CuNi10Fe1.6Mn銅鎳合金熱壓縮流變應力行為研究

馬艷霞，苑 偉，梁 晨，周鐵柱

（中國船舶重工集團公司 第七二五研究所，河南 洛陽 471000）

銅鎳合金由于具有良好的塑性成型性能、焊接性能、超強的抗腐蝕能力和抗污殺菌能力以及光亮的顏色，在石油化工、海洋艦船制造和工藝品制造等領域得到大量使用[1，2]。近年來，隨著海洋工業的大力發展，對銅鎳合金管和管件產品需求量迅速增加，因此提高生產效率和產品質量是具有重大意義的。

銅鎳二元合金不論成分比例多少，組織結構始終為單一α相，但由于鎳在銅中的擴散速度很慢，所以銅鎳合金的樣品容易出現成分不均勻的現象，組織有明顯的樹枝狀枝晶結構的存在[3]，因此銅鎳合金熱變形的組織與性能主要取決于熱變形工藝參數。目前，銅鎳合金管主要采用熱擠壓的方法進行成形，生產過程中的加工參數一般根據實際經驗來確定，不能有效地利用模具以及控制產品生產效率和質量。因此，本文采用熱壓縮實驗方法，研究銅鎳合金的熱變形流變應力行為，為制定合理的熱加工工藝提供理論依據[4]。由于實驗過程中，銅鎳合金的化學成分基本不變，也不會發生相變，本文將著重研究變形溫度和應變速率對銅鎳合金流變應力行為的影響。

1 實驗過程

CuNi10Fe1.6Mn合金是在銅鎳合金的基礎上加入鐵和錳等合金元素，能夠細化晶粒、提升強度和耐腐蝕性[5]。其主要化學成分如表1所示。

表1 CuNi10Fe1.6Mn合金的化學成分

本實驗所用合金鑄錠經均勻化處理后，截取?10x15mm的圓柱形式樣，其中心軸線與鑄錠的中心軸線平行。熱壓縮實驗在Gleeble-1500熱模擬機上進行，變形溫度為800～1000℃，應變速率為0.01s-1、0.1s-1、1s-1、10s-1，總變形量為 60%。實驗式樣以 10℃/s的速度升至目標溫度并保溫5min，同時在實驗時需在試樣兩端與壓頭接觸處增加了一層薄石墨片來減少壓縮過程中試樣兩端面與熱模擬試驗機壓頭間的摩擦。

2 實驗結果與分析

2.1 真應力-真應變曲線

圖1是CuNi10Fe1.6Mn合金在低溫800℃和高溫1000℃下的真應力-真應變曲線。從圖中可以看出，在同一變形溫度下，隨著應變速率的增加，流變應力逐漸增加；在同一應變速率下，流變應力隨著溫度的上升而逐漸下降。合金的流變應力在變形初期快速上升至峰值應力，這一階段以位錯的產生增殖及相互之間的交互阻礙纏結為主，流變應力增大，發生加工硬化現象。當真應變達到一定數值時出現峰值應力，真應力不再隨著真應變的增加而繼續增加，呈現穩態流變的特征。這一階段隨著位錯的運動和重排，動態回復和動態再結晶的軟化機制逐漸與加工硬化達到動態平衡[6]。

圖1 不同溫度下的真應力-真應變曲線

2.2 熱變形流變應力本構方程

金屬的高溫變形是一個熱激活過程，形變激活能Q反映原子重排的能力。熱變形時流變應力受到變形溫度T和應變速率的影響，可用Arrhenius方程對實驗數據采用數理統計的方法建立本構方程[7，8]，即：

式（1）可以根據較低應力水平和較高應力水平簡化式（2）和式（3）：

式中：R——氣體常數，取值8.314J/（mol·K）；

Q——高溫形變激活能，J/mol。它反映了材料熱變形的難易程度，也是材料在熱變形過程中的重要力學性能參數；

n——應力指數，n=β/α；A、A1、A2、n1、β——與材料有關的常數。

根據本構方程模型，求解與BFe10-1.6-1合金相關的參數 n、β、α。對式（2）和式（3）兩邊取對數并整理得

根據前述實驗數據，獲取CuNi10Fe1.6Mn合金在不同變形條件下的峰值應力來計算材料變形本構方程，如表2所示。

表2 CuNi10Fe1.6Mn合金在不同變形條件下的峰值應力

圖2 不同條件下，CuNi10Fe1.6Mn 合金 σ～ln、lnσ～ln的變化關系圖

根據式（4），取圖2a中高應力狀態下，800～900℃下的三條擬合直線斜率的平均值可得β值：β=0.0789；根據式（5），取圖2b中低應力狀態下，900～1000℃下的三條擬合直線斜率的平均值可得n1值：n1=8.831；所以 α=β/n1=0.0089。

假定形變激活能Q與溫度無關，對式（1）兩邊取對數并取對數，可得到

并對式（6）求偏微分可得變形激活能

圖3 ln～ln[sinh（ασ）]與 ln[sinh（ασ）]～1000/T 的關系曲線

則形變激活能Q

變形溫度和變形速率對材料熱變形的影響可以用溫度補償變形速率因子Zener-Hollomom參數（簡稱 Z）來描述[9，10]：

對式（8）取對數得到：

繪制sinh（ασ）及其對應的lnZ的值的關系圖并進行線性擬合，如圖4所示。根據其截距可得lnA=28.48，則 A=2.337×1012。

圖4 lnZ～sinh（ασ）的關系圖

將求得的α、Q、n、A 的數值帶入式（1）即可得到CuNi10Fe1.6Mn合金的峰值流變應力本構方程：

3 結論

（1）CuNi10Fe1.6Mn合金的流變應力隨著應變速率的增加和應變溫度的下降而逐漸上升。合金的流變應力在變形初期快速上升至峰值應力后不再發生明顯變化，呈現穩態流變的特征。

（2）CuNi10Fe1.6Mn合金的熱變形激活能是306.082KJ/mol，其高溫變形的流變應力本構方程為：