朱振華，袁鴿成，李仲華，吳其光，吳錫坤

（1．廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006；2．廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山 528061）

5A30鋁合金熱變形的流變應(yīng)力及材料常數(shù)＊

朱振華1，袁鴿成1，李仲華1，吳其光1，吳錫坤2

（1．廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006；2．廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山 528061）

在Gleeble－1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上，采用高溫等溫壓縮試驗(yàn)，研究了5A30鋁合金在300～500℃溫度范圍及應(yīng)變速率在0．001～1 s－1內(nèi)壓縮變形的流變應(yīng)力變化規(guī)律，采用數(shù)學(xué)回歸及最小偏差法求出了該合金的材料常數(shù)，建立了該合金流變應(yīng)力與Zener－Hollomon參數(shù)的線性關(guān)系式．結(jié)果表明，該合金為正應(yīng)變速率敏感材料，流變應(yīng)力隨變形溫度升高而降低，隨應(yīng)變速率升高而增大；該合金的材料常數(shù)包括變形激活能Q為160．94 kJ／mol，應(yīng)力水平參數(shù)α為0．0184 mm2／N，應(yīng)力指數(shù)n為3．314，結(jié)構(gòu)因子A為3．058×109s－1；合金流變應(yīng)力模型可表達(dá)為σ＝54．31ln｛（Z／3．058×109）1／3．314＋［（Z／3．058×109）2／3．314＋1］1／2｝．

5A30鋁合金；等溫壓縮；應(yīng)變速率；流變應(yīng)力

5A30鋁合金屬于Al－Mg系鋁合金，是5xxx系鋁合金中鎂含量（4．7%～5．5%）較高的熱處理不可強(qiáng)化鋁合金，主要用于裝甲板、高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)槽、壓力容器以及船舶用材．作為一種很重要的結(jié)構(gòu)材料，其室溫的力學(xué)性能數(shù)據(jù)可以從相關(guān)資料和手冊(cè)中查到，但其高溫塑性變形時(shí)的流變應(yīng)力、變形特征和成形性指標(biāo)等至今還未見(jiàn)有人報(bào)道［1］．金屬的熱變形流變應(yīng)力是材料在高溫下的重要的基本性能之一，它不僅受變形溫度、變形程度、應(yīng)變速率和合金化學(xué)成分的影響，也是變形體內(nèi)部顯微組織演變的綜合反映．所以，本文通過(guò)研究5A30鋁合金高溫塑性變形時(shí)的流變應(yīng)力行為，建立流變應(yīng)力本構(gòu)方程，從而為5A30鋁合金的擠壓、軋制等熱加工組織與性能控制、工藝制定、模具設(shè)計(jì)、設(shè)備選型及加工過(guò)程仿真等提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)．

1 熱變形流變應(yīng)力描述

金屬的熱加工變形和高溫蠕變一樣存在熱激活過(guò)程，其熱變形行為可用穩(wěn)態(tài)變形階段的應(yīng)變速率、溫度T和流變應(yīng)力σ之間的關(guān)系來(lái)進(jìn)行描述［2］．金屬材料大量的熱變形行為研究表明，低應(yīng)力水平及高應(yīng)力水平下穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力σ和應(yīng)變速率之間的關(guān)系可以分別用以下函數(shù)描述［3－5］：

式（1）和（2）中A1，n1，A2，β均為與變形溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)．Zener和Hollomon提出了溫度補(bǔ)償應(yīng)變速率Zener－Hollomon參數(shù)Z，通過(guò)參數(shù)Z可更為準(zhǔn)確地描述變形溫度、變形速率及流變應(yīng)力的關(guān)系：

式（3）中，A為結(jié)構(gòu)因子，α為應(yīng)力水平參數(shù)，n為應(yīng)力指數(shù)，均是與溫度無(wú)關(guān)的材料常數(shù)；Q為平均變形激活能，R為氣體常數(shù)，T為絕對(duì)溫度．從式（1）、（2）、（3）可看出，在低應(yīng)力水平下（ασ＜0．8），（3）式接近（1）式的指數(shù)關(guān)系，高應(yīng)力水平下（ασ＞1．2）時(shí)則接近（2）式的冪指數(shù)關(guān)系，常數(shù)α，β和n滿足α＝β／n．

