简介概要

高强可焊2195铝-锂合金热压缩变形的流变应力

来源期刊：中国有色金属学报2004年第12期

论文作者：韩冬峰郑子樵蒋呐李劲风

文章页码：2090 - 2095

关键词：2195铝-锂合金；热压缩变形；流变应力；Zener-Hollomon参数

Key words：2195 aluminum-lithium alloy; hot compression deformation; flow stress; Zener-Hollomon parameter

摘要：在Gleeble-1500热模拟实验机上，采用高温等温压缩，0.001~10 s^-1，变形温度为360~520 ℃，对2195铝-锂合金在高温压缩变形中的流变应力行为进行了研究，分析了其高温变形的物理本质。结果表明：在应变速率为1 s^-1（变形温度为520 ℃）和应变速率为0.1、0.01、0.001 s^-1（变形温度为360~520 ℃）时，2195铝-锂合金热压缩变形流变应力出现了明显的峰值应力，表现为连续动态再结晶特征；在其它变形条件下存在较为明显的稳态流变特征；可采用Zener-Hollomon参数的双曲正弦函数来描述2195铝-锂合金高温变形时的流变应力行为；在获得的流变应力σ解析表达式中，A、α和n值分别为2.569×10¹⁷ s^-1、0.012 48 MPa^-1和5.94；热变形激活能Q为250.45 kJ/mol。

Abstract: By isothermal compression test at Gleeble-1500 thermal-mechanical simulator, the flow stress behavior of 2195 aluminium-lithium alloy during hot compression deformation was studied with the strain rate rang from 0.001 s^-1 to 10 s^-1 and the temperature range from 360 ℃ to 520 ℃. The physical essence of hot deformation for 2195 alloy was also studied. The results show that when the strain rate is 1 s^-1(the deformation temperature is 520 ℃) and 0.001, 0.01 and 0.1 s^-1(360-520 ℃), the flow stress decreases after a peak value, showing continuous dynamic recrystallization. The steady-state flow characteristics exist on the other deformation conditions. The flow stress of 2195 alloy during high temperature deformation can be expressed by a Zener-Hollomon parameter in the hyperbolic sine function. The values of A, α and n in the analytical expressions of flow stress(σ) are fitted to be 2.569×10¹⁷ s^-1, 0.012 48 MPa^-1 and 5.94. The hot deformation activation energy of 2195 alloy during hot deformation is 250.45 kJ/mol.

中国有色金属学报 2004,(12),2090-2095 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.12.020

高强可焊2195铝-锂合金热压缩变形的流变应力

郑子樵蒋呐李劲风

中南大学材料科学与工程学院,中南大学材料科学与工程学院,西南铝业(集团)有限责任公司,中南大学材料科学与工程学院长沙410083 ,长沙410083 ,重庆401326 ,长沙410083

摘要：

在Gleeble 15 0 0热模拟实验机上 , 采用高温等温压缩 , 0 .0 0 1～ 10s-1, 变形温度为 36 0～ 5 2 0℃ , 对2 195铝锂合金在高温压缩变形中的流变应力行为进行了研究 , 分析了其高温变形的物理本质。结果表明 :在应变速率为 1s-1 (变形温度为 5 2 0℃ ) 和应变速率为 0 .1、0 .0 1、0 .0 0 1s-1 (变形温度为 36 0～ 5 2 0℃ ) 时 , 2 195铝锂合金热压缩变形流变应力出现了明显的峰值应力 , 表现为连续动态再结晶特征 ;在其它变形条件下存在较为明显的稳态流变特征 ;可采用Zener Hollomon参数的双曲正弦函数来描述 2 195铝锂合金高温变形时的流变应力行为 ;在获得的流变应力σ解析表达式中 , A、α和n值分别为 2 .5 6 9× 10 17s-1、0 .0 12 4 8MPa-1和 5 .94 ;热变形激活能Q为 2 5 0 .4 5kJ/mol。

关键词：

2195铝锂合金;热压缩变形;流变应力;Zener-Hollomon参数;

中图分类号： TG115

作者简介：郑子樵, 教授;电话:07318830249;Email:dongfenghan@126.com;

收稿日期：2004-05-08

基金：国家十五重点攻关项目 (MKPT 0 1 13 0 ( 2D) );

Flow stress of high-strength weldable 2195 aluminium-lithium alloy during hot compression deformation

Abstract：

By isothermal compression test at Gleeble-1500 thermal-mechanical simulator, the flow stress behavior of 2195 aluminium-lithium alloy during hot compression deformation was studied with the strain rate rang from (0.001) s^-1to 10 s^-1and the temperature range from 360 ℃ to 520 ℃. The physical essence of hot deformation for 2195 alloy was also studied. The results show that when the strain rate is 1 s^-1 (the deformation temperature is 520 ℃) and (0.001, ) 0.01 and 0.1 s^-1 (360520 ℃) , the flow stress decreases after a peak value, showing continuous dynamic recrystallization. The steady-state flow characteristics exist on the other deformation conditions. The flow stress of 2195 alloy during high temperature deformation can be expressed by a Zener-Hollomon parameter in the hyperbolic sine function. The values of A, α and n in the analytical expressions of flow stress (σ) are fitted to be 2.569×10¹⁷s^-1, 0.012 48 MPa^-1and 5.94. The hot deformation activation energy of 2195 alloy during hot deformation is 250.45 kJ/mol.

