简介概要

7050高强铝合金高温塑性变形的流变应力研究

来源期刊：稀有金属2009年第3期

论文作者：许小静毛柏平沈健李俊鹏闫晓东

关键词：等温热压缩; 本构方程; zenner.Hollomon参数; 变形激活能;

摘要：通过在Gleeble1500D热模拟试验机上进行等温热压缩试验,研究了7050高强铝合金在变形温度为300～450℃和应变速率为0.01～10s-1条件下的流变应力变化规律,计算推导出包含Arrhenius项的zener-Hollomon参数描述7050合金高温压缩流变行为的表达式.结果表明:应变速率和变形温度对7050合金的流变应力影响显著,流变应力随温度升高而降低,随应变速率的提高而增大;7050合金属于正应变速率敏感材料,合金的形变激活能为163.7425 KJ·mol-1.

稀有金属 2009,33(03),318-322

7050高强铝合金高温塑性变形的流变应力研究

沈健许小静闫晓东毛柏平

北京有色金属研究总院有色金属加工工程研究中心

摘要：

通过在Gleeble1500D热模拟试验机上进行等温热压缩试验, 研究了7050高强铝合金在变形温度为300～450℃和应变速率为0.01～10s-1条件下的流变应力变化规律, 计算推导出包含Arrhenius项的Zener-Hollomon参数描述7050合金高温压缩流变行为的表达式。结果表明:应变速率和变形温度对7050合金的流变应力影响显著, 流变应力随温度升高而降低, 随应变速率的提高而增大;7050合金属于正应变速率敏感材料, 合金的形变激活能为163.7425kJ.mol-1。

关键词：

等温热压缩;本构方程;Zenner-Hollomon参数;变形激活能;

中图分类号： TG146.21

作者简介：沈健 (E-mail:jshen@grinm.com) ;

收稿日期：2008-08-21

基金：北京市科技计划重点项目 (B08080300520801) 资助;

Flow Stress of 7050 High Strength Aluminum Alloy during High Temperature Plastic Deformation

Abstract：

The flow stress of 7050 alloy was investigated through isothermal hot compression in the tempreture range of 300～450 ℃ and strain rate of 0.01～10 s-1 on Gleeble 1500D thermal mechanical simulator.Expression for describing the rheologic behavior of 7050 alloy during hot compression process by Zener-Hollomon parameter including Arrhenius term was deduced.The results showed that the flow stress of 7050 alloy was greatly affected by temperature and strain rate which decreased with the increasing temperature and raised with the increasing strain rate.7050 alloy was sensitive to positive strain rate with a deformation activation energy of 163.7425 kJ·mol-1.

Keyword：

isothermal hot compression;constitutive equation;Zener-Hollomon parameter;deformation activation energy;

Received： 2008-08-21

7050合金是美国Alcoa铝业公司20世纪70年代研制出的优质铝合金, 具有高强、高韧和耐腐蚀等优良的综合性能, 是目前航空、航天领域广泛采用的一种轻型结构材料, 广泛应用于飞机重要部件的制造, 如飞机起落架的隔框、翼梁、托架等承载构件 ^[1,2,3] 。由于其常温塑性较差, 其塑性加工通常在高温下进行。

材料本构方程是描述材料变形的流动应力与应变、应变率及温度之间的数量关系, 是制定热加工工艺的基础数据, 也是有限元法模拟加工过程的重要数据。近年来, 物理模拟在高强铝合金合金加工领域得到了广泛的应用, 一些铝合金例如7075和7055合金的本构方程已被建立, 但对工业实际生产用7050高强铝合金的高温流变行为研究较少 ^[4,5,6] 。本文以西南铝业公司工业生产用大铸锭为实验材料, 采用等温热压缩实验研究7050合金的热变形行为, 研究其在热加工条件下的流变应力, 为合理制订热加工工艺提供理论依据。

1 实验

1.1 实验材料

试验样品取自西南铝加工厂提供的铸造扁铸锭, 铸锭经470 ℃/32 h均匀化热处理。铸锭化学成分为 (%, 质量分数) : Zn6.00, Mg2.20, Cu2.24, Zr0.10, Mn0.10, Fe0.12, Si0.03, Cr<0.04, Ni<0.05, Ti<0.06, 其余为Al。均匀化处理后机加工成Ф10 mm×15 mm的Rastegaev 型压缩试样, 如图1所示, 其轴向为铸造厚度方向。

