7050鋁合金熱壓縮本構方程

沈文濤 張 鵬 高 蕾 孫丙金

(中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責任公司，四川618000)

?

試驗研究

7050鋁合金熱壓縮本構方程

沈文濤 張 鵬 高 蕾 孫丙金

(中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責任公司，四川618000)

利用Gleeble-3800熱模擬試驗機進行了7050鋁合金熱軋板材高向試樣在應變速率0.01 s-1～3 s-1，變形溫度為250～450℃條件下的恒速率等溫壓縮實驗。得到了材料的流變應力曲線，分析了合金的流變應力變化特征，建立了合金的流變應力本構方程，為采用7050鋁合金熱軋板材作為坯料進行熱加工工藝提供了理論依據。

7050鋁合金；熱變形；應力-應變曲線；本構方程

鋁合金具有密度小、比強度高、疲勞強度好及抗應力腐蝕等優點，在國民經濟的發展中起著巨大的作用。鋁合金鍛件是鋁合金制品中非常重要的一種形式，具有組織均勻、力學性能好等優點，主要應用于航空航天、交通運輸、船舶、能源動力、石油化工等領域特別重要的承力結構部件。7050鋁合金是在7075基礎上提高Zn、Cu含量以及Cu/Mg的比值，并用Zr代替Cr，克服了淬火敏感性問題，調整了晶粒尺寸，使其具有更高的強度、斷裂韌性以及抗應力腐蝕性能[1]，廣泛應用在飛機主承力結構件上，如機身框架、艙壁、桁條、托架、起落架支撐部件等。

有些鋁合金鍛件的生產坯料直接采用熱軋板材，但鋁合金鑄錠經過軋制后形成板材結構，強烈的各向異性影響材料鍛造成型過程，因此需要研究鋁合金熱軋板材高度方向的高溫流變行為。本文利用Gleeble-3800熱模擬試驗機研究了7050鋁合金熱軋板材高度方向在恒速率等溫壓縮條件下的高溫流變行為，并建立了合金的高溫變形本構方程。

1實驗材料與方案

實驗用料為國內某公司提供的熱軋板材，其化學成分見表1。沿板材高度方向取樣，加工成兩端具有0.1 mm凹槽的?8 mm×12 mm圓柱形試樣，熱壓縮前將試樣加熱至470℃，保溫300 s后快速冷卻，使材料等溫壓縮時具有相同的原始組織。實驗在Gleeble-3800熱模擬試驗機上進行，變形溫度250～450℃，應變速率0.01 s-1～3 s-1，真應變為0.69，等溫壓縮時試樣兩端凹槽填充石墨潤滑劑。

表1 熱軋板材化學成分(質量分數，%)

2 實驗結果與討論

2.1 真應力-真應變曲線

材料變形過程中的真應力-真應變曲線反映了流變應力與變形條件之間的內在聯系，是材料內部組織變化的宏觀表現[2]。圖1為不同變形條件下7050鋁合金熱軋板材高向的真應力-真應變曲線。由圖1可見，材料的流變應力與變形溫度、變形速率相關。相同溫度下，隨著應變速率的增大，峰值應力逐漸增大，達到峰值應力所需的應變量逐漸增大。相同的應變速率下，隨著溫度的升高，峰值應力逐漸減小，出現峰值應力所需應變量減小。隨溫度的升高和應變速率的減小，發生動態再結晶所需要累積的變形能減小，峰值應變逐漸減小。

從圖1可見，250℃與350℃材料變形曲線特征相似，主要經過加工硬化階段、過渡變形階段和穩態變形階段。在真應變未達到0.05時材料主要處于加工硬化階段，宏觀表現為材料變形抗力隨變形量的增加而迅速升高。當真應變達到0.05后，材料處于過渡變形階段，宏觀表現為材料的變形抗力上升速度減慢， 此時出現“軟化”現象，通過與典型的動態回復和再結晶曲線對比，可初步認為主要的軟化機制是動態回復。隨著變形量進一步升高，位錯密度進一步增大，超過一定變形量后變形儲存能成為再結晶的驅動力，發生動態再結晶“軟化”。當“軟化”速率與硬化速率平衡時，應力達到最大值，隨著動態再結晶的進行，軟化速率大于硬化速率，應力值逐漸下降，逐步進入穩態變形階段。400℃與450℃材料變形曲線特征相似，主要經過加工硬化階段、穩態變形階段，并具有明顯的峰值應力，可判斷材料達到一定變形量后發生動態再結晶，進入穩態變形階段。

2.2 流變應力本構方程

材料高溫變形是一個熱激活過程，其流變應力與相關變形參數(應變速率、應變和溫度)之間的關系可用受熱激活控制的動力學方程來表示[3]：

適用于低應力水平(ασ<0.8)：

適用于高應力水平(ασ<1.2)：

適用于所有應力水平：

將基于上述四式構造7050鋁合金高溫變形本構方程，分別對方程式1、2、3、4兩邊同時取對數，可得：

取0.5真應變處應力：

依據方程式8，對lnZ-ln[sinh(ασ)]作圖，線性回歸得到直線的截距lnA平均值為30.2，如圖2所示，則A=1.305 2×1013。

根據雙曲正弦函數的定義及方程式4，可將σ表達成Zener-Hollomon參數Z值的函數：

圖2 線性回歸圖

將求得的相關系數帶入方程式3，可以得到適用于所有應力狀態的7050鋁合金應力-應變速率方程為：

包含Z參數的7050鋁合金流變應力本構方程為：

3 結論

(1)7050鋁合金在恒速率等溫熱壓縮過程中有明顯的動態回復和動態再結晶現象，相同溫度下，隨著應變速率的增大，流變應力峰值逐漸增大；相同的應變速率下，隨著溫度的升高，峰值應力逐漸減小。

(2)7050鋁合金高溫變形激活能為Q=177 899J/mol，建立了適用于所有應力狀態的7050鋁合金應力-應變速率方程。

(3)建立了包含Z參數的7050鋁合金流變應力本構方程。

[1] 劉世興，田世興，陳昌麒. 7050鋁合金鍛件的力學性能和斷裂機制研究[J]. 材料工程，1996(4):34-37.

[2] 王德尊. 金屬力學性能[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1989：6-8.

[3] 胡會娥. 7050鋁合金高溫變形行為及微觀組織演化[D]. 哈爾濱工業大學，2008.

[4]J.P.Poirier，關德林. 晶體的高溫塑性變形[M]. 大連：大連理工大學出版社，1989：30.

編輯 杜青泉

歡迎投稿！歡迎訂閱！歡迎刊登廣告！

Constitutive Equation of Hot Compression for 7050 Aluminum Alloy

Shen Wentao, Zhang Peng, Gao Lei, Sun Bingjin

By using Gleeble-3800 thermal simulation testing machine, the constant speed and temperature compression test has been performed on the sample taken from 7050 aluminum alloy hot rolled plates under conditions with strain rate of 0.01 s-1～3 s-1and deformation temperature of 250～450℃. The flow stress curve of material has been obtained. By analyzing the change characteristics of flow stress, the constitutive equation for flow stress of alloy has been established, so as to provide the theoretical basis for performing the hot working processes on 7050 aluminum alloy hot rolled plates.

7050 aluminum alloy; hot deformation; stress-strain curve; constitutive equation

2016—07—01

TG122

A