Keyword：

aluminum-lithium alloy; hot compression deformation; flow stress; Zener-Hollomon parameter;

Received： 2004-05-08

美国雷诺公司于1989年开发了适于低温推进剂贮箱的先进选材—Weldalite^TM 049 ^[1] 系列合金, 用于取代原来的2219和2014合金。在该系合金的基础上, 通过调整Cu和Li的含量而衍生出一种新型铝-锂合金—2195合金。该合金具有超高强度、优良的可锻性、可焊性及低温性能, 应用于大型运载火箭的低温推进剂贮箱、导弹壳体油箱等结构中, 在航空飞行结构体中也有广泛的应用前景 ^[2] 。和其它常规铝合金一样, 2195铝-锂合金一般需经高温塑性加工成形, 国内外对其高温变形时流变应力的研究未见报道。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, 也是变形体内部组织演变的综合反映。无论在制定合理的热加工工艺方面, 还是在金属塑性变形理论的研究方面都是极其重要的。在现代塑性加工力学中, 精确的流变应力值或表达式是提高理论计算精度的关键, 多年来国内外在这方面的研究十分活跃 ^[3,4,5] 。本文作者在Gleeble-1500热模拟机上, 采用圆柱体轴对称高温单道次压缩实验对2195铝-锂合金流变应力进行系统的研究, 分析其高温变形时流变应力的变化规律和高温变形的物理本质, 求解有关材料常数值, 回归出变形抗力模型, 为制定合理的热加工工艺, 有效地控制产品的组织性能, 提高产品质量提供了理论和实践依据。

1实验

研究采用国产2195铝-锂合金铸锭, 其化学成分为Al-1.0Li-4.0Cu-0.4Mg-0.4Ag-0.14Zr (质量分数, %) 。将经455 ℃、 6 h+495 ℃、 20 h双级均匀化处理的2195合金铸锭加工成尺寸为10 mm×15 mm的Rastegaev压缩样品 ^[6] , 在Gleeble-1500热模拟机上进行恒应变速率高温等温压缩实验。压缩过程中, 在圆柱试样两端的槽内填充75%石墨+20%机油+5%硝酸三甲苯脂, 以减小摩擦对应力状态的影响。实验温度为360～520 ℃, 应变速率为0.001～10 s^-1, 总应变量为0.7 (50%) , 利用自身电阻进行加热, 加热速度为1 ℃/s, 变形前保温5 min。由Gleeble-1500热模拟机的计算机系统自动控制温度、位移、位移速度等变形条件, 并采集真应力、真应变等数据, 利用这些数据绘制真应力—真应变曲线。

2结果与讨论

2.1真应力—真应变曲线

2195铝-锂合金变形温度为360～520 ℃和应变速率为0.001～10 s^-1热压缩变形时实测真应力—真应变曲线如图1所示。由图可见, 在应变速率为1 s^-1, 变形温度为520 ℃以及应变速率分别为0.1、 0.01、 0.001 s^-1, 变形温度为360～520 ℃时, 2195铝-锂合金热压缩变形流变应力出现了明显的峰值应力, 表现为连续动态再结晶特征; 而在其它变形条件下存在较为明显的稳态流变特征, 即在一定的温度和应变速率下, 当真应变ε超过一定值后, 真应力σ并不随着真应变的继续增大而发生明显的变化, 表现为动态回复特征; 在等应变速率下, 真应力随着温度升高而降低, 在同样的变形温度下, 随着应变速率的增加, 真应力水平升高。

2.2热变形流变应力方程

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强烈地取决于变形温度T和应变速率 $\dot{ε}$ 。对不同热加工数据的研究表明, σ和 $\dot{ε}$ 之间的数学关系表达式主要有以下3种情况 ^[8,9,10] :

1) 低应力水平时:

$\dot{ε} = A_{1} σ^{n_{1}} ? ? ? (1)$

2) 高应力水平时:

$\dot{ε} = A_{2} \exp (β σ) ? ? ? (2)$

3) 整个应力范围:

