陳 強(qiáng)，劉華平，陳拂曉，楊永順，郭俊卿

（1.河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023；2.洛陽(yáng)中重發(fā)電設(shè)備有限責(zé)任公司，河南 洛陽(yáng) 471003）

4032鋁合金是一種典型的共晶鋁硅合金，具有中等力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度350MPa），低的熱膨脹系數(shù)，出色的耐磨和耐腐蝕性能，適合于制造空調(diào)壓縮機(jī)活塞、發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子等零部件[1]?；趧?dòng)態(tài)材料模型的熱加工圖能夠準(zhǔn)確反映材料在不同變形條件下的組織結(jié)構(gòu)變化，確定軟化機(jī)理，研究出失穩(wěn)區(qū)域，優(yōu)化熱加工工藝參數(shù)。本文采用Gleeble-1500熱物理模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)4032鋁合金進(jìn)行等溫壓縮實(shí)驗(yàn)，得到壓縮式樣的真應(yīng)力-真應(yīng)變關(guān)系曲線。依據(jù)動(dòng)態(tài)材料模型構(gòu)建4032鋁合金的熱加工圖，為4032鋁合金的熱擠壓等熱塑性加工工藝參數(shù)的優(yōu)化以及控制組織變化提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)材料為工廠生產(chǎn)的4032鋁合金擠壓棒材，H112狀態(tài)，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：Si11.0-13.5、Cu0.5-1.3、Mg0.80-1.3、Zn0.2、Fe1.0、Cr0.9，其他為Al。試樣加工成直徑?10mm、高為15mm的圓柱。為了減少摩擦因素的影響，在試樣兩端加工?13mm、深為0.2mm的淺槽，淺槽里放置碳粉。壓縮試驗(yàn)在Gleeble-1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，變形溫度T分別為：370℃、400℃、430℃、460℃和 490℃，變形速率ε 分別為 0.02s-1、0.1s-1、1s-1和 5s-1，變形程度為60%。Gleeble-1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)采集壓頭行程及載荷，并根據(jù)相應(yīng)的公式計(jì)算出應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)，應(yīng)用origin軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并繪制真應(yīng)力—真應(yīng)變關(guān)系圖。采用線切割將試樣沿著縱界面切開(kāi)，在拋光機(jī)上用金剛石拋光液拋光，直至沒(méi)有明顯的劃痕，再用三酸溶液（HF、HCl、HNO3的含量分別是1.5%、2.5%、4%）腐蝕 10min，使用 OLYMPUS PMG光學(xué)顯微鏡觀察試樣微觀組織。

2 動(dòng)態(tài)材料模型

動(dòng)態(tài)材料模型是基于大應(yīng)變塑性變形的連續(xù)力學(xué)、物理系統(tǒng)模擬和不可逆熱動(dòng)力學(xué)等方面的基本原理而建立起來(lái)的[2]。在該模型中，熱加工材料被認(rèn)為是密閉的熱力學(xué)系統(tǒng)，外界對(duì)材料所輸入的功率P分為兩部分，一部分用于熱塑性變形，用G表示，這其中以很大比例的能量轉(zhuǎn)化為熱能，其余以晶體缺陷的形式儲(chǔ)存于材料；另外一部分被材料的微觀組織變化所耗散，用J表示。P、G和J有如下關(guān)系：

式中ε為應(yīng)變速率；σ為應(yīng)力。G和J具有一定比例關(guān)系，兩者之間的分配關(guān)系由應(yīng)變速率敏感因子m決定，可有以下關(guān)系式表達(dá)：

由（1）和（2）可得：

當(dāng)m=0時(shí)，材料沒(méi)有因微觀組織變化而耗散能量；當(dāng)0

一般情況下，材料不是處于理想的線性能量耗散狀態(tài)，對(duì)于材料處在非線性耗散狀態(tài)的，可用無(wú)量綱的功率耗散效率因子η描述[4]：

η是描述材料微觀組織變化在非線性耗散狀態(tài)所耗散的能量與理想的線性耗散狀態(tài)下所耗散的能量的比值，受變形溫度、應(yīng)變速率和變形量的影響。由T、ε˙和η建立功率耗散圖。在功率耗散圖中，并不總是η值越大越好，在材料功率耗散效率較大時(shí)，材料可能出現(xiàn)流變失穩(wěn)，導(dǎo)致材料加工失敗，為此，首先要確定材料的加工失穩(wěn)區(qū)域。