2 材料常數(shù)求解原理

求解材料高溫塑性變形激活能的方法很多，如等溫法、補(bǔ)償時(shí)間法、變溫法和Zener－Hollomon參數(shù)法等［6］．前三種適用于蠕變變形，而Zener－Hollomon參數(shù)法則主要用于控制速率的變形．

對(duì)式（1）和（2）兩邊分別取自然對(duì)數(shù)，得到：

將不同變形溫度條件下5A30鋁合金的隨不同應(yīng)變速率的變化的穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力值分別代入式（4）和（5），得出n1和β，常數(shù)n滿足α＝β／n1，把所得α代入式（3），采用最小偏差法可以得到更為精確的材料常數(shù)．

對(duì)于鋁合金來(lái)說(shuō)，由于熱壓縮變形時(shí)流變應(yīng)力－應(yīng)變速率－溫度相關(guān)性更接近于雙曲正弦關(guān)系，所以將式（3）經(jīng)過(guò)變換可得到計(jì)算5A30鋁合金變形激活能Q的修正關(guān)系式：

式（6）右邊括號(hào)中的兩項(xiàng)分別為一定溫度下，應(yīng)變速率ε·與流變應(yīng)力σ的線性關(guān)系以及一定應(yīng)變速率條件下流變應(yīng)力σ與溫度倒數(shù)之間的線性關(guān)系．根據(jù)以上求出的材料常數(shù)仍然只是一組近似值，需要通過(guò)最小偏差法，求出他們的精確值．

一般說(shuō)來(lái)，材料的流變應(yīng)力與主要與變形溫度、變形程度和應(yīng)變速率有關(guān)，在本論文中可以用材料常數(shù)較為方便的求出熱變形時(shí)的流變應(yīng)力．從（3）式可知流變應(yīng)力σ可表達(dá)成Zener－Hollomon參數(shù)Z的函數(shù)：

可見(jiàn)，只要已知A，α，n和Q等材料常數(shù)，便可由式（7）求得材料在不同變形溫度－速率條件下的流變應(yīng)力值．

3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)原材料為Φ120 mm的5A30鋁合金鋁錠，沿鑄錠的軸向加工成Φ10mm×15mm圓柱，兩端帶有深0．2 mm凹槽的壓縮樣品，壓縮實(shí)驗(yàn)在Gleeble－1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行．壓縮過(guò)程中，在圓柱試樣兩端的凹槽內(nèi)填充潤(rùn)滑劑（75%石墨＋20%機(jī)油＋5%硝酸三甲苯脂），以減小摩擦對(duì)應(yīng)力狀態(tài)的影響．實(shí)驗(yàn)變形溫度分別為300，350，400，450，500℃，應(yīng)變速率為0．001，0．01，0．1，1 s－1．利用電阻加熱至變形溫度然后保溫．由Gleeble－1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)采集真應(yīng)力、真應(yīng)變等數(shù)據(jù)，利用這些繪制流變應(yīng)力曲線．

