高文理，關(guān)宇飛

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5083鋁合金熱壓縮應(yīng)力?應(yīng)變曲線修正與熱加工圖

高文理，關(guān)宇飛

(湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410082)

在Gleeble?3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上對圓柱體5083鋁合金試樣進(jìn)行溫度為300~500 ℃、應(yīng)變速率為0.001~ 1 s?1條件下的熱壓縮試驗(yàn)。對實(shí)驗(yàn)獲得的真應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行摩擦修正,依據(jù)摩擦修正后的應(yīng)力應(yīng)變曲線計算本構(gòu)方程，采用包含Zener-Hollomon參數(shù)的本構(gòu)方程描述摩擦修正后的5083鋁合金流變應(yīng)力行為,其熱變形激活能為164.17 kJ/mol。根據(jù)摩擦修正后的真應(yīng)力?應(yīng)變曲線繪制熱加工圖，隨著真應(yīng)變的增加,失穩(wěn)區(qū)域向著高應(yīng)變速率、高變形溫度區(qū)域擴(kuò)展，5083鋁合金適宜熱變形工藝參數(shù)：變形溫度為400~500 ℃、變形速率為0.01~0.1 s?1與340~450 ℃、變形速率為0.001~0.01 s?1。隨著變形溫度升高與應(yīng)變速率降低，晶粒內(nèi)位錯密度減少，主要軟化機(jī)制逐漸由動態(tài)回復(fù)轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)再結(jié)晶。

5083鋁合金；應(yīng)力?應(yīng)變曲線修正；本構(gòu)方程；熱加工圖；顯微組織演變

5xxx系鋁鎂系列合金因較好的力學(xué)性能，如機(jī)械加工性以及優(yōu)秀的耐腐蝕性，被廣泛應(yīng)用于造船業(yè)、管道、模具制造等行業(yè)[1]。在鋁合金的加工制造過程中，有限元模擬技術(shù)與加工圖的應(yīng)用為工藝參數(shù)的設(shè)定提供了可靠的指導(dǎo)，在有限元模擬技術(shù)與加工圖理論愈加廣泛應(yīng)用的背景下，通過實(shí)驗(yàn)獲取精確應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)而獲得精確的數(shù)學(xué)模型與加工圖成為應(yīng)用成功的關(guān)鍵[2]。而金屬材料在高溫變形時的流變應(yīng)力受到變形溫度、變形程度、變形速率以及摩擦力、溫升效應(yīng)等因素影響，為獲得真實(shí)反映變形溫度、變形速度與變形程度對流變應(yīng)力的影響，就需要排除摩擦力、變形熱對流變應(yīng)力的影響，因此，需要對獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定程度的修正。在工業(yè)歷史中應(yīng)用已久的5083鋁合金，在熱變形(0.01~10 s?1)條件下的流變應(yīng)力行為已有文獻(xiàn)闡述[3?4]，近期包括考慮了溫升效應(yīng)對流變應(yīng)力影響進(jìn)行溫升修正的流變應(yīng)力關(guān)系研究[5]，該研究表明在高應(yīng)變速率下溫升效應(yīng)對流變應(yīng)力曲線有更大影響，有關(guān)其他牌號的鋁合金對金高溫流變應(yīng)力曲線的摩擦修正研究也有不少闡述[6?7]，摩擦力對不同溫度與應(yīng)變速率下的流變應(yīng)力均有影響，對摩擦力的影響進(jìn)行修正十分必要。對于5083鋁合金，包含了摩擦修正的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的熱加工圖卻鮮有報道。

因此，本文作者以鑄態(tài)5083鋁合金為研究對象，采用Gleeble-3500動態(tài)熱模擬設(shè)備進(jìn)行高溫等溫壓縮實(shí)驗(yàn)，并對獲得的真應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行摩擦修正，構(gòu)建精度較高的本構(gòu)方程與基于動態(tài)材料模型(Dynamic material model，DMM )的加工圖，以期為工業(yè)生產(chǎn)提供更可靠精確的參考工具。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用的原材料為工業(yè)生產(chǎn)的鑄態(tài)5083坯料，其形態(tài)為400 mm×4000 mm圓柱體，鑄錠經(jīng)465 ℃、24 h[8]均勻化處理后，機(jī)加工為10 mm×15 mm的小圓柱體，為減小壓縮實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)備與試樣間摩擦力對流變應(yīng)力的影響，在試樣兩端預(yù)留槽內(nèi)加入石墨片。試樣在GleeBle?3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行等溫壓縮實(shí)驗(yàn)，試樣升溫速率為10 ℃/s，并保溫3 min，圧縮溫度分別取300、320、340、360、460、480、500 ℃，應(yīng)變速率分別為0.001、0.01、0.1、1 s?1，工程應(yīng)變?yōu)?.7，即真應(yīng)變?yōu)?.2，實(shí)驗(yàn)中由計算機(jī)自動收集數(shù)據(jù)并繪制真應(yīng)力?真應(yīng)變曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 流變應(yīng)力行為

