编号：1004-0609(2007)10-1667-05

5083铝合金热压缩变形流变应力行为

吴文祥¹，孙德勤¹，曹春艳¹，王战锋²，张  辉²

 (1. 苏州有色金属加工研究院，苏州 215026；

2. 湖南大学 材料科学与工程学院，长沙 410082)

摘  要：在Gleeble-1500热模拟机上，当变形温度为300~500 ℃、应变速率为0.01~10 s^-1、真应变为0~0.8时，采用圆柱体等温热压缩实验研究5083铝合金变形流变应力行为。通过分析流变应力指数函数中系数、β与应变的关系，建立Zener-Hollomon参数的指数关系本构方程。运用该本构方程对5083铝合金不同应变速率、变形温度及应变条件下的流变应力进行预测，发现流变应力预测值与温升修正值吻合得相当好。

关键词：5083铝合金；热压缩变形；温升；流变应力；本构方程

中图分类号：TG 166.3　　     文献标识码：A

Flow stress behavior of 5083 aluminium alloy under

hot compression deformation

WU Wen-xiang¹, SUN De-qing¹, CAO Chun-yan¹, WANG Zhan-feng², ZHANG Hui²

(1. Suzhou Institute for Non-ferrous Metals Processing Technology, Suzhou 215026, China;

2. School of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

Abstract: The flow stress behavior of 5083 aluminium alloy under hot compression deformation, in the temperature range of 300-500 ℃, strain rates of 0.01-10 s^-1 and true strains of 0-0.8, was investigated by cylindrical compression tests on Gleeble 1 500 machine. The constitutive equations were presented considering the values ofand β as function of strain by Zener-Hollomon parameter in the exponential function form. Using the constitutive equations presented, the prediction of the flow stress in 5083 aluminium alloy as function of strain rate, temperature and strain shows to be in good agreement with the measured flow stresses corrected for temperature rise.

Key words: 5083 aluminium alloy; hot compression deformation; temperature rise; flow stress; constitutive equations

金属热变形流变应力是材料在高温下的基本性能之一，它不仅受变形温度、变形程度、应变速率和合金化学成分的影响，也是变形体内部显微组织演变的综合反映。借助金属及合金高温塑性加工变形过程中流动软化，提高其塑性加工变形能力，必须了解高温塑性加工变形流变应力行为及其与各加工工艺条件(变形温度、变形速度和变形程度)的相互影响关系；近年来以塑性有限元为代表的数值模拟技术在金属塑性加工领域获得越来越广泛的应用，获取精确的流动应力数值或数学模型是提高计算精度的关键。热轧或热变形过程中，材料在任何应变或稳态下的高温流变应力σ取决于变形温度T_def和应变速率，通过引入Zener-Hollomon参数，将流变应力表达为Z参数的指数函数关系、幂函数关系和双曲函数关系，为用Z参数研究变形条件与材料组织和性能演变的关系提供方便^[1-2]。然而，上述描述热变形流变应力行为的函数关系中，材料常数通常认为是与温度无关的，且方程中并没有考虑应变对流变应力的影响^[3-6]。实际上，在不同Z值的非等温变形条件下，变形温度逐渐降低而应变速率与应变逐渐增大，变形过程中产生的热量来不及散失，造成变形过程中温度升高而出现软化现象^[7]。因此，在铝合金热变形过程中，有必要考虑温升及应变对流变应力的影响。

5083铝合金属于Al-Mg系合金，该合金具有较高的强度、良好的塑性、抗蚀性及加工性，具有重要的工业应用价值，已经广泛应用于航天航空、国防、建筑、包装、交通运输、电力和电子工业等各部门。近年来，人们已对Al-Mg系合金热变形流变应力行为进行研究^[8-10]，但有关5083铝合金在常规热变形应变速率(0.01~10 s^-1)条件下的流变应力行为的研究鲜见报道。

因此，本文作者以铸态5083铝合金为研究对象，采用高温圆柱压缩法研究其热变形流变行为，并重点考虑变形过程中的温升对流变应力的影响，对真应力－真应变曲线进行修正，建立精度较高的流变应力本构方程，明确变形温度、应变速率和应变这3个参数对流变应力的影响规律，为铸态5083铝合金常规热加工工艺的制订提供指导。

1  实验

实验用5083铝合金试样取自于工业半连续铸锭，其化学成分(质量分数，％)为：4.22 Mg，0.74 Mn，0.22 Fe，0.21 Si，0.07 Cr，0.04 Cu，0.02 Zn，0.02 Ti，余量Al。铸锭经480 ℃，8 h均匀化处理后加工成d10 mm×15 mm的Rastegaev^[11] 圆柱体试样；在Gleeble-1500热模拟机上进行等温压缩实验，压缩时试样两端槽内填充润滑剂(润滑剂的配方为75％石墨＋20％机油＋5％硝酸三甲苯脂)，以减小摩擦的影响。热压缩实验开始前，试样以10 ℃/s的速度升温至预定温度，并保温3 min。实验变形温度范围为300~500 ℃，应变速率为0.01~10 s^-1，总应变量为0.8(真应变)。由Gleeble-1500计算机系统自动采集应力、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  结果与讨论

2.1  温升对流变应力的影响

图1所示为变形预设温度为400 ℃的情况下，不同应变速率对试样温度的影响。热压缩变形过程中，当应变速率较低时，变形时间长，计算机采集足够的温度数据，可以真实反映温度的变化情况。而当应变速率为10 s^-1时，变形时间短，受热电偶灵敏度的限制，采集的温度数据有限，且出现数据滞后现象，不能真实反映温升情况，此时温升只能通过理论计算得出。因此，图1中应变速率低于1 s^-1时的温度直接由计算机系统自动测定，而应变速率为10 s^-1时温升则可按下式计算为^[12]：

