戴青松，劉栩，付平，張佳琪，鄧運來,

5083鋁合金高溫變形行為及加工圖

戴青松1，劉栩2，付平3，張佳琪3，鄧運來1, 3

(1. 中南大學材料科學與工程學院，湖南長沙，410083；2. 廣西柳州銀海鋁業(yè)股份有限公司，廣西柳州，545006；3. 中南大學輕合金研究院，湖南長沙，410083)

采用Gleeble-3800熱模擬機對5083鋁合金進行高溫等溫壓縮實驗，研究該合金在變形溫度為300~500℃、應變速率為0.0l~10.0 s?1條件下的流變行為，建立合金高溫變形的本構方程和加工圖，采用電子背散射衍射(EBSD)分析變形過程中合金的組織特征。研究結果表明：流變應力隨變形溫度升高而降低，隨應變速率增大而升高；當變形溫度為400~500 ℃時，合金發(fā)生動態(tài)再結晶；5083鋁合金的高溫流變行為可用Zener?Hollomon參數(shù)描述，該合金在真應變?yōu)?.6時的加工圖中存在2個失穩(wěn)區(qū)域，其優(yōu)選的加工條件是變形溫度為420~500 ℃，應變速率為0.01~0.10 s?1。

5083鋁合金；熱變形；本構方程；熱加工圖

5083鋁合金屬Al-Mg系不可熱處理強化型變形鋁合金，具有中等強度、良好的成型性能、焊接性能、耐蝕性能等特點，廣泛應用于車輛、船舶、航空航天等交通運輸業(yè)及罐料制造業(yè)等領域[1?2]。合金在熱變形過程中的流變應力是表征材料塑性的1個最基本量，在塑性變形過程中，材料的流變應力決定了加工時所需要施加的載荷及所需要消耗能量[3]。熱加工圖是基于動態(tài)材料模型的能量圖和失穩(wěn)圖疊加，能夠描述材料在不同變形溫度和應變速率時組織變化機制，為材料變形時工藝制度的確定提供了參考依據(jù)[4]。熱壓縮實驗可獲得材料變形時的連續(xù)流變應力，通過流變應力計算材料的本構方程與加工圖[5?6]。熱變形行為與加工圖往往是研究材料工藝與性能的前提，目前人們對鋁合金的熱變形行為與加工圖進行了很多研究，如：劉歡等[7]利用熱加工圖研究了Mg-6.3Zn-0.7Zr- 0.9Y-0.3Nd合金的熱變形行為及組織演變；LIN等[8]研究了Al-Zn-Mg-Cu-Cr合金的熱變形行為，建立了合金的本構方程模型和加工圖；JAQAN等[9]建立了Al-Li合金的加工圖。目前，人們對5083鋁合金熱加工圖及熱變形過程中組織演化方面的研究較少。為此，本文作者對5083鋁合金進行高溫壓縮變形，研究5083鋁合金的高溫熱變形行為，建立本構方程模型和熱加工圖，探討5083鋁合金在不同變形條件時微觀組織的變化，以便為該合金熱加工工藝的制定提供依據(jù)。

1 實驗材料與方法

實驗用材料為已完全再結晶的5083鋁合金熱粗軋板材，其化學成分質量分數(shù)如表1所示。

表1 5083鋁合金化學成分(質量分數(shù))

將熱粗軋板材經機加工成直徑×高為10 mm× 15 mm的圓柱體試樣。在Gleeble-3800熱模擬機上進行等溫壓縮實驗，壓縮溫度分別為300，350，400，450和500 ℃，應變速率分別為0.01，0.1，1和10 s?1，變形量為50%，壓縮時試樣兩端添加石墨片并均勻涂上潤滑劑(75%石墨+20%機油+5%硝酸三甲苯脂，質量分數(shù))以減小摩擦的影響。加熱溫度為5 ℃/s，保溫2 min，變形后立即水淬，以保留其高溫變形組織。采用雙噴電解減薄法制備EBSD試樣，在HELIOS NANOLAB 600i掃描電鏡上利用背散射電子探頭進行表征，采用HKL公司的Channel 5 EBSD系統(tǒng)進行標定，電壓為20 kV，步長為0.5 μm，光學金相采用AXIO Scope A1型金相顯微鏡檢測。

