回归,相关系数大于0.99,说明6156合金高温变形过程是受位错的热激活过程控制的。从流变应力曲线特征看,动态回复为主要的变形软化机制。动态回复的发生与高温变形过程中位错的交滑移、攀移以及位错间相互销毁和湮灭有关。

为了检验优化参数的预测精度,采用这些函数预测应力值(σi)与试验值(σP)间的方差(δ)作为数据。未优化与优化后的双曲正弦函数的方差及激活能关系如图5所示,由图5可知,优化过的模型方差要小于未优化的双曲正弦模型,且激活能也低一些。由图中还可以看出当温度范围在400～500℃时,所取的激活能及方差要明显小于350～500℃的温度范围。这说明变形温度越高,得出表观激活能越小,经优化α值所得到的方差也就越小。由上述可见,材料常数优化处理可以提高双曲正弦函数的精度。

图5 不同温度范围下,试验方差及表观激活能对比

2.3 加工图

动态材料模型将金属的热加工过程视为一个系统,这个系统中,包括有功率源(液压能)、功率的储存(工具)以及功率的消耗(工件)。能量由功率源产生,传输到工具而储存能量,进而通过界面传输给工件,工件自身在经历塑性变形中消耗能量。功率消耗在以下两方面:(1)由工件塑性变形引起的粘塑性热,称之为耗散量,用G表示;(2)工件塑性变形过程中组织变化(如:回复、再结晶、孔洞形成楔形裂纹、超塑性和相变等)而耗散的功率,称之为耗散协量,用J表示。

功率分配可由如下表示:

由式(9),功率的分量J和G之间有如下关系:

这个比值即材料的应变速率敏感系数m。由这个系数,动态本构方程可表示为:

式(11)称为动态本构方程,它是沿动态变形过程作积分的结果,即在某一应变速率下的瞬间变形,根据离散化原则对每个材料单元的动态轨迹所作积分。敏感系数m可用不同的应变速率试验中测量得到的连续流动应力值计算而得。由式(9)得:

冶金学过程变化是由于耗散协量J的变化引起的,当材料处于理想线性耗散状态时,m=1,此时J达到最大值,即:

引入功率耗散效率参数η:

可以看出,效率η直接与应变速率敏感指数m相关。

在应变速率和温度所构成的二维平面上绘出等功率耗散效率因子(η)的曲线即为功率耗散图。功率耗散图中高功率耗散区定义为具有最佳加工性能区。

根据大应变塑性变形不可逆热力学极值原理,Prasad等根据Ziegler提出的最大熵产生率原理,认为如果耗散函数D(˙ε)同应变速率 ˙ε满足不等式dD/d˙ε＜D/˙ε时,会出现变形失稳,式中D是在给定温度下的耗散函数。按照动态材料模型原理,D等于耗散协量J。因此流变失稳的条件为:

将式(9)代入上式,最终可化简为:

所以,失稳条件也与应变速率敏感指数m相关。

在应变速率˙ε和温度T所构成的二维平面上绘出ξ(˙ε)＜0的区域即为热加工失稳图。即如果系统不能以施加在系统上的应变速率以上的速率产生熵,那么系统就会产生局部应变或者形成流变失稳。

将热加工失稳图叠加于功率耗散图之上就可得到材料的热变形加工图。应用热加工图来分析合金的加工性能不仅可以优化加工工艺而且可以避免流变不稳定区域。试验6156合金在真应变为0.9时的加工图如图6所示,其他应变的加工图与此类似。图中阴影区为流变失稳区,等值线上的数字表示功率耗散系数。由图6可以看出,图中失稳区较少,仅在变形温度为623～650 K、1～10 s-1范围内,出现流变失稳区,可加工范围宽,说明该合金可加工性较好。变形温度及应变速率不同,合金的动态能量消耗行为明显不同。随着变形温度的升高及应变速率的降低,η值逐渐增加,即合金的动态能量消耗能量增强,应变量对其热加工图的形状影响不大。

图6 试验6156合金在真应变为0.9时的加工图

利用动态材料模型所绘制的热加工图能够成功地反映出材料在各种温度和变形速率条件下变形时,其内部组织变化机制,并能预测获得良好热加工性能的最佳温度和变形速率范围。η参数反映出在一定的温度和应变速率范围内各种组织变化机制。对于安全的热变形机制有动态再结晶,动态回复和超塑性,如果有楔形裂纹和区域变形的形成则表明悬危险的热加工。从热加工图可以看出,应变量对热加工图的影响不大。随着变形温度的升高及应变速率的降低,能量消耗效率逐渐升高,即合金的动态能量消耗能量增强。η的峰值对应的区域为材料的完全再结晶区,而η则描述的是材料热变形过程中因显微组织改变而消耗的能量与总能量的比值。试验材料在变形温度500℃左右、应变速率为0.1 s-1时,能量消耗效率η达到峰值,约为33%～35%。

3 结 论

1.在应变速率为0.1～10 s-1、变形温度350～500℃条件下,6156合金的流变应力在开始阶段随应变的增加而迅速增加,当真应变超过一定值后,真应力开始下降并逐渐趋于稳定。随着变形温度的降低和应变速率的增加,流变应力增加。

2.热变形过程中的流变应力可以很好地用双曲正弦本构关系来描述,通过优化α值,可以更精确地得到该合金的表观激活能为240.97 kJ/mol。其热变形本构方程为:

3.应变量对其热加工图的形状影响不大,随着温度的升高及应变速率的降低,η值逐渐增加,即合金的动态能量消耗效率逐渐升高。在变形温度500℃左右、应变速率为0.1 s-1时,能量消耗效率η达到峰值,约为33%～35%。

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Study on 6156 Aluminum Alloy Hot Deformation Behavior

ZHU Jian-jun,WU Ye,TANG Wen-jie,LI Jian
(Hunan Research Institute of Rare Earth Materials,Changsha410126,China)

Gleeble-1500 thermal/mechanical simulator tests on 6156 alloy hot compression tests were studied in the temperature 300～450℃and strain rate of 0.1～10 s-1under the conditions of hot deformation behavior.The results show that:during hot deformation,the flow stress can be well described by the hyperbolic sine constitutive;by optimizing the value ofα,it can obtain more accurately the apparent activation energy of the alloy which is 240.97 kJ/mol.According to the dynamic materials model,it calculated and analyzed the 6156 alloy processing maps.With use of hot deformation processing maps,it identified areas of flow instability,and as the deformation temperature and deformation rate decreased gradually,the energy consumption efficiencyηin creased.

6156 alloy;flow stress;constitutive;processing maps

TG166.3

A

1003-5540(2011)03-0038-05

朱剑军(1968-),男,工程师,主要从事材料压力加工研究。

2011-05-08