从图1可以看出，400 ℃变形时，随着应变速率增大，温升越来越明显，其中应变速率为10 s^-1时，温度几乎随应变线性上升，应变量为0.8时，温度达到435 ℃左右，比预设温度400 ℃高出35 ℃。而当应变速率为0.01 s^-1时，温度的变化可由热模拟机的加热系统予以补偿，压缩为等温压缩，变形温度基本上维持在400 ℃左右。

图1  预设温度400 ℃时不同应变速率下热压缩过程中试样的温度变化

Fig.1  Variations of temperatures for specimen during compression tests at pre-set temperature of 400 ℃ and different strain rates

铝合金在塑性变形时所消耗的大量能量，其中绝大部分转化为热，小部分以储能的形式保留在金属中。在高速大应变条件下，变形过程中产生的热量来不及散失，使铝合金温度升高。而在低应变速率条件下，大部分变形热通过夹具散失到环境中，产生的温升可以忽略，基本上还是等温变形。

一般而言，温度的变化会对流变应力产生一定的影响。为获得等温条件下的流变应力值就需要对实测的流变应力进行修正。Devadas等^[13]的研究结果表明，温度变化对合金流变应力的影响可表示为

根据实测(低应变速率条件下，≤1 s^-1)及计算(高应变速率条件下，10 s^-1)的温度变化对5083铝合金热变形流变应力进行修正。图2所示为变形温度为400 ℃、应变速率0.01~10 s^-1条件下流变应力修正前后的对比情况。可以看出，随应变速率增大，温升引起的应力变化也逐渐增大，尤其在大应变条件下。当应变速率为10 s^-1、真应变为0.8时，温度升高35 ℃，造成流变应力下降，应力修正值比实测值高出12.9％左右。从图2中还可以看出，修正之后的流变应力先随应变的增大而迅速升高，达到峰值后逐渐下降，出现不同程度的软化现象，表明此时金属发生动态再结晶。

图2  5083铝合金修正前后的真应力－真应变曲线对比

Fig.2  Comparison between corrected and uncorrected true stress—true strain curves for 5083 aluminium alloy

2.2  流变应力本构方程的建立

运用修正后的流变应力值，可以建立精度较高的5083铝合金热变形流变应力本构方程。通常情况下，当流变应力高于50 MPa时，可采用指数关系描述^[1-2]，即

利用上式即可确定流变应力与变形温度及应变速率之间的关系。然而，式(4)并没有考虑应变对流变应力的影响。而实际上，流变应力与应变是有关系的，且通常会出现以下3种情况^[15]：

1) 应变出现一峰值后，流变应力随应变增加而降低；

2) 流变应力保持为恒定值；

3) 流变应力随应变增加而增加，表现为加工硬化。

从图2中不同变形条件下的流变应力分析发现，本实验中流变应力与应变的关系符合上述第一种情况。因此，本实验的流变应力本构方程中应包含应变这个参数，即考虑应变对流变应力的影响。

对式(4)两边取对数，得

因此，在一定的变形温度和应变速率条件下(即Z值一定)，通过采集不同应变对应的修正应力值，并通过最小二乘法线性拟合，即可得出流变应力σ与Z的线性关系，结果如图3所示。可以看出，不同应变对应的和β值也各不相同，从而可以得出和β随应变的变化规律，如图4所示。可以看出，和β受应变的强烈影响。在变形初期，特别是在真应变小于0.2时，值迅速增大，而β值则迅速减小，当应变逐渐增大至0.2以后，随应变的增大值继续增大，但增大的幅度大幅减小，β值则降至最低，且基本趋于稳定。

图3  流变应力与参数Z的关系

Fig.3  Relationship between flow stress and parameter Z

图4  和β随应变的变化

Fig.4  Variations of and β with true strain

采用指数函数对不同应变条件下系数和β进行拟合，得到任意连续变形条件下的流变应力本构方程，即

为了检验上述流变应力本构方程的精度，将应变速率为1 s^-1时，温度为300、400和500 ℃ 5083铝合金等温变形时的真应力-真应变曲线进行对比，如图5所示。可以看出，预测曲线与修正曲线吻合相当好，并且从流变应力预测值与修正值的相对误差分析(图6)来看，300 ℃和400 ℃等温变形时5083铝合金的误差均在5％以内，500 ℃等温变形时的误差则在5%~8.5％之间，相对偏高，这可能是因为500 ℃变形时流变应力相对较低，而文中本构方程的建立是以高应力水平指数关系形式为基础的，所以造成预测值与修正值之间误差偏大。

图5  预测流变曲线与修正流变曲线的对比

Fig.5  Comparison between predicted and corrected true stress—true strain curves

图6  应变速率为1 s^-1，变形温度分别为300、400和500 ℃时流变应力误差

Fig.6  Error of flow stress at train rate of 1 s^-1 and deformation temperatures of 300, 400 and 500 ℃

3  结论

1) 对于5083铝合金而言，在热变形过程尤其是高速大应变条件下，由于变形热效应而使变形温度升高，造成流变应力下降，在建立流变应力本构方程时，应对实测应力值进行修正。

2) 基于流变应力修正值，通过分析流变应力指数函数中系数和β与应变的关系，建立了精度较高的5083铝合金热变形指数关系流变应力本构方程；运用该本构方程对不同应变速率、变形温度及应变条件下5083铝合金的流变应力进行预测，流变应力预测值与温升修正值吻合得相当好。

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基金项目：中国铝业公司科技发展基金资助项目(2006KJA08)

收稿日期：2007-03-30；修订日期：2007-06-14

通讯作者：吴文祥；电话：0512-88856525；E-mail: wwx985@163.com

(编辑 龙怀中)