2 實驗結果與分析

2.1 流變應力曲線特征

5083鋁合金在不同變形條件下的流變應力曲線如圖1所示。從圖1可以看出：在一定變形溫度和應變速率條件下，5083鋁合金真應力隨著真應變增大而增大；在變形初始階段，流動應力迅速增大至峰值；當應力達到峰值后，真應力不再隨真應變增大而增大，而是呈現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)流變特征或者下降趨勢；合金在變形溫度為300~500 ℃、應變速率為0.01~0.1 s?1的條件下，真應力達到峰值以后保持基本穩(wěn)定，表明發(fā)生了典型的動態(tài)回復現(xiàn)象；在變形溫度為400~500 ℃、應變速率為1 s?1及變形溫度為300~500 ℃、應變速率為10 s?1的變形條件下，合金的應力?應變曲線出現(xiàn)了明顯波浪峰，這是材料發(fā)生動態(tài)再結晶的表現(xiàn)，說明在該變形范圍內合金發(fā)生了動態(tài)再結晶。從圖1還可發(fā)現(xiàn)：在同一應變速率下，隨變形溫度升高，真應力水平明顯下降；在同一變形溫度下，隨應變速率增大，真應力水平升高，說明5083鋁合金在該試驗條件下具有正的應變速率敏感性。

2.2 本構方程模型

材料高溫變形過程中流變應力、變形速率、變形溫度間的關系可用如下關系式進行描述[10?11]：

()exp[?()] (1)

在低水平應力(＜0.8)下，

()=σ(2)

在高水平應力(＞1.2)下，

()exp() (3)

在整個應力范圍內，

()=[sinh()](4)

在所有應力狀態(tài)下，式(1)可表示為

[sinh()]exp[?()] (5)

其中：()為應力水平有關的函數(shù)；為流變應力；為應變速率；為變形熱力學溫度；為熱變形激活能；為熱力學常數(shù)；參數(shù)，，，均為常數(shù)，其中為結構影響因子，為應力指數(shù)，且=/。流變應力與熱變形條件的關系可用Zener-Holloman參數(shù)方程(參數(shù))表示[10?11]。

=exp[/()]=[sinh()](6)

?/s?1：(a) 0.01；(b) 0.1；(c) 1；(d) 10

(a) ln ??ln σ; (b) ln ??σ

將求得的，，和等參數(shù)代入式(5)，可得5083鋁合金的流變應力本構方程為

溫度/℃：1—300；2—350；3—400；4—450；5—500。

?/s?1：(a) 0.01；(b) 0.1；(c) 1；(d)10

圖5 5083鋁合金流變應力與參數(shù)Z的關系

=1.77×1012[sinh(0.010 2)]5.683×exp[?168 336/()] (7)

為檢測上述本構方程的準確性，根據(jù)求得的5083鋁合金峰值流變應力本構方程，計算不同變形條件下的峰值應力，并與實測值進行對比。由圖6可以看出本構方程應力預測值與實測值較吻合，只有在變形溫度為300 ℃、變形速率為10 s?1時，應力相對誤差較大。造成該變形條件下應力相對誤差較大的原因可能是：一方面，該條件應力較大，本文中雖然使用了適用于整個應力范圍的本構模型，但并未考慮模型中參數(shù)與變形條件之間的動態(tài)關系，將，，和等參數(shù)看成常數(shù)處理，使得在高應力情況下誤差較大；另一方面，試驗過程并非絕熱過程，在高速變形條件下試樣產生的變形熱來不及散失，使得溫度瞬時升高，試樣實際溫度大于設定溫度，導致材料應力降低，因而實際應力要小于預測值[12]。

圖6 5083鋁合金峰值應力實測應力與計算應力的對比

為了更清晰地評價實測值與計算值之間的誤差，可引入以下誤差分析表達式：

式中：E為流變應力實測值；C為本構方程應力計算值；err為相對誤差；ave為平均相對誤差。根據(jù)式(8)和(9)，本構方程的計算值與實測流變應力的平均相對誤差僅為5.07%，且都在10.00%以內。

2.3 加工圖

根據(jù)材料變形機制所繪制的加工圖主要分為2類：一類是RAJ等[13]根據(jù)材料變形得出的試驗數(shù)據(jù)和原子法建立的加工圖；一類是PRASAD等[14]根據(jù)材料變形過程中得出的參數(shù)所繪制出的加工圖。RAJ加工圖具有較大局限性，其原因是：1) 它僅用于純金屬和簡單合金，且只有在穩(wěn)態(tài)下才有效，對一般的復雜合金不適用；2) 需要確定大量基本材料參數(shù)如激活能，擴散系數(shù)，結構參數(shù)和晶粒尺寸、分布等；3) 建立了幾種典型過程的子模型，無法適用于各種變形機 制[15]。為更加方便地繪制加工圖，PRASAD等[14]提出基于動態(tài)材料模型(dynamic material model，DMM)的加工圖。

