梁奕清，方 剛

1．廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山528061；2．清華大學(xué)機械工程系，北京100084

5083和7020變形鋁合金加工圖的研究＊

梁奕清1，方 剛2

1．廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山528061；2．清華大學(xué)機械工程系，北京100084

在動態(tài)材料模型理論基礎(chǔ)上，對5083和7020兩種典型變形鋁合金的加工圖進行研究分析，結(jié)果表明：5083鋁合金適宜加工區(qū)的溫度為450～500℃、應(yīng)變速率為0．005～0．1s－1；7020鋁合金適宜加工區(qū)的溫度為450～550℃、應(yīng)變速率為0．001～0．1s－1．同時通過選取7020鋁合金在不同加工條件下的壓縮試樣，進一步探討了7020鋁合金在不同加工條件下微觀組織的演化規(guī)律，初步驗證了加工圖的判斷．

變形鋁合金；加工圖；動態(tài)材料模型；塑性失穩(wěn)準(zhǔn)則；功率耗散效率

Prasad和Gegel等人[1]根據(jù)大塑性變形連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、不可逆熱力學(xué)理論和物理系統(tǒng)模擬，建立了動態(tài)材料模型（DMM），該模型推導(dǎo)的加工圖迄今為止已經(jīng)在200多種合金中得到成功地應(yīng)用．目前在國內(nèi)，根據(jù)加工圖研究合金的熱變形行為僅限于高溫合金、鈦合金及鎂合金等少數(shù)幾種合金[2]，在變形鋁合金中的應(yīng)用研究仍處于開拓階段．5083和7020是高性能變形鋁合金材料中的兩個典型牌號，為了研究5083和7020鋁合金的熱成形性能及成形過程中微觀組織的演化規(guī)律，將動態(tài)材料模型理論引入到研究中，以突破高性能變形鋁合金材料的擠壓加工關(guān)鍵技術(shù)，提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品性能．本文在動態(tài)材料模型理論基礎(chǔ)上，對5083和7020兩種典型變形鋁合金加工圖進行了研究分析，并且探討了7020鋁合金在不同加工條件下微觀組織的演化規(guī)律．

1 試驗部分

在Gleeble－1500D型熱力模擬試驗機上進行等溫壓縮試驗，獲得5083和7020鋁合金的流動應(yīng)力曲線，在試驗變形條件范圍內(nèi)分析流動應(yīng)力與熱變形之間的關(guān)系，計算出5083和7020鋁合金熱塑性本構(gòu)關(guān)系中的材料常數(shù)，在此基礎(chǔ)上引入動態(tài)材料模型，對這兩種典型合金的加工圖進行研究．

根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論，動態(tài)材料模型認為變形體作為一個功率耗散體，在塑性變形中將外界輸入的功率消耗在塑性變形引起的粘塑性熱（G）和變形過程中組織演化所耗散的功率（J）兩方面．這一過程由下面公式表示[1－2]：

式（1）中P表示外界輸入功率，σ表示穩(wěn)態(tài)流動應(yīng)力，ε·表示應(yīng)變速率．變形過程中的應(yīng)變速率敏感因子m和功率耗散效率η可由下面公式表示：

η的物理意義是材料成形過程中，顯微組織演化所耗散的能量與線性耗散能量的比值．根據(jù)溫度及應(yīng)變速率可繪制功率耗散圖[3]，功率耗散圖反映了加工過程中功率的耗散與溫度、應(yīng)變速率及變形量之間的關(guān)系，從而可分析變形過程中材料組織的演變．功率耗散效率高并不代表材料的內(nèi)在加工性好，因為材料還存在加工失穩(wěn)區(qū)．在加工失穩(wěn)區(qū)內(nèi)，系統(tǒng)的熵產(chǎn)生率小于施加于變形體的應(yīng)變速率，材料會發(fā)生塑性流動局部化，即產(chǎn)生加工失穩(wěn)．加工失穩(wěn)可根據(jù)下式判據(jù)[2]．

