中国有色金属学报 2003,(05),1171-1174 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2003.05.024

铸态ZA27合金的压蠕变行为

沈保罗 易勇

四川大学金属材料系,四川大学金属材料系,四川大学金属材料系 成都610065,四川工业学院材料科学与工程系,成都610039 ,成都610065 ,成都610065

摘 要：

采用自制的实验装置研究了铸态ZA2 7合金在常温及高温时的压蠕变行为。在温度为 2 0～ 16 0℃和压应力为 5 0～ 137.5MPa的范围内 , 随温度和应力的升高 , 合金的压蠕变量增大 , 稳态蠕变速率的对数分别与应力和温度的对数曲线有较好的线性关系 , 稳态蠕变速率符合半经验公式。在不同的温度下 , 应力指数n相近 , 平均值为 3.87;不同的应力下 , 表观激活能Qa 相差不大 , 平均值为 83.73kJ/mol, 材料结构常数A为 0 .0 0 2 , 稳态蠕变速率由锌的点阵扩散和位错的攀移所控制。

关键词：

ZA27合金;压蠕变;应力指数;激活能;

中图分类号： TG135

收稿日期：2002-07-09

Compressive creep behavior of as-cast ZA27 alloy

Abstract：

The compressive creep behavior of an as-cast ZA27 alloy was investigated at room and high temperatures in the range of 20～160 ℃ and different compressive stress in the range of 50～137.5 MPa with special apparatus. The results show that the creep increases with increasing temperature and compressive stress. There is linear logarithmic relationship between the steady creep rate and all the temperature and stress used. The steady creep rate obeys an empirical equation. The stress exponents at different temperatures are similar, i.e. 3.97 (20 ℃) , 3.87 (60 ℃) , 3.82 (100 ℃) and 3.81 (160 ℃) . And the appearance activation energies under different stresses are not greatly different, i.e. 84.58, 84.28, 83.15 and 83.89 kJ/mol. The average values, stress exponent and activation energy, are 3.87 and 83.73 kJ/mol respectively. Materials constant A is 0.002. The steady creep rate of the experimental alloy is controlled by lattice diffusion in zinc or by a dislocation limb.

Keyword：

ZA27 alloy; compressive creep; stress exponent; activation energy;

Received： 2002-07-09

ZA27合金具有优良的室温力学性能, 其室温抗拉强度超过很多铝、 青铜等铸造合金。 因此, 近年来在工业中获得了一些应用, 但合金的高温性能较差, 如当温度升高到150 ℃左右时, ZA27合金的抗拉强度只有160 MPa左右。 因而在如何提高ZA27合金的高温强度方面出现了较多的研究 ^{[1,2,3,4,5,6]} , 在这些研究中, 大多数是关于高温短时拉伸强度的。 也有研究者 ^[7,8,9,10] 研究了Zn-Al-Cu合金在受拉应力作用下的蠕变行为, 但就ZA27合金的构件而言, 处于受压状态是很普遍的, 压蠕变抗力就显得相当重要, 然而有关这方面的研究还很少见。 因此, 本文作者通过自制的实验装置, 研究了ZA27合金在不同的应力和温度条件下的压蠕变行为, 以了解合金在受压状态时的压蠕变规律。

1实验

1.1材料

实验材料为Zn-1锌锭、 Al-00铝锭、 Mg-2镁锭、 Cu-1电解铜。 将电解铜与工业纯铝配制成AlCu50中间合金, 再用电阻坩埚炉 (SRJG-3-9) 熔制ZA27 合金, 把熔制好的合金浇铸成基尔试样 (砂型) 再加工成尺寸为d 8 mm×10 mm的圆柱形试样, 随后进行压蠕变实验。 熔炼后合金的化学成分见表1。 该合金σ_b为410 MPa, δ为5.1%。 合金的铸态组织和热处理时效后的组织 (250℃时效9 h, 再在80 ℃时效7 h) 见图1。 合金在凝固过程中先结晶出枝晶状的富Al的α相, 随后发生包晶转变生成富Zn的β相, 并分布于枝晶α相的边缘, 在晶界处出现白亮色块状的ε相 (CuZn₄) 和深色的η+β+ε三元共晶体 (图1 (a) ) 。 时效处理后, β相分解成粗片状组织 (α+η) , 初生α相中有η相析出 (图1 (b) ) 。

表1 合金的化学成分

Table 1 Chemical compositionof ZA27 alloy (mass fraction, %)

Al	Cu	Mg	Zn
27.200	2.050	0.015	Bal.

