AA2195鋁鋰合金的熱變形行為*

鄧贊輝，李世清，吳 洋，王 彬，張志清,3，黃光杰

(1. 重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400044；2. 西南鋁業(yè)(集團)有限責任公司，重慶 401326；3. 重慶西彭產(chǎn)業(yè)工業(yè)園區(qū)，重慶 401326)

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AA2195鋁鋰合金的熱變形行為*

鄧贊輝1，李世清1，吳 洋1，王 彬2，張志清1,3，黃光杰1

(1. 重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400044；2. 西南鋁業(yè)(集團)有限責任公司，重慶 401326；3. 重慶西彭產(chǎn)業(yè)工業(yè)園區(qū)，重慶 401326)

通過Gleeble-3500熱模擬實驗機上進行熱壓縮實驗，研究了變形溫度為400～500 ℃，應變速率為0.01～10 s-1時2195鋁鋰合金的熱變形行為。通過金相顯微鏡研究了熱變形中顯微組織的演變。研究結(jié)果表明，該合金流變應力隨變形溫度的升高而降低，隨應變速率的提高而增大。該合金流變應力可采用Zener-Hollomon參數(shù)來描述，在獲得流變應力σ解析表達式中A=7.08018×1012s-1、α=β/n1=0.01473、n1=5.42929，其熱變形激活能為Q=190.27 kJ/mol。 熱加工圖表明AA2195鋁鋰合金適宜加工區(qū)為400～430，442～473 ℃，應變速率為0.01～0.2 s-1以及溫度范圍為477～500 ℃，應變速率為0.01～0.3 s-1的區(qū)域。

2195鋁鋰合金；熱變形；本構(gòu)方程；微觀組織；熱加工圖

0 引 言

鋁鋰合金是一種新型鋁合金材料，其最大特點是密度低、強度高、比剛度高且具有良好的耐熱性和抗腐蝕性。實驗結(jié)果表明：在鋁合金中加入1%的鋰，可使合金密度降低3%，剛度提高6%，鋁鋰合金取代常規(guī)鋁合金可減少結(jié)構(gòu)質(zhì)量10%～15%，提高剛度15%～20%[1-2]。其作為新一代結(jié)構(gòu)材料，被認為是航空航天工業(yè)的理想材料。

從鋁鋰銅合金的相圖可知，在2XXX鋁合金中加入Li最終會形成T1相，T1相能強化2XXX合金的部分性能，比如強度、抗腐蝕性能與抗疲勞性能。但加入Li后合金的各向異性增大，目前導致各向異性的根本原因還不清楚，但很多研究表明其各向異性與織構(gòu)有所聯(lián)系[3-5]。目前2195鋁鋰合金在航空領(lǐng)域具有很大的應用前景而被廣泛的研究。

關(guān)于2195鋁鋰合金的熱壓縮變形流變應力與變形溫度、應變速率的關(guān)系近來受到研究者們的關(guān)注[6]，但是變形過程中顯微組織的演變規(guī)律其與加工圖關(guān)系研究尚未見公開報導。本文通過熱壓縮實驗獲得了2195鋁合金的真應力-應變曲線來研究其高溫流變應力行為，建立了能夠準確描述該合金流變本構(gòu)模型，研究了其在不同條件下微觀組織結(jié)構(gòu)特點并繪制了加工圖，為2195合金在高溫下的塑性成形工藝提供理論依據(jù)。

1 實 驗

實驗所用材料2195鋁鋰合金由西南鋁提供。2195鋁鋰合金的名義成分如表1所示。

表1 2195鋁合金化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)

鑄錠采用雙極均勻化熱處理工藝，均勻化工藝參數(shù)為440 ℃×16 h+490 ℃×20 h。線切割尺寸為?10 mm×H15 mm的試樣。經(jīng)均勻化后，微觀組織均勻，形成了等軸晶粒，圖1為均勻化后的金相組織。本文實驗溫度為400，420，440，460，480和500 ℃。應變速率為0.01，0.1，1和10 s-1，利用自身電阻進行加熱，加熱速度為5 ℃/s，變形前保溫3 min。壓縮過程中在試樣兩端凹槽內(nèi)和壓頭上涂抹潤滑劑，減小壓頭和試樣之間接觸摩擦力的影響。壓縮變形后水淬，從壓縮樣中部切開，變形過程中計算機自動采集載荷、位移、溫度等實驗數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 流變應力