Prasad等根據(jù)最大熵產(chǎn)生率原理，將材料熱變形中的不可逆熱動(dòng)力學(xué)原理應(yīng)用于大塑性變形中，提出了材料穩(wěn)定塑性流變的條件是[5]：

當(dāng) ζ（ε˙）<0，材料熱塑性流變會(huì)失穩(wěn)。ζ（ε˙）被稱為失穩(wěn)判據(jù)，是無(wú)量綱，受T、ε˙和應(yīng)變量的影響。應(yīng)用origin軟件繪制有關(guān)失穩(wěn)判據(jù)、溫度和應(yīng)變速率之間的關(guān)系圖，此圖被稱為流變失穩(wěn)圖，圖中的負(fù)值區(qū)域?yàn)槭Х€(wěn)區(qū)域。將能量耗散圖和流變失穩(wěn)圖疊加在一起就構(gòu)成加工圖。綜合利用加工圖和金相圖可以判定材料在熱加工過(guò)程中可能出現(xiàn)的缺陷以及組織變化機(jī)理，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

3 4032鋁合金應(yīng)變量為0.5時(shí)的熱加工圖

表1 4032鋁合金應(yīng)變量為0.5的真應(yīng)力值

對(duì)表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用三次樣條插值函數(shù)擬合得：

對(duì)上式兩邊求偏導(dǎo)得：

（6）和（7）中，a、b、c和 d 都是常數(shù)，可由線性回歸可得，由此可根據(jù)公式（7）、（4）和（5）分別計(jì)算出應(yīng)變速率敏感因子m，功率耗散效率因子η和失穩(wěn)判據(jù) ζ（ε˙），其數(shù)據(jù)如表 2 所示。

表2 4032鋁合金應(yīng)變量為0.5的 m、η 和 ζ（ε˙）值

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，應(yīng)用origin軟件分別繪制功率耗散圖（圖1）和流變失穩(wěn)圖（圖2），并將二者疊加就建立了熱加工圖，如圖3所示。

圖3中等值線表示能量耗散效率值，陰影部分表示加工失穩(wěn)區(qū)。

4 分析與討論

金屬和合金在流變失穩(wěn)區(qū)域所對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)下進(jìn)行熱塑性變形，會(huì)出現(xiàn)空洞，裂紋等缺陷，對(duì)材料的微觀組織不利，影響材料的性能，熱塑性變形應(yīng)避開(kāi)這些區(qū)域[6]。從圖3可以看出，4032鋁合金在變形量為0.5時(shí)，有三個(gè)流變失穩(wěn)區(qū)域，即三個(gè)陰影區(qū)域分別是：變形溫度420℃～435℃，應(yīng)變速率0.03s-1～0.08s-1；變形溫度 370℃～390℃，應(yīng)變速率 0.5s-1～1s-1；變形溫度 440℃～490℃，應(yīng)變速率 0.36s-1～1s-1。圖中其余部分為加工安全區(qū)，但是不同的安全區(qū)域其功率耗散效率因子值的大小是不同的，從熱加工圖中可看到4032鋁合金最理想的熱加工區(qū)域?yàn)椋鹤冃螠囟?460℃～490℃，應(yīng)變速率為0.03s-1～0.36s-1；因?yàn)槠浼炔辉谑Х€(wěn)區(qū)域，而且功率耗散效率因子η較大，最大為0.3640。