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4．1 流變應(yīng)力曲線

圖1為5A30鋁合金在不同溫度及不同應(yīng)變速率的流變應(yīng)力曲線（即真應(yīng)力－真應(yīng)力曲線）．由圖可見(jiàn)，高溫壓縮變形時(shí)，流變應(yīng)力的變化規(guī)律為：在過(guò)渡變形階段，流變應(yīng)力隨應(yīng)變的增加迅速升高后趨于穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力值，出現(xiàn)近穩(wěn)態(tài)流變特征．隨著溫度的升高，流變應(yīng)力顯著下降；隨著應(yīng)變速率的增加，流變應(yīng)力水平升高，表明5A30鋁合金在試驗(yàn)過(guò)程中表現(xiàn)出正應(yīng)變速率敏感性．在過(guò)渡變形階段，材料內(nèi)部組織變化為位錯(cuò)增殖，位錯(cuò)密度增加．變形量增大時(shí)位錯(cuò)發(fā)生交滑移，但由于交滑移引起的軟化不足以補(bǔ)償位錯(cuò)密度增加帶來(lái)的硬化，因此，流變應(yīng)力值逐漸增大．隨著變形量的繼續(xù)增大，流變應(yīng)力曲線趨近于水平，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)變形階段．在穩(wěn)態(tài)變形階段，位錯(cuò)增殖引起的應(yīng)變硬化與位錯(cuò)交滑移、攀移以及位錯(cuò)的脫釘?shù)纫鸬能浕_(dá)到動(dòng)態(tài)平衡．

4．2 材料常數(shù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以線性回歸分析得出的流變應(yīng)力與變形速率、變形溫度之間的關(guān)系曲線如圖2所示．從圖2可看出，穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力和應(yīng)變速率的雙對(duì)數(shù)關(guān)系、流變應(yīng)力的雙曲線正弦對(duì)數(shù)項(xiàng)和溫度的倒數(shù)之間皆較好地滿足線性關(guān)系．由此可認(rèn)為，5A30鋁合金高溫塑性變形時(shí)流變應(yīng)力σ與應(yīng)變速率ε·以及溫度T之間滿足雙曲線正弦形式Arrhenius關(guān)系，說(shuō)明其高溫塑性變形過(guò)程是一種類似高溫蠕變的熱激活過(guò)程．

n值和β值可以通過(guò)式（4）和式（5）分別利用圖2（a）和（b）求lnε·－lnσ和lnε·－σ的斜率，常數(shù)n、β和α滿足α＝β／n，再代入式（6）求出應(yīng)變激活能Q值．計(jì)算過(guò)程中采用最小標(biāo)準(zhǔn)偏差法，由此求得的材料常數(shù)A，n，α和Q更為真實(shí)可靠．材料常數(shù)結(jié)構(gòu)因子A、應(yīng)力水平參數(shù)α、應(yīng)力指數(shù)n值及變形激活能Q分 別 為 3．058×109s－1，0．0184 mm2／N，3．314，160．94 kJ／mol，5A30鋁合金高溫變形時(shí)的流變應(yīng)力、應(yīng)變速率與溫度的關(guān)系可采用Z參數(shù)描述為σ＝54．31 ln｛（Z／3．058×109）1／3．314＋ ［（Z／3．058×109）2／3．314＋1］1／2｝，其中Z＝ε＇exp（160．94／RT）．

圖3繪出了由最小偏差法求得的5A30鋁合金材料常數(shù)計(jì)算的lnZ和ln［sinh（ασ）值的關(guān)系．從圖中可知，兩者在實(shí)驗(yàn)應(yīng)變速率和溫度條件內(nèi)的線性關(guān)系吻合的相當(dāng)好，表明5A30鋁合金在壓縮時(shí)是有熱激活速率機(jī)制控制，由此可以通過(guò)控制包含Z參數(shù)Arrhenius方程中的參數(shù)從而有效預(yù)測(cè)、控制以及優(yōu)化合金的壓縮組織及性能．