1.2 实验方法

在Gleeble-1500D热模拟机上进行等温压缩试验, 圆柱试样两端的浅槽内填充BN粉末作润滑剂, 并贴石墨片, 以减少摩擦对应力状态的影响。压缩温度范围为300～450 ℃, 应变速率范围为0.01～10 s^-1, 总压下量为50% (真应变为0.7) 。压缩过程中通过程序设定保持恒定应变速度, 温

图1 热压缩试样 (mm)

Fig.1 Schematic diagram of hot compression specimen (mm)

度由Gleeble 1500D热模拟机的计算机系统进行自动补偿, 保持基本恒定。样品通过电阻直接加热, 加热速度2 ℃·s^-1, 保温时间2 min。由Gleeble-1500D热模拟机自动采集应力、应变和温度等数据, 绘制出真应力-真应变曲线。

2 结果

2.1 真应力-应变曲线

图2所示为7050合金的等温热压缩真应力-真应变曲线。从图2可以看出, 在本实验条件下, 7050合金热压缩时出现稳态流变特征, 即在一定温度和应变速率下, 当真应变ε超过一定值后, 真应力σ_T并不随应变量的继续增加而发生明显变化。

7050合金在热压缩变形时, 流变应力先随应变的增加迅速升高, 随应变量的增加, 应力应变曲线斜率逐渐减小。在较高温度和较低应变速率下, 出现峰值应力后逐渐下降, 并且在应变速率一定时, 随变形温度升高, 该峰值应力逐渐减小; 在较低温度和较高应变速率下, 应力应变曲线上并未出现峰值应力, 而是呈现出缓慢上升趋势。随着温度的升高, 材料变形表现出明显的动态软化现象。在实验温度范围内, 变形温度保持不变时, 流变应力随着应变速率的提高而增大。

2.2 7050合金本构方程的建立

Sellars和Tegart提出材料高温塑性变形的流变应力σ、应变速率和温度T之间的关系可用包含变形激活能Q和温度T的双曲正弦形式修正的Arrhenius关系表示 ^[7,8,9] :

研究表明 ^[8] , 在低应力水平条件下 (ασ<0.8) , ασ值较小, 稳态流变应力σ和应变速率之间的关系接近指数关系:

高应力水平下, 稳态流变应力σ和应变速率之间的关系接近幂指数关系:

其中, α, n₁和β为与温度无关的常数。并且满足以下关系:

α=β/n₁ (4)

Zener和Hollomon ^[4] 的有关研究证明: 材料在高温塑性变形时, 应变速率受热激活过程控制, 应力与应变速率之间的关系可用一项Z参数, 即Zener-Hollomon参数表示:

图2 7050合金热压缩的真应力-应变曲线

Fig.2 True strain-stress curves of 7050 alloy during hot compression

变形激活能Q通常与激活焓ΔH相等, 则结合公式 (1) 和 (5) , 可得:

Z=A[sinh (ασ) ]ⁿ (6)

lnZ=lnA+nln[sinh (ασ) ] (7)

根据双曲正弦函数定义, 对公式 (7) 进行求解, 可以得到:

σ= (1/α) ln{ (Z/A) ^1/n+[ (Z/A) ^2/n+1]^1/2} (8)

因此, 求解出A, α, n和Q (ΔH) 值, 即可得到7050合金热压缩时的Arrhenius方程, 也可以得到可得7050合金稳态变形流变应力的Z参数表达式。

对公式 (2) 和 (3) 取对数, 可以得:

由公式 (9) 和 (10) 可以发现当温度一定时, n₁和β分别为和曲线的斜率。将不同变形温度条件下7050合金稳态流变应力随应变速率变化情况分别带入公式 (9) 和 (10) , 如图3所示。由图3知, 7050合金热压缩的实验数据间的线性关系吻合很好, 一元线性回归表明, 这两种关系的相关系数均大于0.99。由图3 (a) 中380～450 ℃数据得到的n₁求平均值得到 , 由图3 (b) 中300～380 ℃数据得到的β求平均值得到β=0.1047733, 利用公式 (4) , 得到α=0.011738945, 根据得到的α值, 绘制 (ασ) 曲线, 如图4所示。由图中可以看出, 两者间的线性关系吻合较好, 一元线性回归系数大于0.99, 可以计算出不同温度下的n值, 求平均值得到n=6.873845。

对公式1取对数, 可得:

对上式求偏微分可得:

