7050 鋁合金高溫流變壓縮本構(gòu)方程的研究

劉金東，曹源源，趙志國，史丹丹，申曉麗

（航鑫材料科技有公司，山東 煙臺 265706）

7050 屬于高強(qiáng)度可熱處理合金，具有極高的強(qiáng)度及抗剝落腐蝕性能，是航空航天和飛機(jī)行業(yè)應(yīng)用的優(yōu)秀選擇。鋁合金流變應(yīng)力是材料在高溫的基本性能之一，受變形溫度、變形速率、形變量和合金化學(xué)成分的影響[5]。本課題在Gleeble3500 熱模擬試驗(yàn)機(jī)上，采用圓柱試樣進(jìn)行高溫流變壓縮試驗(yàn)，建立該流變應(yīng)力本構(gòu)方程，為優(yōu)化合金擠壓、鍛造軋制等熱加工工藝提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

所用材料為南山鋁業(yè)公司提供的7050 鋁合金鑄錠，鑄錠通過470℃/24h 均勻化處理，加工成Φ10×15 的圓柱試樣。為了減少試樣兩端與砧子頭之間的摩擦，避免“鼓肚”現(xiàn)象，在試樣兩端涂抹高溫潤滑劑，并在試樣與砧子頭之間加入石墨片。

1.2 試驗(yàn)方法

使用Gleeble-3500 熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行高溫流變壓縮試驗(yàn),變形溫度300℃、350℃、400℃、450℃，應(yīng)變速率0.01S-1、0.1S-1、1S-1、5S-1，升溫速率10℃/S，加熱至預(yù)定溫度后保溫5min，然后進(jìn)行壓縮，試樣變形量為60%，試樣壓縮方向?yàn)殍T造方向。

圖1

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

圖1 中(1a)、 (1b) 、(1c) 、(1d)為變形溫度為300～450℃，應(yīng)變速率為0.01～5S-1，條件下得到該鋁合金的真應(yīng)力應(yīng)-真變曲線圖。由圖可知流變應(yīng)力與變形溫度、應(yīng)變速率有關(guān)，當(dāng)應(yīng)變速率一定時，峰值應(yīng)力隨著溫度的升高降低；當(dāng)變形溫度一定時，峰值應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的增大而增大[9-12]。

由圖1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，可將高溫流變應(yīng)力壓縮試驗(yàn)分為3 個階段。

第1 階段：應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大迅速增加，較小的應(yīng)變量產(chǎn)生了較高的流變應(yīng)力，呈現(xiàn)出明顯的加工硬化現(xiàn)象。第2 階段：隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力趨于穩(wěn)定。隨著變形的增加，流變應(yīng)力進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段，應(yīng)力基本保持穩(wěn)定。第3 階段：隨著應(yīng)變的繼續(xù)增大，應(yīng)力出現(xiàn)緩慢增加的趨勢。加工硬化效應(yīng)略強(qiáng)于動態(tài)軟化效應(yīng)，從而造成應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加緩慢增大[5]。

2.2 變形溫度對峰值應(yīng)力的影響

由圖1 可知，在相同的應(yīng)變速率下，峰值應(yīng)力隨變形溫度的升高而降低，且變形溫度越高，動態(tài)軟化效果越明顯。隨著溫度的升高，材料熱激活作用增強(qiáng)，原子的動能和擴(kuò)散速率增加，原子間結(jié)合力減弱，位錯運(yùn)動的阻力減小，使得材料變形更加容易，從而導(dǎo)致峰值應(yīng)力隨著溫度的升高而降低[6]。

2.3 變形速率對流變應(yīng)力的影響

圖1(1e)(1f)為在相同的變形溫度不同應(yīng)變速率下的流變應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖可知，峰值應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增大而增加。在材料的熱變形過程中，同時存在著應(yīng)變硬化和動態(tài)軟化兩個過程，隨著應(yīng)變速率的增大加工硬化作用增強(qiáng)；另一方面，應(yīng)變速率提高變形時間減少，動態(tài)回復(fù)及動態(tài)再結(jié)晶由于變形速度太快，部分來不及進(jìn)行，動態(tài)軟化效果減弱，故而表現(xiàn)出峰值應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增大而增加，說明該合金為正應(yīng)變速率敏感材料[7]。

3 本構(gòu)模型的建立

金屬材料的高溫變形是一個熱激活過程。Zener-Hollomon參數(shù)可以體現(xiàn)出變形溫度與變形速率對變形行為的影響。7050鋁合金的熱變形行為的研究采用Sellars CM 和Tegart WJ 等提出的Arrhenius 方程[1-4]：

即：

（1）低應(yīng)力水平條件下關(guān)系式描述為：

（2）高應(yīng)力水平條件下關(guān)系式描述為：

（3）所有應(yīng)力水平下：

式中，A1、A2、A、n、n1、、---------與變形溫度無關(guān)的常數(shù)，A1、A2、A2為結(jié)構(gòu)因子，s-1；n1、n 為應(yīng)力指數(shù)；、為應(yīng)力水平參數(shù)，MPa-1；且滿足。

R---------摩爾氣體常數(shù)， [8.3145 KJ·mol-1] ；

T----------絕對溫度（K）。

分別對式（2）、（3）、（4）兩邊取自然對數(shù)可得到：

由式（5）、式（6）可知，利用試驗(yàn)所得的不同變形條件下的峰值應(yīng)力（σ）與相應(yīng)的應(yīng)變速見表1，繪制和的散點(diǎn)圖，分別對其進(jìn)行一元線性回歸擬合，得到關(guān)系圖。可以用來描述7050 鋁合金在等溫?zé)釅嚎s過程中流變應(yīng)力與應(yīng)變速率之間的關(guān)系[6-8]。

表1 不同熱變形條件下的峰值應(yīng)力

利用Zener-Hollomon 參數(shù)Z 的雙曲線正弦函數(shù)來描述[9]。Z參數(shù)表達(dá)式如下：

將式（8）帶入式（4）可得到：

分別對式（8）、式（9）兩邊取對數(shù)得：

將不同變形溫度下的應(yīng)變速率和求得的Q=130.4KJ/mol 帶入式（8），得到不同的變形條件下的值。繪制散點(diǎn)圖，并進(jìn)行線性回歸擬合，見圖2（c），根據(jù)圖中直線斜率得到最終的n=5.9675，根據(jù)直線截距得到=23.267，計算得到A=1.27269x1010s-1。

4 結(jié)論

（1）7050 鋁合金的激活能Q=130.4 KJ/mol，穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力方程為：

（2）采用Arrhenius 項(xiàng)的參數(shù)來描述的穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力方程為：