根據(jù)動態(tài)材料模型的理論，材料在變形過程中作為一個功率耗散體，單位體積內所吸收的功率可以表示成塑性變形消耗的功率(耗散量)和組織變化所消耗的功率(耗散協(xié)量)，即[16]

式中：為外界輸入的功率。應變速率敏感指數(shù)用于表征參數(shù)與的比值，

通過計算可得

當材料處于理想線性耗散狀態(tài)時，=1，此時達到最大值，即

PRASAD等[14]引入功率耗散因子：

將不同變形條件時的代入式(15)，在?lg平面內繪制()＜0的區(qū)域，即得到失穩(wěn)圖。

將功率耗散圖和加工失穩(wěn)圖進行疊加可得到加工圖。考慮到鋁板材實際加工過程中單道次變形量一般不超過45%，因此，本文主要研究5083鋁合金變形量為45%(真應變?yōu)?.6)的熱加工圖。圖7所示為5083鋁合金在真應變?yōu)?.6時的加工圖，圖中等值線上的數(shù)字表示功率耗散值，陰影部分為失穩(wěn)區(qū)。

從圖7可知：5083鋁合金的加工失穩(wěn)區(qū)范圍較大，失穩(wěn)區(qū)可劃分為失穩(wěn)Ⅰ區(qū)(溫度為300~370 ℃，應變速率為0.01~1 s?1)與失穩(wěn)Ⅱ區(qū)(溫度為370~500 ℃，應變速率為1~10 s?1)。在失穩(wěn)Ⅰ區(qū)、低溫低應變速率時，較小，在該區(qū)域內改變材料微觀組織的能量較少，合金很可能發(fā)生熱粘塑性失穩(wěn)而產生絕熱剪切。在失穩(wěn)Ⅱ區(qū)、高溫高應變速率時，大量塑性功轉變成的熱量及界面滑移產生的應力集中不能及時通過擴散等途徑釋放，極易引起局部流動而產生失穩(wěn)[17]。

在應變速率為0.01 s?1的低應變速率區(qū)，溫度為450 ℃時功率耗散值最大，達到0.34，同時，處于加工安全區(qū)，有利于加工；在應變速率為10 s?1高應變速率區(qū)，溫度為400 ℃時功率耗散因子較小，只有0.09，同時處于加工失穩(wěn)區(qū)，不利于加工。一般來說，材料失穩(wěn)是由于材料在變形過程中發(fā)生了絕熱剪切或局部流變失穩(wěn)，失穩(wěn)工藝區(qū)域不適合加工，在實際加工過程中應予以避免。安全加工區(qū)與流變失穩(wěn)區(qū)域呈 X 形，表明溫度和應變速率對5083鋁合金的加工性能均有影響，整體上功率耗散因子隨著應變速率增大而減小，隨著變形溫度增大而增大[18]。根據(jù)熱加工圖可知5083鋁合金存在2個加工區(qū)：變形溫度為300~370 ℃、應變速率為1~10 s?1區(qū)域及變形溫度為360~500 ℃、應變速率為0.01~1 s?1區(qū)域，其中優(yōu)選的加工區(qū)域條件如下：變形溫度為420~500 ℃，應變速率為0.01~0.1 s?1。

圖7 5083鋁合金熱加工圖

3 討論

金屬在熱加工時，合金內位錯密度急劇增加，而位錯運動遇到晶界、雜質及第二相粒子的概率就會大大增加，使合金產生位錯塞積，從而產生加工硬化，流變應力增大，使得金屬的流變應力在熱加工初始階段迅速增大至峰值(見圖1)。此后進入穩(wěn)態(tài)變形階段，流變應力基本保持不變。此時，合金變形時所產生的位錯增殖和由位錯的交滑移及攀移所產生的位錯消失達到動態(tài)平衡，金屬變形組織中以亞晶組織為主，并且亞晶界趨向二位晶界，亞晶間平均取向差較小，合金中發(fā)生亞晶的合并和多邊形化，表現(xiàn)出強烈的動態(tài)回復行為[18]。在變形溫度為300~500 ℃、應變速率為0.01~0.1 s?1時該合金均表現(xiàn)出上述特征。當變形溫度為350 ℃、應變速率為0.1 s?1時合金的晶粒取向和晶界圖見圖8。從圖8可見：合金的晶粒取向以小角度晶界為主，表現(xiàn)為動態(tài)回復特征。