將加工失穩(wěn)區(qū)域與功率耗散圖進行疊加，可得到材料在某一變形量下的完整加工圖．一般加工圖中包括加工失穩(wěn)區(qū)、危險區(qū)和安全區(qū)．安全區(qū)與金屬的動態(tài)回復(fù)、動態(tài)再結(jié)晶及超塑性有關(guān)，而在加工安全區(qū)內(nèi)功率耗散效率又與工件成形后微觀組織的變化有關(guān)，根據(jù)它在一定溫度和應(yīng)變速率下的典型值，可對材料微觀組織變化的機制進行解釋，并且通過微觀金相觀察得以驗證．通過加工圖可分析材料的加工性能，在安全區(qū)內(nèi)功率耗散效率越大，表征金屬的內(nèi)在可加工性越好．

2 結(jié)果與分析

2．1 5083變形鋁合金加工圖的研究分析

首先對5083變形鋁合金高溫壓縮試驗數(shù)據(jù)進行整理，然后通過式（2）求出應(yīng)變速率敏感因子m，通過式（3）求出功率耗散效率η，在溫度和應(yīng)變速率平面內(nèi)繪制出5083鋁合金在真應(yīng)變?yōu)?．6時的功率耗散圖（見圖1中的等值曲線部分），再通過式（4）求得加工失穩(wěn)區(qū)，在溫度和應(yīng)變速率平面空間繪制出5083鋁合金的加工失穩(wěn)圖（見圖1中的灰色區(qū)域），最后把功率耗散圖和加工失穩(wěn)圖相互疊加，從而繪制出5083變形鋁合金在高溫?zé)釅嚎s實驗條件下，真應(yīng)變?yōu)?．6時的加工圖（圖1）．

圖1 真應(yīng)變量為0．6時5083變形鋁合金的加工圖Fig．1 Processing map of 5083 aluminum alloy at strain of 0．6

從圖1可見：5083鋁合金在真應(yīng)變?yōu)?．6時的加工失穩(wěn)區(qū)范圍較大，主要在溫度300～450℃及應(yīng)變速率為0．01～1 s－1的區(qū)域，在這個區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)的熵產(chǎn)生率小于應(yīng)變速率，導(dǎo)致材料塑性流動的局部化，從而產(chǎn)生加工失穩(wěn)，表明這個區(qū)域是不適合加工區(qū)域，在實際的加工過程中應(yīng)予以避免；在溫度約為500℃及應(yīng)變速率為1～5 s－1的區(qū)域內(nèi)，由于功率耗散效率隨著應(yīng)變速率的增加而急劇下降，材料的內(nèi)在加工性急劇降低，表明該區(qū)域是加工危險區(qū)，在實際的加工過程中也應(yīng)該加以避免；在溫度區(qū)間為450℃以上及應(yīng)變速率為0．005～0．1 s－1的區(qū)間內(nèi)，功率耗散效率較高，達到40%以上，根據(jù)金屬動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶理論，5083鋁合金的熔點大約為630℃，其動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶的溫度應(yīng)該為0．7～0．8Tm，即440～500℃，而鋁合金是具有較高層錯能的合金，其理論的動態(tài)再結(jié)晶應(yīng)變速率大致在0．001～0．1 s－1區(qū)間，其理論的功率耗散效率最高可達50%左右，由此可知，這個區(qū)域是5083鋁合金在應(yīng)變?yōu)?．6時的適宜加工區(qū)，即安全區(qū)．

2．2 7020變形鋁合金加工圖研究分析

通過運用與5083合金同樣的技術(shù)步驟，可繪制出真應(yīng)變量為0．693時7020變形鋁合金的加工圖（圖2）．

圖2 真應(yīng)變量為0．693時7020變形鋁合金的加工圖Fig．2 Processing map of 7020 aluminum alloy at strain of 0．693

從圖2可以看出，在溫度為450～550℃及應(yīng)變速率為0．001～0．1s－1的加工區(qū)域內(nèi)，功率耗散效率較高為27%～36%，并且在溫度500℃、應(yīng)變速率0．001 s－1時取得最大值為36%．7020鋁合金的熔點約為604～645℃，根據(jù)動態(tài)再結(jié)晶理論，發(fā)生動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶的溫度為0．7～0．8 Tm，即450～550℃，而對于高層錯能的鋁合金，發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的應(yīng)變速率范圍為0．001～0．1 s－1．由此可以得出，在溫度為450～550℃及應(yīng)變速率為0．001～0．1 s－1的區(qū)域，該區(qū)域為動態(tài)再結(jié)晶區(qū)域，適宜進行加工，而7020鋁合金的最優(yōu)加工條件為溫度500℃、應(yīng)變速率為0．001 s－1．