$\dot{ε} = A [\sinh (α σ)]^{n} \exp (- Q / R Τ) ? ? ? (3)$

式中 A₁、 A₂、 A、 n₁、 n、 α、 β均为与温度无关的常数, A为结构因子 (s^-1) , n为应力指数, α为应力水平参数 (MPa^-1) ; R为气体常数; T为变形温度; Q为变形激活能; α、 β和n之间满足α=β/n; σ可表示峰值应力或稳态流变应力, 或相应于某指定应变量时对应的流变应力。

式 (3) 是由Sellars和Tegart于1966年提出的一种包括变形激活能Q和温度的双曲正弦形式修正的Arrhenius关系, 用于描述热激活稳态变形行为。大量的研究表明, 式 (3) 能较好地描述常规的热加工变形, 并且该式还广泛用于估算各种金属及合金的激活能Q。

1944年Zener和Hollomon提出并验证了应变速率和温度的关系可用一项参数Z表示:

$Ζ = \dot{ε} \exp (Q / R Τ) ? ? ? (4)$

式中 Z即为Zener-Hollomon参数, 是温度补偿的变形速率因子。变形激活能Q反映了材料热变形的难易程度, 也是材料在热变形过程中重要的力学性能参数, 其值通常与激活焓ΔH相等。 Z和σ之间符合以下关系式:

Z=A[sinh (ασ) ]ⁿ (5)

在研究材料热变形行为时, 还应了解与应变速率和温度有关的流变应力的变化规律。从式 (5) 可以得到 ^[11] :

sinh (ασ) = (Z/A) ^1/n (6)

根据双曲正弦函数的定义, 有:

sinh^-1 (ασ) =ln[ασ+ ( (ασ) ²+1) ^1/2] (7)

由此可将流变应力表达为应变速率和温度的函数, 也可表达为Zener-Hollomon参数Z值的函数:

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

实际应用上, 只要已知A、 Q、 n和α等材料常数, 即可求出材料在任意变形条件下的流变应力大小。该方程已被广泛地应用于挤压、轧制、压缩和扭转等常规的热加工变形的研究之中。下面先计算A、 Q、 n和α等材料常数值。

对式 (1) 和式 (2) 两边分别求对数得:

$\ln \dot{ε} = \ln A_{1} + n_{1} \ln σ ? ? ? (9)$

$\ln \dot{ε} = \ln A_{2} + β σ ? ? ? (10)$

根据式 (9) 、 (10) , 取流变应力为峰值应力, 分别以lnσ和ln $\dot{ε}$ 、 σ和ln $\dot{ε}$ 为坐标作图, 用数学软件Origin作线性回归, 如图2所示。由式 (9) 和 (10) 可知, n₁可取图2 (a) 中5条直线斜率的平均值, 得n₁=7.834 1。图2 (b) 中, 取360～440 ℃ 3条直线斜率的平均值, 得β=0.097 79, 则α值为:

α=β/n₁=0.012 48

对式 (3) 两边取对数, 并假定变形激活能与温度

图2 峰值应力与应变速率之间的关系

Fig.2 Relationship between peak stress and strain rate

无关, 可以得到:

$\begin{array}{l} \ln \dot{ε} = \ln A - Q / R Τ + n \ln [\sinh (α σ)] \\ = A^{'} + n \ln [\sinh (α σ)] ? ? ? (11) \end{array}$

将不同变形温度下2195合金变形时峰值流变应力和应变速率值代入式 (11) , 以ln $\dot{ε}$ 和ln[sinh (ασ) ]为坐标作图, 用Origin作线性回归, 如图3所示。由图可知, 2195合金高温变形流变应力和应变速率的双对数较好地满足线性关系。由此可以认为, 2195合金高温压缩变形时的应力—应变速率关系满足双曲正弦的形式, 这种双曲正弦函数关系可用于描述合金整个应力水平下流变应力和应变速率之间的关系, 为通过控制应变速率来控制热加工的应力水平和力学性能参数提供了理论依据。

把式 (4) 代入式 (5) , 再对其两边取自然对数可以得到:

ln[sinh (ασ) ]=A₃+B×1000/T (12)

将不同变形条件下的峰值应力值代入上式, 以1000/T和 ln[sinh (ασ) ]为坐标作图, 进行线性回归, 如图4所示。由图可知, σ与T较好地符合式 (12) 的线性关系, 从而证实2195合金高温变形时流变应力σ与变形温度T之间的关系属于Arrhenius关系, 即可用包含Arrhenius项的Z参数描述2195合金在高温压缩变形时的流变应力行为。这种关系同时说明2195合金热压缩塑性变形是受热激活控制的。

图3 峰值应力与应变速率的关系

Fig.3 Relationship between peak stress and strain rate

图4 峰值应力与温度的关系

Fig.4 Relationship between peal stress and temperature

根据式 (3) , 求偏导得:

$\begin{array}{l} Q = R {? \ln \dot{ε} / ? \ln [\sinh (α σ)]}_{Τ} \times \\ {\ln [\sinh (α σ)] / ? (1 / Τ)} \dot{ε} ? ? ? (13) \end{array}$