2195鋁鋰合金的真應力-真應變曲線如圖2所示。由圖2可知， 2195鋁鋰合金的真應力在變形初始階段隨變形程度的增加而升高，并迅速達到某一峰值，隨后隨著應變量的增大，真應力不再發(fā)生明顯變化，呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流變的特征。應變速率為0.01 s-1與應變速率為0.1 s-1的合金溫度在400，420和440 ℃時出現(xiàn)較明顯的峰值，其余基本表現(xiàn)為達到峰值后應力保持穩(wěn)態(tài)或略微下降后再保持穩(wěn)態(tài)。高溫熱變形是加工硬化與動態(tài)軟化的過程，熱變形初期，隨壓縮的進行，位錯密度急劇增加，表現(xiàn)為加工硬化強于動態(tài)軟化，因此流變應力迅速增加。隨著熱變形的進行，動態(tài)軟化程度增加，與加工硬化過程相互抵消甚至超過加工硬化，從而應力變化不明顯或略微有所下降，圖3為應力峰值的變化曲線。從圖3可以看出，隨變形溫度的升高，峰值應力逐漸下降。

圖1 2195鋁鋰合金均勻化后的金相組織

Fig 1 The initial ingot microstructure of 2195 alloy

圖2 2195鋁鋰合金的相同應變速率不同溫度下的真應力-真應變曲線

圖3 2195鋁鋰合金的應力峰值曲線

Fig 3 The variation curves of 2195 alloy peak flow stress

2.2 本構(gòu)方程

材料在高溫塑性變形過程中的流變應力常用式(1)表達[7]

(1)

(2)

在此基礎(chǔ)上，材料科學家利用熱模擬技術(shù)建立了一系列金屬高溫塑性變形流變應力的數(shù)學關(guān)系模型，典型的有Sah模型[8]、Zuzin-Browman模型[9]以及含有Z參數(shù)的函數(shù)模型等。本文將采用Z參數(shù)模型對2195鋁鋰合金的流變應力行為進行研究。

流變應力與應變速率的關(guān)系用如下指數(shù)函數(shù)式[10-11]：

低應力水平時

(3)

高應力水平時

(4)

整個應力范圍

(5)

在上述的基礎(chǔ)上，Zener-Hollomon等在對鋼的流變應力研究時，提出了溫度補償應變速率因子，即Zener-Hollomon參數(shù)。因此，式(5)可用材料的溫度補償應變速率因子Z參數(shù)來表示[12]如下

(6)

對式(6)進行變形可得

(7)

根據(jù)雙曲正弦函數(shù)的定義，以及對上述式(7)變形可得

(8)

只要求出含有Z參數(shù)函數(shù)模型中的常數(shù)A、Q、α和n等，即可以根據(jù)公式對流變應力的大小進行計算，從而確定材料加工過程的必要參數(shù)，對后續(xù)的材料加工設(shè)備選取和加工參數(shù)制定提供一定的理論指導。

通過分析，就以Zener-Hollomon參數(shù)模型來建立2195鋁鋰合金高溫塑性變形的本構(gòu)方程。

由Z參數(shù)模型可知，2195鋁鋰合金的峰值應力可以采用指數(shù)關(guān)系、冪指數(shù)關(guān)系以及雙曲正弦函數(shù)關(guān)系來表示[13-14]。表2為2195鋁鋰合金在不同變形條件下的峰值應力。

在低應力水平下，式3.5可近似的轉(zhuǎn)化為如下冪指數(shù)指數(shù)形式

(9)

在高應力水平下，式(5)可以轉(zhuǎn)變?yōu)槿缦轮笖?shù)形式

(10)

對式(9)和(10)兩邊同時取對數(shù)可得：

在低應力水平下

(11)

在高應力水平下

(12)

對所有應力水平有

(13)

將兩種壓縮方式下的各個變形條件下的峰值應力及相應的應變速率值代入上面三式，通過Origin導入數(shù)據(jù)繪制圖形，根據(jù)最小二乘法原理分別進行一元線性回歸處理，從而得到流變應力和應變速率之間的3個線性關(guān)系曲線圖，如圖4所示，這3個圖形就是金屬熱加工過程中流變應力與應變速率的關(guān)系圖。

表2 2195鋁鋰合金在不同變形條件下的峰值

Table 2 The peak stress of 2195 alloy at different conditions

ε·/s-1T/℃ 0.010.1110σp/MPaσp/MPaσp/MPaσp/MPa400668811514742051709313744040608612846032527511648028456510250025396190

圖4 2195鋁合金等溫熱壓縮過程中的應變速率與峰值應力之間的關(guān)系曲線

Z=7.08×1012[sinh(0.01474σ)]4.4935

圖5 2195鋁合金等溫熱壓縮過程中的峰值應力與變形溫度之間的關(guān)系曲線

Fig 5 Relationship between temperature and peak stress in the isothermal deformation of 2195 alloy

