李紅英，劉 洋，胡繼東，曾翠婷，魏冬冬

(中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083)

ZA27合金的熱變形及加工圖

李紅英，劉 洋，胡繼東，曾翠婷，魏冬冬

(中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083)

采用Gleeble?1500熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)，研究ZA27合金的熱變形行為，在變形溫度為200~350 ℃、應(yīng)變速率為0.01~5 s?1、工程應(yīng)變?yōu)?0%，基于Murty準(zhǔn)則，建立ZA27合金的加工圖。結(jié)果表明：流變應(yīng)力隨變形溫度的升高而減小，隨應(yīng)變速率的提高而增大；在變形溫度為200~210 ℃、應(yīng)變速率為0.01~0.1 s?1和變形溫度為250~350 ℃、應(yīng)變速率為1~5 s?1的2個(gè)區(qū)域內(nèi)易產(chǎn)生流變失穩(wěn)現(xiàn)象；動態(tài)再結(jié)晶是導(dǎo)致流變軟化及穩(wěn)態(tài)流變的主要原因，ZA27合金的安全熱加工區(qū)域的變形溫度在250~350 ℃之間、應(yīng)變速率在0.1~1 s?1之間。

ZA27合金；熱變形；加工圖；動態(tài)再結(jié)晶

隨著有色金屬工業(yè)的快速發(fā)展，我國原材料資源短缺的矛盾日益嚴(yán)重，尤其是銅和鋁等大宗支柱性原料短缺，嚴(yán)重制約了我國有色金屬工業(yè)及關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從而影響我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)健康發(fā)展。鑒于銅資源緊張，且價(jià)格較高，高鋁鋅基合金的開發(fā)應(yīng)用日益受到關(guān)注[1]，但相比鋁合金和銅合金，我國對高鋁鋅基合金的應(yīng)用基礎(chǔ)研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，缺乏對合金的凝固機(jī)理、合金化機(jī)理、相變機(jī)理和強(qiáng)化機(jī)制的深入認(rèn)識。目前，開發(fā)的高鋁鋅基合金普遍存在性能穩(wěn)定性差、耐蝕性差、抗蠕變能力差、高溫強(qiáng)度低、鑄態(tài)下塑性和韌性低及熱膨脹系數(shù)大等缺點(diǎn)，嚴(yán)重阻礙了高鋁鋅基合金的應(yīng)用與發(fā)展[2]。國內(nèi)外的研究工作者對鋁合金、鎂合金、鈦合金和合金鋼等的高溫變形特性進(jìn)行了大量研究[3?9]，并建立了相應(yīng)的熱變形流變應(yīng)力模型，而關(guān)于高鋁鋅基合金熱變形行為研究的報(bào)道甚少[10?11]。加工圖是用于研究金屬高溫塑性變形行為的有效手段，采用加工圖與金相組織相結(jié)合的方法能夠很好地描述金屬在高溫變形時(shí)的組織演變與塑性變形參數(shù)之間的關(guān)系，分析材料的塑性變形機(jī)理，從而達(dá)到優(yōu)化熱加工工藝以及控制材料組織的目的。為此，基于在Gleeble?1500熱力模擬機(jī)進(jìn)行的圓柱體熱壓縮實(shí)驗(yàn)，本文作者研究了ZA27合金的熱變形特性及組織演變規(guī)律，建立實(shí)驗(yàn)合金熱變形的加工圖，為制定熱加工工藝提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

表1所列為實(shí)驗(yàn)用ZA27合金的化學(xué)成分，在熱壓縮前對合金鑄錠進(jìn)行均勻化處理，處理制度為 360℃、12 h，隨爐冷卻。

表1 ZA27合金的化學(xué)成分Table 1 Composition of ZA27 alloy (mass fraction, %)

將均勻化退火后的鑄錠制成Rastegaev壓縮試樣，尺寸為d 10 mm×15 mm，兩端帶有d 9 mm×0.2 mm的凹槽，壓縮時(shí)在凹槽內(nèi)填充潤滑劑(80%石墨+20%機(jī)油)，以減小與壓頭間的摩擦，從而減小試樣的不均勻變形，避免試樣產(chǎn)生嚴(yán)重鼓形。在Gleeble?1500熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單道次熱壓縮實(shí)驗(yàn)，根據(jù)合金成分及其相圖[12]制定熱壓縮試驗(yàn)制度，變形溫度分別為200、250、300和350 ℃，應(yīng)變速率分別為0.01、0.1、1和5 s?1，工程應(yīng)變均為60%。在1 min內(nèi)加熱至變形溫度，保溫 3 min，壓縮變形后，立即水淬，以保留高溫變形組織。沿與壓縮軸平行的縱截面截取金相試樣，利用POLYVER-MET金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織。