上式右边大括号中的两项分别为一定温度下 $\ln [\sinh (α σ)] - \ln \dot{ε}$ 关系的斜率和应变速率一定的条件下 (1/T) -ln[sinh (ασ) ]关系的斜率。取图3和4中2组直线斜率的平均值分别为6.708 8和4.490 4, 代入式 (13) 中可以求出变形激活能Q值为250.45 kJ/mol。

对式 (5) 两边求对数得:

lnZ=lnA+nln[sinh (ασ) ] (14)

将Q值和变形条件代入式 (5) 后求出Z值, 以ln[sinh· (ασ) ]和lnZ为坐标作图, 并进行线性回归, 如图5所示。由式 (14) 可知, 图5中回归直线的斜率即为应力指数n, 其截距为lnA。从图中可得到n=5.94, A=2.569×10¹⁷s^-1。

图5 流变应力与Z参数的关系曲线

Fig.5 Relationship between flow stress and Zener-Hollomon parameter

将求得的各材料参数值代入式 (3) , 得到2195铝合金热压缩时的流变应力方程为:

$\begin{array}{l} \dot{ε} = 2.569 \times 10^{17} \ln [\sinh (0.012 48 σ)]^{5.94} ? \\ \exp (250.45 / R Τ) \end{array}$

其Z参数可表示为:

$Ζ = \dot{ε} \exp (250.45 / R Τ)$

流变应力方程也可用Z参数表述为:

σ=80.128ln{[Z/ (2.569×10¹⁷) ]^1/5.94+

{[Z/ (2.569×10¹⁷) ]^2/5.94+1}^1/2}

2.3合金高温变形的物理本质

上述分析表明, 2195铝-锂合金高温压缩变形时的流变应力强烈地取决于应变速率和变形温度, 可采用Zener-Hollomon参数的双曲正弦形式来描述其流变应力行为。

稳态变形过程中, 流变应力基本保持不变。此时, 合金变形的实质是位错的增殖和位错间由于相互作用而引起的相互销毁和重组之间达到动态平衡, 合金变形组织中的亚晶平均大小、亚晶间平均取向差以及平衡位错密度基本保持不变, 合金中发生“重复多边形化”, 表现出强烈的动态回复行为 ^[12,13] 。当应变速率较低时出现了峰值应力, 而且流变应力随着变形的进行而平缓地下降, 这些现象明显地表现为动态再结晶行为。由于2195铝合金中Ag、 Mg等微量合金元素的添加, 使层错能大大降低, 热变形时较易发生动态再结晶, 而且2195铝合金经均匀化退火后, 由于T₁相及Al₃Zr粒子等的析出, 降低了位错的可动性。第二相粒子难以被位错切割时, 它会使材料内部形成丰富的位错亚结构并使其稳定。同时, 第二相还阻碍亚晶界或晶界迁移, 提高发生动态回复所需的临界应变值, 使材料中积蓄足够高的位错储能并诱发动态再结晶 ^[7] 。由此可见, 2195铝-锂合金高温变形时的组织特征也可用流变应力或Zener-Hollomon参数进行表征, 即变形组织和Z参数间存在某种对应关系, 这种关系可为合金变形组织的预测、控制和优化提供依据 ^[15] 。

此外, 2195铝-锂合金高温塑性变形激活能 (Q=250.45 kJ/mol) 明显比其它大多数铝合金的变形激活能要大一些。这是由于2195合金中的Li、 Mg、 Ag等溶质元素都是降低铝基体层错能的合金化元素。因此, 合金的层错能降低, 层错宽化, 动态回复变得困难, 由此提高了激活动态回复所需的能量。同时, 2195合金在均匀化后冷却过程中析出的大量细小第二相在变形前的加热和保温过程中及在变形过程中可能发生部分重溶, 而沉淀相的重溶会提高变形激活能^[16]。因此, 激活能的升高归因于合金元素的加入。

3结论

1) 在应变速率为1 s^-1, 变形温度为520 ℃以及应变速率为0.1、 0.01、 0.001 s^-1, 温度为360～520 ℃时, 2195铝-锂合金热压缩变形流变应力出现了明显的峰值应力, 表现为连续动态再结晶特征, 而在其它变形条件下存在较为明显的稳态流变特征。

2) 可采用Zener-Hollomon参数的双曲正弦函数 $\dot{ε} = A [\sinh (α σ)]^{n} \exp (- Q / R Τ)$ 来描述2195铝-锂合金高温变形时的流变应力行为, 获得的流变应力σ解析表达式中A、 α和n值分别为2.569×10¹⁷ s^-1、 0.012 48 MPa^-1和5.94, 其热变形激活能Q为250.45 kJ/mol。