金屬和合金在熱塑性加工過(guò)程中伴隨著加工硬化和軟化的過(guò)程。加工硬化是：隨著變形的進(jìn)行，位錯(cuò)密度迅速增加，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)相互交割加劇，形成大量的位錯(cuò)塞積群、割階、位錯(cuò)網(wǎng)等大量的障礙，增大了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)阻力[7]。軟化的機(jī)制主要有兩種，一種是動(dòng)態(tài)回復(fù)，另一種是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。4032鋁合金是高層錯(cuò)能合金，由于它的曾錯(cuò)能較高，變形時(shí)擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度窄、集束容易，位錯(cuò)的攀移和交滑移容易進(jìn)行，位錯(cuò)容易在滑移面間轉(zhuǎn)移，使異號(hào)位錯(cuò)抵消，位錯(cuò)密度下降，使位錯(cuò)畸變能降低不足以達(dá)到動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所需要的能量，因此4032鋁合金的主要軟化機(jī)制是動(dòng)態(tài)回復(fù)[8]。動(dòng)態(tài)回復(fù)可分為微變形階段、均勻應(yīng)變階段和穩(wěn)態(tài)流變階段。從圖4中可看出，微變形階段（如圖4中A點(diǎn)到B點(diǎn)），隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力急劇增大，是因?yàn)楫a(chǎn)生了加工硬化。均勻應(yīng)變階段（圖4中B點(diǎn)到C點(diǎn)），隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力緩慢增加。在此階段4032鋁合金開(kāi)始均勻的塑性變形，位錯(cuò)繼續(xù)增加，加工硬化持續(xù)增強(qiáng)，但與此同時(shí)動(dòng)態(tài)回復(fù)也在逐步增強(qiáng)，其抵消一部分加工硬化，使曲線的斜率降低。穩(wěn)態(tài)流變階段（如圖4中C點(diǎn)之后），此階段應(yīng)力已不再隨應(yīng)變的增加而增加，是因?yàn)橛勺冃我鸬奈诲e(cuò)增加的速率和由回復(fù)引起的位錯(cuò)消失的速率相等，即加工硬化和動(dòng)態(tài)回復(fù)達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡。

從圖5可看出，370℃時(shí)（如圖5a）的粗大的晶粒隨著變形溫度增加到460℃時(shí)（如圖 5b），其晶界開(kāi)始變得模糊，并伴隨著小晶粒的出現(xiàn)；隨著溫度繼續(xù)升高到490℃時(shí)（如圖5c），出現(xiàn)少量的細(xì)小的等軸新的再結(jié)晶晶粒。由圖5還可以看出，4032鋁合金在熱變形過(guò)程中，再結(jié)晶現(xiàn)象很不明顯，再結(jié)晶不是該合金主要的軟化機(jī)制，其主要軟化機(jī)制是動(dòng)態(tài)回復(fù)。

圖1 應(yīng)變量為0.5時(shí)的4032鋁合金的功率耗散圖

圖2 應(yīng)變量為0.5時(shí)的4032鋁合金的流變失穩(wěn)圖

圖3 應(yīng)變量為0.5時(shí)的4032鋁合金的熱加工圖

圖4 4032鋁合金在應(yīng)變速率為0.02時(shí)不同溫度下的真應(yīng)力—真應(yīng)變的關(guān)系圖

圖5 4032鋁合金在應(yīng)變速率為0.02s-1時(shí)的熱變形組織

5 結(jié)論

（1）試驗(yàn)表明，4032鋁合金在熱壓縮過(guò)程主要軟化機(jī)制是動(dòng)態(tài)回復(fù)，并在變形溫度為460℃～490℃，應(yīng)變速率為0.02s-1條件下出現(xiàn)了一定的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，但4032鋁合金的主要軟化機(jī)制仍是動(dòng)態(tài)回復(fù)。

（2）4032鋁合金的熱加工圖表明，應(yīng)變量為0.5時(shí)，其最佳熱加工工藝參數(shù)是變形溫度為460℃～490℃，應(yīng)變速率為 0.03s-1～0.36s-1。

[1]趙志遠(yuǎn).鋁和鋁合金牌號(hào)與金相圖譜速用速查及金相檢驗(yàn)技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用指導(dǎo)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)知識(shí)出版社，2005.

[2]PRASADYVRK，SESHACHARYULUT.Modeling of hotdeformation for microstructure control[J].International Materials Reviews，1998，43（6）：243-258.

[3]MURTYSVSN，RAOBN，KASHYAPBP.Instability criteria for hot deformation ofmaterials [J].InternationalMaterialsReviews，2000，45（1）：15-26.

[4]Zuo-ren.Hot deformation and processing maps of an Al-5.7wt.%Mg alloy with erbium [J].Materials Science and Engineering A，2009，517（1/2）：132-137.

[5]何振波，等.Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金的熱變形行為及加工圖[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2011，21（6）：1221-122.

[6]李慶波，周海濤，等.加工圖的理論研究現(xiàn)狀與展望[J].有色金屬研究，2009，30（4）：1-6.

[7]張聯(lián)盟，等.材料科學(xué)基礎(chǔ).武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2004：125-126.

[8]俞漢清，等.金屬塑性成形原理.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998：22-25.