2 結(jié)果與討論

2.1 真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線

圖1 不同條件下ZA27合金熱壓縮變形的真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線Fig. 1 True stress—true strain curves of ZA27 alloy during hot compression deformation under different conditions: (a) 0.01 s?1;(b) 0.1 s?1; (c) 1 s?1; (d) 5 s?1

圖1 所示為實(shí)驗(yàn)合金熱壓縮變形的真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線。由圖1可以看出，在同一應(yīng)變速率下，真應(yīng)力隨變形溫度的升高而降低，在同一變形溫度下，真應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增加而增大。合金在熱變形時(shí)存在硬化和軟化兩個(gè)過程，位錯(cuò)增殖引起加工硬化，螺位錯(cuò)交滑移和刃位錯(cuò)攀移使異號位錯(cuò)相互抵消，導(dǎo)致材料軟化。在變形初期，位錯(cuò)相消引起的軟化不足以補(bǔ)償位錯(cuò)增殖引起的硬化，因此真應(yīng)力值逐漸增大。隨著應(yīng)變量的增大，材料內(nèi)部的空位濃度逐漸提高，達(dá)到一定變形程度后，刃位錯(cuò)開始攀移，使材料的軟化程度提高，隨著變形的繼續(xù)進(jìn)行，真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線達(dá)到峰值后，當(dāng)材料軟化程度超過硬化，真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線持續(xù)降低。

2.2 加工圖

2.2.1 理論基礎(chǔ)

根據(jù)動態(tài)材料模型理論，材料在熱加工過程中單位體積內(nèi)吸收的能量P可以分為耗散量G和協(xié)耗散量J兩個(gè)部分，如式(1)所示[13]。

式中：δ為流變應(yīng)力；ε˙為應(yīng)變速率；耗散量G為材料塑性變形引起的功率消耗，其中大部分轉(zhuǎn)化成粘塑性熱，其余以晶體缺陷能的形式存儲；協(xié)耗散量J為材料變形過程中組織演化所消耗的能量。

MURTY等[14]認(rèn)為，當(dāng)材料處于理想線性耗散狀態(tài)時(shí)，協(xié)耗散量J達(dá)到最大值Jmax，可以用式(2)表示，功率耗散效率η可以用式(3)表示，其物理意義為材料成形過程中顯微組織演變所耗散的能量與線性耗散能量的關(guān)系，在二維平面上由等功率耗散效率η輪廓曲線構(gòu)成功率耗散圖。

式(3)中 G的積分需要將最小應(yīng)變速率設(shè)定為ε˙= 0 ，但實(shí)驗(yàn)過程中最小應(yīng)變速率值不為0，為了解決這一問題，可將積分公式寫成兩個(gè)部分，如式(4)所示，而功率耗散效率η可以用式(5)表示。

MURTY等[14]根據(jù)大塑性變形極大值原理，提出了一種對任意流變應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系都適用的失穩(wěn)評判準(zhǔn)則，如式(6)所示，相比較而言具有更嚴(yán)密的理論基礎(chǔ)。

根據(jù)式(5)和(6)，編寫 Matlab程序，分別作出材料的耗散圖和失穩(wěn)圖，將二者疊加即可得到熱加工圖。對于金屬材料而言，加工圖包含安全區(qū)、流變失穩(wěn)區(qū)及危險(xiǎn)區(qū)，在材料安全加工區(qū)域內(nèi)，η值越大，能量耗散狀態(tài)越低，材料的加工性能越好。

2.2.2 加工失穩(wěn)區(qū)

圖2所示為是應(yīng)變量分別為0.4、0.5、0.6和0.7時(shí)的熱加工圖，圖中等高線上的數(shù)值代表功率耗散效率η，陰影部分代表熱加工失穩(wěn)區(qū)。由圖2可以看出，應(yīng)變量為0.4、0.5、0.6和0.7的加工圖具有兩個(gè)類似的失穩(wěn)區(qū)，當(dāng)應(yīng)變量為0.4時(shí)，第1個(gè)失穩(wěn)區(qū)的變形溫度為200~210 ℃、應(yīng)變速率為 0.02~0.15 s?1，第2個(gè)失穩(wěn)區(qū)的變形溫度為265~330 ℃、應(yīng)變速率為2.5~5 s?1。隨著應(yīng)變量的增大，第1個(gè)失穩(wěn)區(qū)的面積逐漸減小，第2個(gè)失穩(wěn)區(qū)面積逐漸增加，當(dāng)應(yīng)變量為0.5時(shí)，第1個(gè)失穩(wěn)區(qū)的變形溫度為200~205 ℃、應(yīng)變速率為0.02~0.1 s?1，第2個(gè)失穩(wěn)區(qū)的變形溫度為250~350 ℃、應(yīng)變速率為1.8~5 s?1。當(dāng)應(yīng)變量大于0.5時(shí)，隨著應(yīng)變量的繼續(xù)增加，失穩(wěn)區(qū)變化不大。