通過上述實驗，獲得的2195鋁鋰合金圓柱樣的變形激活能為190.27 kJ/mol，高于純鋁的自擴散激活能(165 kJ/mol)，與韓冬峰等[6]報道的2195鋁鋰合金的變形激活能(250.45 kJ/mol)相比偏低。可能原因有以下幾個方面：(1) 本文所用升溫速率為5 ℃/s，而文獻所用升溫速率為1 ℃/s。升溫速率較高，材料在加熱過程中合金元素擴散時間較短，擴散沒那么充分，而合金元素與位錯的交互作用使得位錯運動的阻力增大，因此本實驗材料流變應力降低；(2) 變形工藝參數(shù)。本實驗所用變形溫度的最低溫度為400 ℃，而文獻所用最低溫度為360 ℃。由上述計算可以看出變形溫度越高，材料變形所需的激活能越小，因此使得本文所獲得的激活能值較低。

圖6 2195鋁鋰合金lnZ-ln[sinh(ασ)]lnZ-ln[sinh(ασ)]的lnZ-ln[sinh(ασ)]關(guān)系曲線

Fig 6 Relationship between lnZ-ln[sinh(ασ)]lnZ-ln[sinh(ασ)]of 2195 alloy

2.3 顯微組織

在熱變形過程中，鋁合金內(nèi)部同時發(fā)生加工硬化和動態(tài)軟化兩個過程，材料的高溫變形行為是其微觀變形機制及變形過程中組織結(jié)構(gòu)演變的宏觀反映。圖7為2195鋁鋰合金應變速率為0.01 s-1，變形溫度為400，420，440，460，480和500 ℃時試樣的光學顯微組織。

圖7 應變速率在0.01 s-1時2195鋁鋰合金等溫熱壓縮后不同變形溫度微觀組織

圖7(a)、(b)所示，在0.01 s-1的應變速率，變形溫度分別為400和420 ℃的晶粒均保持拉長纖帶狀形態(tài)，晶粒寬度減小，認為2195鋁合金在這此條件下僅發(fā)生了回復。當變形溫度升高到440與460 ℃時，部分晶界呈鋸齒狀，并伴隨著微小的等軸再結(jié)晶晶粒(圖7(c)、(d)畫圈區(qū)域內(nèi))，表明2195鋁鋰合金在在此狀態(tài)下開始發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。當變形溫度升高到480與500 ℃時，動態(tài)再結(jié)晶特征更加明顯，再結(jié)晶晶粒增大，數(shù)量明顯增多[12]。圖8為不同應變速率下480 ℃時2195鋁鋰合金的顯微組織演變，可見壓縮樣在0.01，0.1和1 s-1應變速率下變形時，晶界出現(xiàn)了等軸狀的動態(tài)再結(jié)晶小晶粒(如圖8(b)畫圈區(qū)域內(nèi))，說明2195鋁鋰合金圓柱樣在480 ℃時低應變速率下發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，高應變速率(10 s-1)下無動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，與Z參數(shù)對比，隨著應變速率的降低，動態(tài)再結(jié)晶晶粒數(shù)目以及尺寸都逐漸增大。

圖8 變形溫度在480 ℃時2195鋁合金等溫熱壓縮后不同應變速率的微觀組織

2.4 熱加工圖

加工圖為金屬材料加工工藝設(shè)計的一種必要手段，用來評價材料加工性能優(yōu)劣。圖9為2195鋁鋰合金分別在0.3，0.5，0.7下的加工圖。

圖9 真應變分別為0.3時的功率耗散圖、失穩(wěn)圖、加工圖及0.5與0.7時的加工圖

Fig 9 The power dissipation, instability and processing map at strain of 0.3, processing map at stain of 0.5 and 0.7 of 2195 alloy

通過加工圖可以分析材料不同變形條件下的變形特點，并獲得 “安全加工”以及“非安全加工”的區(qū)域，優(yōu)化工藝參數(shù)，避免缺陷的產(chǎn)生。加工圖的建立過程中，應變速率敏感因子m、功率耗散系數(shù)η以及失穩(wěn)系數(shù)ξ是加工圖建立所需的重要參數(shù)，通過η與應變速率與變形溫度關(guān)系做出功率耗散圖，通過ξ與應變速率與變形溫度關(guān)系做出失穩(wěn)圖。而功率耗散因子和失穩(wěn)判據(jù)都是由應變速率敏感因子m決定的，因此建立熱加工圖中關(guān)鍵參數(shù)為應變速率敏感因子m[16-19]。

從圖9可以看出，加工圖隨著真應變的增加，安全加工區(qū)域逐漸減少，流變失穩(wěn)區(qū)逐漸增大，但是基本不存在流變失穩(wěn)區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩庸^(qū)的現(xiàn)象，因此我們可以把真應變?yōu)?.7的加工圖作為整體熱加工圖。從圖可以看出試樣的安全加工區(qū)域為應變速率在0.01～0.2 s-1之間，溫度在400～430 ℃之間的傾斜河流條狀區(qū)域與442～473 ℃之間橢圓區(qū)域；以及應變速率在0.01～0.3 s-1之間，溫度在477～500 ℃之間類三角形的區(qū)域。