上式中括号中两项分别为一定温度下关系的斜率和一定应变速率条件下ln[sinh (ασ) ]- (1/T) 关系的斜率, 求出其值后, 即可得到7050合金的变形激活能。图5所示为稳态流变应力σ随变形温度的变化情况, 由图中可以看出, 在相同应变速率条件下, 流变应力的双曲正弦的对数项和温度的倒数之间满足线性关系。表明σ与T比较好的符合式 (11) 的线性关系, 从而证实了7050合金高温变形时流变应力σ与变形温度T之间满足Arrhenius关系, 这也意味着7050合金的热压缩塑性变形是受热激活反应控制的。

对图5中数据进行一元线性回归分析, 得到 , 根据公式 (12) , 可得Q=163742.5 J·mol^-1。

变形激活能Q通常与激活焓ΔH相等 ^[8,9] , 由此可求得不同变形条件下的Z值, 并绘出lnZ与ln[sinh (ασ) ]之间的关系曲线, 如图6所示。

从图6中7050合金流变应力和Z参数的关系发现, 温度补偿应变速率Z的自然对数和流变应力σ的双曲正弦项的自然对数间满足线性关系, 相关度达99.8%, 说明可以用包含Arrhenius项的Z参数描述7050合金在高温压缩变形时的流变应力行为。

图3 7050合金稳态流变应力与应变速率之间的关系

Fig.3 Relationship between steady flow stress and strain rate for 7050 alloy

(a) Relationship between lnε and lnσ; (b) Relationship between lnε and σ

对图6中数据进行一元线性回归分析, 可求得A=2.98004×10¹²。综上所述, 7050合金材料常数求解结果为: 变形激活能Q (ΔH) =163.7425 kJ·mol^-1, 应力指数n=6.873845, 应力水平参数α=0.011738945 mm²·N^-1, 结构因子A=2.98004×10¹²s^-1。

将Q, α, n, A等材料参数值代入公式 (1) , 得到7050合金热压缩时的Arrhenius方程如下式 (13) 所示:

代入公式 (8) , 可得7050合金稳态变形流变应力的Z参数表达式如下式 (14) 所示:

σ=89.18653ln{ (Z/ (2.98004×10¹²) ) ^1/6.873845+[ (Z/ (2.98004×10¹²) ) ^2/6.873845+1]^1/2} (14)

其中

3 讨论

3.1 应力-应变曲线

由图2可以观察到7075合金的流变应力曲线经历了过渡变形阶段与稳态变形阶段。在过渡变形阶段, 流变应力随形变量的增加迅速上升。这是因为变形初期位错不断增殖, 位错间的交互作用又增大了位错运动的阻力, 软化机制主要为交滑移, 其引起的软化不足以克服位错密度增加带来的硬化, 因此, 在峰值应力之前加工硬化占主导地位。随着变形量的进一步增加, 材料中的空位浓度增大, 并且位错的攀移也参与材料的软化过程, 因而位错克服障碍阻力的能力增强, 材料变形时硬化和软化的平衡向低硬化指数方向变化, 应力-应变曲线趋于平缓。最后, 交滑移和攀移引起的软化与应变硬化达到动态平衡时, 材料进入稳态变形阶段。

稳态变形的物理实质是应变硬化和动态回复软化之间形成动态平衡。动态回复主要包括位错的交滑移和与自扩散有关的攀移等现象, 这些过程都与温度和时间有关。随着温度的增加, 材料热激活作用增强, 金属原子平均动能增加, 原子振动的振幅增大, 导致位错与空位的活动性提高, 位错的攀移几率增加, 从而增强了合金的动态回复, 降低了合金的流变应力。随着应变速率的增加, 单位应变的时间缩短, 位错的产生、运动数目增多, 位错运动的速度也增大, 从而提高了合金变形的临界切应力。

随着应变温度的升高和应变速率的降低, 合金基体中的自扩散及合金中刃型位错的攀移和螺型位错的滑移及交滑移能够充分进行, 交滑移和攀移所提供的软化程度增大, 因而进入稳态流变阶段所需的应变值也就相应的降低, 由图2也可以观察到这一点。

3.2 7050合金的激活能

激活能反映了合金热变形的难易程度, 在上节计算得到7050合金的激活能为163.7425 kJ·mol^-1, 大于多晶纯铝的激活能142 kJ·mol^-1 ^[6] , 比文献中的其他合金也稍大一些。

在7050合金中, 由于Zn, Mg, Cu和Zr元素的加入, 形成了MgZn₂, Al₂Mg₃Zn₂和Al₂CuMg等弥散强化相以及Al₃Zr粒子, 这些第二相粒子在金属塑性变形过程中会阻碍位错的运动, 使位错交滑移和攀移所需要的能量增加, 故提高了动态回复所需的能量。因此, 7050合金激活能较大应归因于合金元素的加入。