當(dāng)變形條件處于第1個(gè)失穩(wěn)區(qū)時(shí)，實(shí)驗(yàn)合金的變形同時(shí)存在硬化和軟化兩種效應(yīng)，在變形初期，加工硬化起主要作用，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力后，隨著變形的繼續(xù)進(jìn)行，應(yīng)力迅速下降，此時(shí)由絕熱溫升引起的軟化效應(yīng)大于加工硬化效應(yīng)，變形向一個(gè)局部區(qū)域集中，從而發(fā)生熱塑失穩(wěn)，產(chǎn)生絕熱剪切帶等不均勻變形[15]，此外，在低溫區(qū)域變形時(shí)，還會產(chǎn)生由機(jī)械孿生引起的局部流變失穩(wěn)，導(dǎo)致剪切開裂[16]。圖3所示為變形溫度為200 ℃、應(yīng)變速率為0.01 s?1、變形程度為60%對應(yīng)的金相組織。由圖3可以看出，組織中存在明顯的絕熱剪切帶，其形成方向與壓縮方向近似呈45°。當(dāng)變形條件處于第2個(gè)失穩(wěn)區(qū)時(shí)，由于應(yīng)變速率較高，塑性變形產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)向周圍傳遞，產(chǎn)生絕熱剪切變形，同樣也可能產(chǎn)生流變失穩(wěn)。

2.2.3 加工危險(xiǎn)區(qū)

由圖2可以看出，當(dāng)變形溫度高于250 ℃、應(yīng)變速率小于0.1 s?1時(shí)，隨變形溫度的升高和應(yīng)變速率的降低，實(shí)驗(yàn)合金的功率耗散效率急劇下降，且隨著應(yīng)變量的增加，功率耗散效率下降的速率增大；當(dāng)應(yīng)變量為0.5時(shí)，功率耗散效率由22.2%下降到16%，降幅約為 28%；當(dāng)應(yīng)變量為 0.7時(shí)，功率耗散效率由24.2%降到4.6%，降幅達(dá)到81%。功率耗散效率急劇下降，對應(yīng)熱加工性能的急劇惡化，表明該區(qū)域是合金的加工危險(xiǎn)區(qū)，不適合進(jìn)行熱變形[17]。圖4所示為加工危險(xiǎn)區(qū)對應(yīng)的金相組織，可以看出，實(shí)驗(yàn)合金晶粒明顯粗化。變形溫度越高、應(yīng)變速率越低，晶粒粗化越嚴(yán)重，合金的變形協(xié)調(diào)性越差，在大應(yīng)變情況下可能產(chǎn)生加工裂紋，因此，在實(shí)際選擇熱加工參數(shù)時(shí)應(yīng)予避免。

圖2 不同真應(yīng)變時(shí)ZA27合金的加工圖Fig. 2 Processing maps for ZA27 alloy at various true strains (Number on contours representing efficiency of power dissipation in percent): (a) 0.4; (b) 0.5; (c) 0.6; (d) 0.7

圖3 200 ℃、0.01 s?1時(shí)ZA27合金變形后的顯微組織Fig. 3 Microstructure of ZA27 alloy compressed at 200 ℃and 0.01 s?1

2.2.4 加工安全區(qū)

以往研究表明[3]，功率耗散效率越高，越容易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，動態(tài)再結(jié)晶可導(dǎo)致流變軟化并形成穩(wěn)態(tài)流變，有利于材料的熱變形。圖5所示為2種不同變形條件下的動態(tài)再結(jié)晶組織，其中圖5(a)為250 ℃、0.01 s?1的變形條件，圖 5(b)為 300 ℃、1 s?1的變形條件。由圖 5(a)可以看出，存在明顯趨于等軸的細(xì)小晶粒，晶界彎曲不規(guī)則，隨著變形溫度的升高。由圖5(b)可以看出，當(dāng)變形溫度為300 ℃時(shí)，動態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行得更充分，再結(jié)晶組織更明顯。由圖2可以看出，當(dāng)變形溫度為250~350 ℃、應(yīng)變速率為0.1~1 s?1時(shí)，功率耗散效率均大于25%，最大值達(dá)到了28.1%，說明在此變形條件下較易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，因此，250~350 ℃的變形溫度和0.1~1 s?1的應(yīng)變速率為實(shí)驗(yàn)合金的最佳熱加工參數(shù)區(qū)。