圖1所示為5083鋁合金高溫壓縮變形的真應(yīng)力?真應(yīng)變曲線。由圖1可見，熱變形初期隨著變形程度的增大流變應(yīng)力迅速上升，在達(dá)到峰值后逐漸趨于平緩直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。部分曲線出現(xiàn)鋸齒狀的波紋，這是由于在該條件下發(fā)生了不連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶[9]。而試樣與壓頭之間存在的摩擦力導(dǎo)致流變應(yīng)力升高使得應(yīng)力應(yīng)變曲線末端呈現(xiàn)上翹的趨勢[10]。在圖1(b)中，相同溫度下，隨著應(yīng)變速率的降低流變應(yīng)力降低十分明顯，故5083鋁合金為典型的應(yīng)變速率敏感材料。

圖1 不同變形條件下5083鋁合金的真應(yīng)力?真應(yīng)變曲線

2.2 摩擦力對流變應(yīng)力的影響

在壓縮過程中，試樣與設(shè)備之間的摩擦力會阻礙試樣兩端的金屬向外側(cè)流動，從而改變了試樣中的應(yīng)力狀況，使得壓縮過程中試樣中的應(yīng)力一直處于偏高的狀態(tài)，因此，需要進(jìn)行修正。對壓縮過程中摩擦影響的修正可由下列方程式求解[11]：

由式(1)~(4)只需測得壓縮后試樣高度以及鼓肚大小即可計算得出應(yīng)變修正量。式(1)~(4)是由EBRAHIMI等[12]提出的考慮了應(yīng)變速率、變形溫度、材料特性、微觀結(jié)構(gòu)、變形歷史等一系列因素化簡得出的公式，該文獻(xiàn)經(jīng)過對比無潤滑條件、云母粉潤滑條件以及玻璃潤滑劑潤滑條件下，應(yīng)用式(1)~(4)對測得應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行修正，其結(jié)果表明：不同潤滑條件下測得的初始應(yīng)力應(yīng)變曲線不同，但是利用式(1)~(4)修正后的應(yīng)力應(yīng)變曲線間差異可忽略不計。故本研究結(jié)果在試驗(yàn)階段添加石墨潤滑并不會影響修正結(jié)果。

由圖2可見，經(jīng)摩擦修正后的應(yīng)力應(yīng)變曲線普遍低于原始應(yīng)力應(yīng)變曲線，修正后的流變應(yīng)力在變形初期與原始流變應(yīng)力之間的差值較小，并隨著應(yīng)變的增大逐漸增大，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束即真應(yīng)變?yōu)?.2時達(dá)到最大差值。這是由于試樣在壓縮過程中，試樣兩端與壓頭和底座之間的接觸面積逐漸增大，摩擦力隨之逐漸增大，摩擦力對流變應(yīng)力的影響逐漸增大并在最大應(yīng)變時達(dá)到最大影響。亦可由圖2得出，摩擦在不同變形溫度與變形速率下對應(yīng)力的影響是不同的，總體表現(xiàn)為溫度越低、應(yīng)變速率越高，影響越大，溫度的升高使材料強(qiáng)度降低從而降低了摩擦力的影響。

2.3 本構(gòu)方程的建立

材料的本構(gòu)關(guān)系依據(jù)應(yīng)力水平的不同，對應(yīng)著3個不同的方程[12]：

圖2 5083鋁合金修正前后的流動應(yīng)力曲線

參數(shù)的物理意義為溫度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變速率因子。獲得摩擦修正后的不同溫度與應(yīng)變下的5083鋁合金應(yīng)力值(即應(yīng)力峰值)，帶入式(5)~(8)可擬合出鑄態(tài)5083鋁合金的本構(gòu)方程。

設(shè)在一定溫度下變形激活能是常數(shù)，在低應(yīng)力下，即選取高溫度段460、480、500 ℃對應(yīng)應(yīng)力值，對方程(5)兩邊取對數(shù)，變形為

在高應(yīng)力下，即選取低溫度段300、320、340、360 ℃應(yīng)力值，對方程(6)取對數(shù)，變形為

ln=23.362+4.27lnsinh() (12)

可知材料常數(shù)=1.40×1010，綜上所述可以得到，鑄態(tài)5083鋁合金熱變形流變學(xué)應(yīng)力方程：

采用含Z參數(shù)的方程可表示為

2.4 熱加工圖的建立

熱加工圖主要基于動態(tài)材料模型理論，由能量耗散圖和失穩(wěn)圖疊加而成。材料在熱加工過程中，可認(rèn)為總能量的耗散主要用于材料的塑性變形和材料顯微組織變化兩個方面，而功率耗散圖則是在應(yīng)變速率和變形溫度所構(gòu)成的二維平面繪制出用于顯微組織變化所耗散能量與線性耗散能量的比例關(guān)系的等值線。而在應(yīng)變速率與變形溫度構(gòu)成的二維平面內(nèi)繪出失穩(wěn)判據(jù)等值線就構(gòu)成了失穩(wěn)圖。構(gòu)建熱加工圖可依據(jù)以下兩個方程構(gòu)建[14]：