1.2实验方法

压蠕变实验在自制的实验装置上进行, 该装置由恒载荷加压装置、 加热装置、 温度控制装置、 数据采集与记录装置组成 (见图2) 。 温度控制精度可达±0.5 ℃, 试样所产生的蠕变数据由位移传感器随时采集并由计算机记录, 精度为±0.000 1 mm。 压蠕变实验的温度分别为20, 60, 100, 160 ℃, 压应力为50.0, 87.5, 100.0, 137.5 MPa, 由此可获得ZA27合金在不同温度和压力下的蠕变参数。

2分析与讨论

2.1ZA27合金的压蠕变曲线

图1 ZA27合金的铸态及时效后的组织

Fig.1 Microstructures of ZA27 alloy (a) —As cast; (b) —Aged

图2 实验装置示意图

Fig.2 Schematic diagram of experimental apparatus

图3所示为ZA27合金在100 ℃和160 ℃的压蠕变的变化趋势。 由图3可见, 随温度的升高和压应力的增加合金压蠕变量增大, 在100 ℃ 和160 ℃ (50 MPa和87.5 MPa) 有明显的稳态蠕变阶段 (蠕变曲线的线性部分) 。

2.2ZA27合金的稳态蠕变速率

由压蠕变曲线的线性部分得到ZA27合金压蠕变稳态蠕变速率 ε˙s $\stackrel{\dot{}}{\epsilon }{}_{\text{s}}$ , 结果见表2。 在一定温度下, 将表2中的稳态蠕变速率与作用应力作双对数曲线, 结果如图4所示。 图4所示为不同温度时 lnε˙s $\ln \stackrel{\dot{}}{\epsilon }{}_{\text{s}}$ 和ln σ之间的线性关系。 将表2中的稳态蠕变速率的对数与温度 (1/T) 作图而得到图5, 图5所示为 lnε˙s $\ln \stackrel{\dot{}}{\epsilon }{}_{\text{s}}$ 和1/T之间的线性关系。

图3 ZA27合金的压蠕变曲线

Fig.3 Compressive creep strain curvesof ZA27 alloy (a) —100 ℃; (b) —160 ℃

表2 ZA27合金压蠕变的稳态蠕变速率

Table 2 Steady compressive creep rateof ZA27 alloy

Temperature/℃	Stress/MPa	Steady creep rate (ε˙s)/s?1 $(\stackrel{\dot{}}{\epsilon }{}_{\text{s}})/\text{s}{}^{-1}$
20	50.0	4.58×10-9
	87.5	1.63×10-8
	100.0	8.67×10-7
	137.5	2.51×10-7
60	50.0	3.33×10-7
	87.5	1.05×10-6
	100.0	3.34×10-6
	137.5	1.83×10-5
100	50.0	4.93×10-6
	87.5	1.36×10-5
	100.0	8.65×10-5
	137.5	2.02×10-4
160	50.0	3.78×10-4
	87.5	1.47×10-3
	100.0	4.89×10-3
	137.5	1.79×10-2

在作用应力不大时, 可用式 (1) 表示稳态蠕变速率与温度和应力的关系 ^[11]

ε˙s=Aσnexp[?Qa/(RT)]???(1) $\stackrel{\dot{}}{\epsilon }{}_{\text{s}}=A\sigma {}^n\exp [-Q{}_{\text{a}}/(R{\rm T})]\text{?}\text{?}\text{?}(1)$