圖4 不同變形條件時(shí)ZA27合金晶粒粗化區(qū)的金相組織Fig. 4 Metallographs of ZA27 alloy showing grain coarsening under different deformation conditions: (a) 300 ℃, 0.01 s?1;(b) 350 ℃, 0.01 s?1

圖5 不同變形條件下ZA27合金的動態(tài)再結(jié)晶組織Fig. 5 Dynamic recrystallization microstructures of ZA27 alloy under different deformation conditions: (a) 250 ℃, 0.1 s?1;(b) 300 ℃, 1 s?1

3 結(jié)論

1) 在變形初期，隨著應(yīng)變量的增加，ZA27合金的流變應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)流變應(yīng)力達(dá)到峰值后，真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線持續(xù)降低，在實(shí)驗(yàn)條件下，ZA27合金的流變應(yīng)力隨變形溫度的升高而降低，隨應(yīng)變速率的增加而增大。

2) 對實(shí)驗(yàn)合金進(jìn)行熱加工時(shí)，存在2個(gè)會產(chǎn)生流變失穩(wěn)現(xiàn)象的失穩(wěn)區(qū)，相應(yīng)形成絕熱剪切帶。當(dāng)應(yīng)變量小于0.5時(shí)，隨著應(yīng)變量的增大，第1個(gè)失穩(wěn)區(qū)的面積逐漸減小，第2個(gè)失穩(wěn)區(qū)面積逐漸增加；當(dāng)應(yīng)變量大于0.5時(shí)，隨著應(yīng)變量的繼續(xù)增加，失穩(wěn)區(qū)變化不大。

3) 當(dāng)變形溫度高于250 ℃、應(yīng)變速率小于0.1 s?1時(shí)，實(shí)驗(yàn)合金的功率耗散效率急劇降低，晶粒粗化嚴(yán)重。結(jié)合熱加工圖分析及微觀組織觀察結(jié)果，250~350 ℃的變形溫度和0.1~1 s?1的應(yīng)變速率為ZA27合金的最佳熱加工參數(shù)區(qū)。

REFERENCES

[1] 陸 偉, 嚴(yán) 彪. 鑄造鋅鋁合金的研究進(jìn)展及其應(yīng)用[J]. 上海有色金屬, 2004, 25(1): 13?17.LU Wei, YAN Biao. Development and application of cast Zn-Al alloy[J]. Shanghai Nonferrous Metals, 2004, 25(1): 13?17.

[2] ABOU EL-KHAIR M T, DAOUD A, ISMAIL A. Effect of different Al contents on the microstructure, tensile and wear properties of Zn-based alloy[J]. Materials Letters, 2004, 58(11):1754?1760.

[3] 孔凡濤, 張樹志, 陳玉勇. Ti-46Al-2Cr-4Nb-Y合金的高溫變形及加工圖[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2010, 20(S1): 234?236.KONG Fan-tao, ZHANG Shu-zhi, CHEN Yu-yong. Hot deformation and processing map of Ti-46Al-2Cr-4Nb-Y alloy[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010, 20(S1):234?236.

[4] BARDI F, CABIBBO M. Evolution of microstructure and microtexture during the hot deformation of Mg-3%Al[J]. Acta Materialia, 2010, 58(12): 4253?4266.

[5] 汪凌云, 范永革, 黃光杰, 黃光勝. 鎂合金 AZ31B的高溫塑性變形及加工圖[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2004, 14(7):1068?1072.WANG Ling-yun, FAN Yong-ge, HUANG Guang-jie, HUANG Guang-sheng. Plastic deformation at elevated temperature and processing maps of magnesium alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2004, 14(7): 1068?1072.

[6] 韓冬峰, 鄭子樵, 蔣 吶, 李勁風(fēng). 高強(qiáng)可焊 2195鋁鋰合金熱壓縮變形的流變應(yīng)力[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2004, 14(12):2090?2095.HAN Dong-feng, ZHENG Zi-qiao, JIANG Na, LI Jing-feng.Flow stress of high-strength weldable 2195 aluminium-lithium alloy during hot compression deformation[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2004, 14(12): 2090?2095.

[7] BARDI F, CABIBBO M. An analysis of hot deformation of an Al-Cu-Mg alloy produced by powder metallurgy[J]. Material Science and Engineering A, 2003, 339(1/2): 43?52.