(a) 晶粒取向；(b) 晶界

合金在高溫變形時，位向差較小的亞晶間會合并成較大的亞晶。在亞晶合并過程中，亞晶粒必須轉動導致合并后的大亞晶與其周圍亞晶之間的位向差必然加大，形成大角度晶界。當溫度進一步變高時，合并長大的亞晶就會成為再結晶的核心，表現(xiàn)出明顯的動態(tài)再結晶行為[18]。合金在變形溫度為450 ℃、應變速率為1 s?1變形條件下的晶粒取向和晶界圖見圖9。從圖9可見：在該變形條件下，合金的晶粒取向以大角度晶界為主，明顯發(fā)生了動態(tài)再結晶。

圖10所示為不同變形條件下合金的金相組織。結合圖7分析，其中圖10(a)的變形參數(shù)優(yōu)于加工圖的安全區(qū)，可看出變形組織未出現(xiàn)裂紋、孔洞和剪切帶等失穩(wěn)現(xiàn)象；圖10(b)的變形條件位于加工圖的失穩(wěn)區(qū)，可看出在晶界處產生了裂紋，說明該區(qū)域已經發(fā)生了流變失穩(wěn)現(xiàn)象。

(a) 晶粒取向；(b) 晶界

(a) 450 ℃，1 s?1；(b) 450 ℃，10 s?1

4 結論

1) 5083鋁合金高溫變形時的峰值應力隨變形溫度升高而降低，隨應變速率的增大而增大，合金在變形溫度為300~500 ℃、應變速率為0.01~0.1 s?1的變形條件下發(fā)生動態(tài)回復；在變形溫度為400~500 ℃、應變速率為1 s?1及變形溫度為300~500 ℃、應變速率為10 s?1的變形條件下發(fā)生動態(tài)再結晶。

2) 5083鋁合金高溫變形下的本構方程可表示為：=1.77×1012[sinh(0.010 2)]5.683exp[?168 336/()]。

3) 5083鋁合金真應變?yōu)?.6時的熱加工圖中存在2個失穩(wěn)區(qū)，分別是變形溫度為300~370 ℃、應變速率為0.01~1 s?1的區(qū)域以及變形溫度為370~500 ℃、應變速率為1~10 s?1的區(qū)域。該合金優(yōu)選加工區(qū)域如下：變形溫度為420~500℃，應變速率為0.01~0.1 s?1。

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(編輯 陳燦華)

High-temperature deformation behavior and processing map of 5083 aluminum alloy

DAI Qingsong1, LIU Xu2,FU Ping3,ZHANG Jiaqi3,DENG Yunlai1,3

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Guangxi Liuzhou Yinhai Aluminum Co. Ltd., Liuzhou 545006, China;3. Light Alloy Research Institute, Central South University, Changsha 410083, China)

The flow stress features of 5083 aluminum alloy were studied by the isothermal compression of cylindrical specimen in temperature of 300?500 ℃ and strain rate of 0.01?10.0 s?1with Gleeble?3800 simulated machine. The high temperature deformation constitutive equations and processing map were established, and furthermore, the microstructure characteristics were studied by electron back-scattered diffraction (EBSD) analysis. The results show that the flow stress increases with the increase of strain rate and decreases with the increase of deformation temperature. The dynamic recrystallization occurs at the strain rate of 10.0 s?1and in temperature of 400?500 ℃. The flow stress of 5083 aluminum alloy can be represented by Zener-Hollomon parameter during high temperature deformation. There are two flow instability zones in the processing map when the true strain is 0.6, and the optimized deformation temperature and strain rate are 420?500 ℃ and 0.01?0.10 s?1, respectively.

5083 aluminum alloy; hot deformation; constitutive equations; processing map

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.08.004

TG146.2

A

1672?7207(2017)08?1988?07

2016?09?10；

2016?11?15

廣西科學研究與技術開發(fā)計劃課題(桂科重1598001-2)(Project(1598001-2) supported by the Scientific Research and Technology Development Program of Guangxi)

鄧運來，教授，博士生導師，從事有色金屬材料加工工程研究 E-mail: luckdeng@csu.edu.cn