式中 A为与合金成分及组织有关的材料结构常数; σ为作用应力; n为名义蠕变应力指数; R为摩尔气体常数; Q_a为表观蠕变激活能; T为绝对温度。

将式 (1) 两边取对数得到

lnε˙s=lnA+nlnσ?Qa/(RT)???(2) $\ln \stackrel{\dot{}}{\epsilon }{}_{\text{s}}=\ln A+n\ln \sigma -Q{}_{\text{a}}/(R{\rm T})\text{?}\text{?}\text{?}(2)$

当温度不变时, ln A-Q_a/ (RT) =K, K为常数, 则

lnε˙s=K+nlnσ???(3) $\ln \stackrel{\dot{}}{\epsilon }{}_{\text{s}}={\rm K}+n\ln \sigma \text{?}\text{?}\text{?}(3)$

当应力不变时, ln A+nln σ=K′, K′为常数, 则

lnε˙s=K′?Qa/(RT)???(4) $\ln \stackrel{\dot{}}{\epsilon }{}_{\text{s}}={{\rm K}}^{\prime }-Q{}_{\text{a}}/(R{\rm T})\text{?}\text{?}\text{?}(4)$

式 (3) 表示温度不变时 lnε˙s $\ln \stackrel{\dot{}}{\epsilon }{}_{\text{s}}$ 和ln σ的直线关系, 具有斜率n; 式 (4) 表示应力不变时 lnε˙s $\ln \stackrel{\dot{}}{\epsilon }{}_{\text{s}}$ 和 (1/T) 的直线关系, 其斜率为-Q_a/R。 若实验合金的压蠕变满足式 (1) , 则在恒定温度时, lnε˙s $\ln \stackrel{\dot{}}{\epsilon }{}_{\text{s}}$ 和ln σ之间, 以及恒定应力时, lnε˙s $\ln \stackrel{\dot{}}{\epsilon }{}_{\text{s}}$ 和 (1/T) 之间均应有直线关系。 从图4和图5可见, ZA27的稳态压蠕变速率 lnε˙s $\ln \stackrel{\dot{}}{\epsilon }{}_{\text{s}}$ 与应力ln σ和 (1/T) 有直线关系, 由此可得到应力指数n分别为3.97 (20 ℃) , 3.87 (60 ℃) , 3.82 (100 ℃) , 3.81 (160 ℃) , 平均值为3.87; 表观激活能Q_a分别为84.58 (50 MPa) , 84.28 (87.5 MPa) , 83.15 (100 MPa) , 82.89 (137.5 MPa) , 平均值为83.73 kJ/mol。 应力指数n在3～5之间, 激活能Q_a与锌的点阵自扩散激活能 (91.3 kJ/mol ) ^[12] 相差不大, 由此可认为ZA27合金的压蠕变速率由锌的自扩散和位错的攀移过程所控制 ^[13] 。

图4 稳态蠕变速率与应力的双对数曲线

Fig.4 Relationship between steady creeprate and compressive stress

图5 稳态蠕变速率与温度的关系

Fig.5 Relationship between steady creeprate and temperature

当应力指数n和激活能Q_a的值确定后, 由式 (2) 将ZA27合金在整个应力和温度范围内的压蠕变速率的变化表示为 lnε˙s $\ln \stackrel{\dot{}}{\epsilon }{}_{\text{s}}$ 和[nln σ-Q_a/ (RT) ]的关系 (见图6) , 由此得到材料的结构常数A=0.002, 合金的稳态蠕变速率与温度和应力的关系则表示为 ε˙s=0.002σ3.87exp[?83730/(RT)] $\stackrel{\dot{}}{\epsilon }{}_{\text{s}}=0.002\sigma {}^{3.87}\exp [-83730/(R{\rm T})]$ 。 A决定了直线在图中的位置, 可推知, 若改变ZA27合金的成分及组织, 直线的位置随之而变, 在温度和应力不变的情况下, 当直线向上移动时, 合金的蠕变速率增大, 反之, 则减小。

Fig.6 Relationship between lnε˙s $\ln \stackrel{\dot{}}{\epsilon }{}_{\text{s}}$ and [nln σ-Q_a/ (RT) ]

图 6?lnε˙s $6\text{?}\ln \stackrel{\dot{}}{\epsilon }{}_{\text{s}}$ 与[nln σ-Q_a/ (RT) ]的关系

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