[8] YANAGIDA A,YANAGIMOTO J. A novel approach to determine the kinetics for dynamic recrystallization by using the flow curve[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2004,151(1/3): 33?38.

[9] 黃光勝, 江凌云, 陳 華, 黃光杰, 張所全. 2618鋁合金的熱變形和加工圖[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2005, 15(5): 763?767.HUANG Guang-sheng, WANG Ling-yun, CHEN hua, HUANG Guang-jie, ZHANG Suo-quan. Hot deformation and processing maps of 2618 aluminum alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2005, 15(5): 763?767.

[10] 徐必鴻, 陳全德, 王洪敏, 王文芳, 張永強(qiáng). 鋅基合金塑性成形的研究[J]. 熱加工工藝, 1996(2): 26?28.XU Bi-hong, CHEN Quan-de, WANG Hong-min, WANG Wen-fang, ZHANG Yong-qiang. Research on the plasticity form of zinc-based alloys[J]. Hot Working Technology, 1996(2):26?28.

[11] 林高用, 鄭小燕, 周 佳, 張振峰, 肖 弦. 一種鋅基合金熱變形行為的試驗(yàn)?zāi)M[J]. 機(jī)械工程材料, 2007, 31(7): 60?62.LIN Gao-yong, ZHENG Xiao-yan, ZHOU Jia, ZHANG Zhen-feng, XIAO Xian. Thermal-compression behavior of a zinc based alloy[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2007,31(7): 60?62.

[12] ZHU Y H, MAN H C, LEE W B. Exothermic reaction in eutectic Zn-Al based alloys[J]. Material Science and Engineering A, 1999,268(1): 147?153.

[13] PRASAD Y V R K, SESHACHARYULU T. Modeling of hot deformation for microstructural control[J]. International Materials Reviews, 1998, 43(6): 243?258.

[14] MURTY S V S N, RAO B N, KASHYAP B P. Instability criteria for hot deformation of materials[J]. International Materials Reviews, 2000, 45(1): 15?26.

[15] 李金泉, 黃德武, 段占強(qiáng), 李守新. 穿甲侵徹過程中靶板內(nèi)絕熱剪切帶特性及形成原因分析[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2005, 26(1):60?63.LI Jin-quan, HUANG De-wu, DUAN Zhan-qiang, LI Shou-xin.Analysis on adabiatic shear band characteristic and cause of formation in process of penetration in armor[J]. Acta Armamentar, 2005, 26(1): 60-63.

[16] 唐偉能, 陳榮石, 韓恩厚. Mg-Y-Nd-Zr合金的高溫變形行為與熱加工性能[J]. 金屬學(xué)報(bào), 2006, 42(10): 1096?1100.TANG Wei-neng, CHEN Rong-shi, HAN En-hou. Hot deformation behavior and hot workability of Mg-Y-Nd-Zr alloy[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2006, 42(10): 1096?1100.

[17] 鞠 泉, 李殿國, 劉國權(quán). 15Cr-25Ni-Fe基合金高溫塑性變形行為的加工圖[J]. 金屬學(xué)報(bào), 2006, 42(2): 218?224.JU Quan, LI Dian-guo, LIU Guo-quan. The processing map of hot plastic deformation of a 15Cr-25Ni-Fe base superalloy[J].Acta Metallurgica Sinica, 2006, 42(2): 218?224.

Hot deformation and processing map of ZA27 alloy

LI Hong-ying, LIU Yang, HU Ji-dong, ZENG Cui-ting, WEI Dong-dong
(School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

The hot deformation behavior of ZA27 alloy were investigated by compressive tests on Gleeble?1500 thermal-mechanical simulating tester in the temperatures range of 200?350 ℃, strain rate range of 0.01?5 s?1and engineering strain of 60%. Based on Murty criterion, the processing map for the ZA27 alloy was obtained. The results show that the flow stress decreases with the increase of temperature, while increases with the increase of strain rate. The flow instability regimes appear at two different regimes: at the temperature of 200?210 ℃and the strain of 0.01?0.1 s?1,as well as at the temperature of 250?350 ℃ and the strain rate of 1?5 s?1. The dynamic recrystallization is the main reason for flow softening and stable flow. The hot deformation of ZA27 alloy can be carried out safely in the region with a strain rate of 0.1?1 s?1and temperature range of 250?350 ℃.

ZA27 alloy; hot deformation; processing map; dynamic recrystallization

TG301

A

1004-0609(2012)02-0365-06

湖南有色研究基金資助項(xiàng)目(Z2011-01-002)

2011-05-15；

2011-09-11

李紅英，教授，博士；電話：0731-88836328；E-mail: lhying@mail.csu.edu.cn

(編輯 龍懷中)