2195鋁鋰合金圓柱體單向壓縮的整體加工圖中的安全區(qū)域和流變失穩(wěn)取的微觀組織如圖10所示。圖10(a)、(c)為拉長的纖維狀組織，晶粒表面粗糙，有細小空洞等現(xiàn)象，屬于失穩(wěn)態(tài)特征組織，且樣品的功率耗散系數(shù)都低于27%。圖10(b)、(d)中安全區(qū)域內(nèi)的微觀組織具有明顯的動態(tài)再結(jié)晶特征。雖然圖10(b)、(d)顯示的樣品的微觀組織也呈拉長的變形晶粒，但是同時沿拉長晶粒晶界處明顯出現(xiàn)了微小的動態(tài)再結(jié)晶小晶粒，且樣品的功率耗散系數(shù)為均大于31%。整體來看，安全區(qū)域的功率耗散系數(shù)都比流變失穩(wěn)區(qū)的耗散系數(shù)大。這是因為功率耗散系數(shù)的大小反映顯微組織改變所用功率與輸入總功率的比值，其值越大，說明顯微組織越容易改變，當達到一定值時，就會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。

圖10 不同變形條件下流變失穩(wěn)和安全區(qū)域中的微觀組織照片

3 結(jié) 論

(1) 2195鋁鋰合金真應力-應變曲線表明，流變應力隨變形溫度的降低、應變速率的增加而提高，在達到峰值應力后，材料由加工硬化階段進入穩(wěn)態(tài)變形階段，高溫軟化機制有動態(tài)回復與動態(tài)再結(jié)晶。

(2) 采用Zener-Hollomon參數(shù)的雙曲正弦函數(shù)來描述2195鋁合金高溫流變應力，A=7.08018×1012s-1、α=0.01473、n1=5.42929，Q=190.27 kJ/mol。

(3) 2195鋁鋰合金在熱變形過程中的金相分析表明，在420 ℃以下呈現(xiàn)動態(tài)回復特征，在440 ℃以上以動態(tài)再結(jié)晶為主要特征；應變速率低于1 s-1時才有明顯的動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，且應變速率越低，溫度越高，動態(tài)再結(jié)晶越明顯。

(4) 2195鋁鋰合金安全加工區(qū)域為應變速率在0.01～0.2 s-1之間，溫度在400～430 ℃之間的傾斜河流條狀區(qū)域與442～473 ℃之間橢圓區(qū)域；以及應變速率在0.01～0.3 s-1之間，溫度在477～500 ℃之間類三角形的區(qū)域。

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Hot deformation behavior of AA2195 alloy during isothermal compression at elevated temperature

DENG Zanhui1，LI Shiqing1，WU Yang1，WANG Bin2，ZHANG Zhiqing1，HUANG Guangjie1

(1. College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China；2. Southwest Aluminum (Group) Co., Ltd,Chongqing 401326, China；3. Chongqing Xipeng Aluminum Industrial Park, Chongqing 401326,China)

The hot deformation behavior of 2195 aluminium-lithium alloy during hot compression deformation was studied with the temperature range from 400 to 500 ℃, and the strain rate range from 0. 001 to 10 s-1by isothermal compression test at Gleeble-3500 thermal mechanical simulator. The microstructure evolution of samples were characterized using the optical microscopy (OM). Processing maps at various strain for 2195 alloy were developed using dynamic materials model (DMM) theory. The results show that the flow stress affected by temperature and strain rate, it decreases with increasing temperature, increases with increasing strain rate. The flow stress of 2195 alloy during high temperature deformation can be expressed by a Zener-Hollomon parameter. The values ofA, a andn1in the analytical expressions of flow stress (σ) are fitted to be 7.08018×1012s1, 0.01473 and 5.42929. The hot deformation activation energy of 2195 alloy during hot deformation is 190.27 kJ/mol. The optimum hog-working condition for AA2195 aluminum alloy is determined to be in the temperature range of 400-430 ℃, 442-475 ℃ under strain rates of 0.01-0.2 s-1and 477-500 ℃ under strain rates of 0.01-0.3 s-1.

AA2195 aluminum-lithium alloy; heat deformation; constitutive equations; microstructure; processing map

1001-9731(2016)11-11061-07

國家高技術(shù)研究和發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2013AA032401)

2015-09-13

2016-04-08 通訊作者：張志清，E-mail: zqzhang@cqu.edu.cn

鄧贊輝 (1989-)，男，湖南邵陽人，在讀碩士，師承張志清副教授，從事鋁合金研究。

TG146.21

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.11.012