圖1 5A30鋁合金壓縮變形時(shí)的流變應(yīng)力曲線

圖2 5A30鋁合金流變應(yīng)力與溫度和應(yīng)變速率關(guān)系

圖3 ln Z和ln［sinh（ασ）］的線性關(guān)系

從Q＝160．94 kJ／mol的數(shù)值來(lái)看，5A30鋁合金高溫塑性變形激活能不僅比多晶純鋁的自擴(kuò)散能142 kJ／mol［7］要大，而且比其他大多數(shù)鋁合金的變形激活能都要稍大一些．主要是因?yàn)樵?A30鋁合金中，Mg為主要的合金化元素，它的加入除產(chǎn)生固溶作用外，還可與基體金屬形成各種彌散第二相，如β（Mg5Al8）［8］，如圖4所示．圖4（a）為5A30鋁合金在450℃，0．01 s－1的熱變形 TEM 形貌，在第二相粒子β相處，由于位錯(cuò)相互銷毀而使位錯(cuò)密度大大減小，導(dǎo)致鋁合金的變形激活能減少，但在圖4（b）所示5A30鋁合金在450℃，0．01 s－1變形時(shí)，顯示了位錯(cuò)纏結(jié)，說(shuō)明第二相會(huì)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用，使位錯(cuò)發(fā)生交滑移和攀移所需的能量提高，使平均激活能有所增加，由此提高激活動(dòng)態(tài)回復(fù)及再結(jié)晶所需的能量［9］．

圖4 5A30鋁合金TEM形貌

5 結(jié) 論

（1）變形溫度和應(yīng)變速率是影響5A30鋁合金的流變應(yīng)力的重要影響因素，同一應(yīng)變速率下變形溫度越高流變應(yīng)力越低，同一變形溫度下應(yīng)變速率越高，流變應(yīng)力越高．5A30鋁合金表現(xiàn)出正應(yīng)變速率敏感性．

（2）5A30鋁合金材料常數(shù)結(jié)構(gòu)因子A、應(yīng)力水平參數(shù)α、應(yīng)力指數(shù)n值及變形激活能Q分別為3．058×109s－1，0．0184 mm2／N，3．314，160．94 kJ／mol，流變應(yīng)力、應(yīng)變速率與溫度的關(guān)系可采用Z參數(shù)描述為σ＝54．31ln｛（Z／3．058×109）1／3．314＋［（Z／3．058×109）2／3．314＋1］1／2｝，其中 Z＝ε·exp（160．94／RT）．

（3）5A30鋁合金高溫塑性變形激活能比多晶純鋁的自擴(kuò)散能以及其他大多數(shù)鋁合金的變形激活能都要大一些，主要是因?yàn)楹辖鹪豈g除產(chǎn)生固溶作用外，還可與基體金屬形成各種彌散第二相，從而提高激活動(dòng)態(tài)回復(fù)及再結(jié)晶所需的能量．

［1］王祝堂，田榮璋．鋁合金及其加工手冊(cè)［M］．湖南：中南工業(yè)大學(xué)出版社，2006．

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［4］MCQUEEN H J．Constitutive analysis in hot working［J］．Materials Science and Engineering，2002，A322：43－63．

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The flow stress and material constants of thermal deformation for 5A30 aluminum alloy

ZHU Zhen－h(huán)ua1，YUAN Ge－cheng1，LI Zhong－h(huán)ua1，WU Qi－guang1，WU Xi－kun2
（1．Faculty of Materials and Energy，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China；2．Guangdong Xingfa Corporation Limited，F(xiàn)oshan 528061，China）

The flow stress characteristics of 5A30 aluminum alloy were investigated by isothermal compression testing method with Gleeble－1500 thermal simulator under the temperature and strain rate range from 300 to 500℃and 0．001 to 1 s－1respectively．The material constants of alloy were derived by regression method and minimized deviation criterion，the linear relationship of the flow stress to Zener－Hollomon parameter was established．The results show that the alloy is sensitive material to strain rate positively，and the flow stress increases with decreasing deformation temperature and increasing of strain rate．The material constants of the alloy，including deformation activation energy Q as 160．94KJ／mol，stress－level coefficientαas 0．0184 mm2／N，stress exponential n as 3．314 and structual factor A as 3．058×109s－1．The model of flow stress can be described asσ＝54．31ln｛（Z／3．058×109）1／3．314＋［（Z／3．058×109）2／3．314＋1］1／2｝．

5A30 aluminum alloy；isothermal compression；strain rate；flow stress

TG111．7；TG301

A

1673－9981（2010）04－0577－05

2010－10－27

廣東省重大科技專項(xiàng)（2008A090300004）

朱振華（1985—），男，碩士研究生