為了驗證加工圖的判斷，選取不同加工條件下的壓縮試樣，觀察其微觀組織（圖3）．從圖3（a）和圖3（b）可以看出，在變形失穩(wěn)區(qū)晶粒不均勻，粗大現(xiàn)象嚴重，對應(yīng)晶粒尺寸分別為257．670μm和290．803 μm．比較而言，在溫度450℃、應(yīng)變速率0．001 s－1，溫度500℃、應(yīng)變速率0．001 s－1及溫度500℃、應(yīng)變速率1 s－1加工條件下（圖3（c）至圖3（e）），變形后試樣的晶粒較細且生長均勻，晶粒尺寸分別為211．910μm，224．288μm和205．101μm．圖3（f）為初始晶粒組織，晶粒尺寸為174．919μm．這是由于試樣經(jīng)壓縮后進行空冷，而高溫條件下，在變形結(jié)束后易出現(xiàn)晶粒長大的現(xiàn)象，因此無法看出再結(jié)晶晶粒細化現(xiàn)象．

圖3 不同變形條件下7020鋁合金的微觀組織（a）300℃，0．1 s－1；（b）350℃，10 s－1；（c）450℃，0．001 s－1；（d）500℃，0．001 s－1；（e）500℃，1 s－1；（f）變形前Fig．3 The microstructure of 7020 aluminum alloy under different deformation conditions（a）300℃，0．1 s－1；（b）350℃，10 s－1；（c）450℃，0．001 s－1；（d）500℃，0．001 s－1；（e）500℃，1 s－1；（f）the microstructure before deformation

3 結(jié) 語

（1）5083和7020變形鋁合金的加工圖均由加工失穩(wěn)區(qū)、危險區(qū)和適宜加工區(qū)（安全區(qū)）三部分組成．5083鋁合金適宜加工區(qū)的溫度為450～500℃、應(yīng)變速率為0．005～0．1 s－1；7020鋁合金適宜加工區(qū)的溫度為450～550℃、應(yīng)變速率為0．001～0．1 s－1．為制定變形鋁合金加工工藝提供了非常重要的理論依據(jù)，值得深入研究探討并進行工業(yè)推廣應(yīng)用．

（2）通過選取不同加工條件下的7020鋁合金壓縮試樣，觀察其微觀組織，初步驗證了加工圖的判斷，為深入開展變形鋁合金加工圖研究分析指明了方向．

[1]PRASAD Y V R K，GEGEL H L，DORAIVELU S M，et al．Modeling of dynamic materialbehavior in hot deformation forging of Ti－6242[J]．Metallurgical Transactions，1984，15（10）：1883－1892．

[2]李慶波，周海濤，蔣永峰，等．加工圖的理論研究現(xiàn)狀與展望[J]．有色冶金設(shè)計與研究，2009，30（4）：1－6．

[3]RAJ R．Development of a processing map for use in worm forming and hot forming processes[J]．Metallurgical and Materials Transactions A，1981，12 （6）：1089－1097．

Research on processing maps of 5083 and 7020 wrought aluminum alloy

LIANG Yiqing1，F(xiàn)ANG Gang2
1．Guangdong Xingfa Aluminium Co．，Ltd．，F(xiàn)oshan 528061，China；2．Tsinghua University，Department of Mechanical Engineering，Beijing 100084，China

Based on the dynamic material theory，the processing maps of representative wrought aluminum alloys including 5083 aluminum alloy and 7020 aluminum alloy are researched．The results show that the optimum processing temperature for 5083 aluminum alloy is 450－500℃ with strain rate 0．005－0．1 s－1，while the optimum processing temperature for 7020 aluminum alloy is 450－550℃ with strain rate 0．001－0．1 s－1．Samples of 7020 aluminum alloy in different compressing conditions are selected for analyzing its microstructure evolution，thus preliminarily testifying the judgment of processing map．

wrought aluminum；processing maps；dynamic material model（DMM）；plastic instability criterion；efficiency of power dissipation．

TG376

A

1673－9981（2011）03－0218－04

2010－10－16

2006年廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項目（2006D90404013）；2010年廣東省省部產(chǎn)學(xué)研合作重大科技專項（2010A090200078）

梁奕清（1978－），男，廣東茂名人，工程師，學(xué)士．