圖3 5083鋁合金摩擦修正后本構(gòu)方程計算過程

式中：為功率耗散因子；為應(yīng)變速率敏感性指數(shù)，

選取經(jīng)摩擦修正的數(shù)據(jù)，用3次樣條插值法對數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)充，分別繪制出真應(yīng)變?yōu)?.4、0.8、1.2時的功率耗散圖與失穩(wěn)圖，并疊加生成相應(yīng)的熱加工圖。

圖4所示為5083鋁合金分別在真應(yīng)變?yōu)?.4、0.8、1.2時的加工圖，陰影部分為失穩(wěn)區(qū)域，隨著變形量的增加，功率耗散因子變化并不大，而失穩(wěn)區(qū)域逐漸出現(xiàn)在高溫高應(yīng)變速率區(qū)域與低變形溫度區(qū)域，失穩(wěn)區(qū)主要集中在加工圖的左側(cè)，這與WANG等[15]指出變形程度對失穩(wěn)區(qū)有顯著影響的結(jié)論相一致。以應(yīng)變?yōu)?.2時的加工圖為例，功率耗散因子在變形溫度360 ℃，應(yīng)變速率0.001 s?1時達(dá)到峰值0.49，在變形溫度360 ℃至455 ℃之間功率耗散因子呈現(xiàn)下降趨勢，大于455 ℃又開始上升。應(yīng)變速率0.007 s?1與0.2 s?1之間時功率耗散因子表現(xiàn)較為平滑，其值為25%~35%。功率耗散因子等值線在變形溫度為450 ℃附近以及應(yīng)變速率0.01 s?1以下出現(xiàn)較大彎折，這種彎折一般是發(fā)生了相變[16]，即相(Mg2Al3)從基體(Al)相中析出。加工圖可以依據(jù)失穩(wěn)區(qū)域與功率耗散率分為圖5中、、、等4個區(qū)域。在溫度大于400 ℃應(yīng)變速率在0.005~0.1 s?1的范圍即區(qū)域內(nèi)功率耗散因子較大也非常穩(wěn)定，約為30%，是適宜變形的區(qū)域；而區(qū)，即變形溫度為420~500 ℃，應(yīng)變速率為0.001~0.01 s?1的區(qū)域，雖然沒有出現(xiàn)失穩(wěn)區(qū)域，但是功率耗散因子隨著應(yīng)變速率的減小急劇降低，組織演變耗散能占比過低，并不推薦在此區(qū)域進(jìn)行變形；區(qū)域即變形溫度為340~420 ℃、應(yīng)變速率為1×10?3~1×10?2s?1，功率耗散因子普遍較高，等值線也比較平滑，且不存在失穩(wěn)區(qū)域，該區(qū)域的應(yīng)變速率較小，滿足低應(yīng)變速率條件的情況下可以在此區(qū)域變形；區(qū)域大面積均為加工失穩(wěn)區(qū)域，熱變形時應(yīng)當(dāng)避開。僅靠加工圖判定適宜變形區(qū)域并不準(zhǔn)確，還需要金相觀察來佐證加工圖的可靠性，將在后節(jié)詳細(xì)闡述。

圖4 不同真應(yīng)變下5083鋁合金的加工圖

2.5 軟化機(jī)制與顯微組織演變

圖5 5083鋁合金θ?σ曲線

在480 ℃、0.1 s?1條件下，5083鋁合金的流變應(yīng)力曲線呈現(xiàn)典型的DRX軟化特征，如圖6所示，Ⅰ階段中，流變應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而迅速增大，此時對應(yīng)的加工硬化率為正值且急劇減小，這一階段的變形加工硬化占據(jù)主導(dǎo)作用；Ⅱ階段中，流變應(yīng)力達(dá)到DRX軟化臨界應(yīng)力c，加工硬化率由正值降為負(fù)值并停止降低轉(zhuǎn)而向=0趨近，且其與軸交點(diǎn)對應(yīng)著峰值應(yīng)力p，這一階段為DRX軟化區(qū)；Ⅲ階段中，幾乎為0，這一階段軟化作用與加工硬化相平衡，流變應(yīng)力表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)流變。

圖6 5083鋁合金θ?ε曲線(480 ℃，0.1 s?1)

圖7所示為加工圖、、、區(qū)域內(nèi)試樣變形終了時金相照片。如圖7(a)所示，該試樣位于區(qū)域，由于此區(qū)域應(yīng)變速率較大，大部分區(qū)域溫度較低，動態(tài)軟化在與加工硬化競爭中處于劣勢，使得部分晶粒可以完成變形而部分晶粒產(chǎn)生與壓縮軸成一定角度的剪切變形帶。圖7(b)中區(qū)域應(yīng)變速率普遍較低，變形溫度不高但是功率耗散因子卻較高，使得有足夠的能量驅(qū)動動態(tài)回復(fù)與動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，在圖7(b)中還可以看到沿著晶界存在著許多再結(jié)晶晶粒，部分再結(jié)晶晶粒已經(jīng)被沿徑向拉長，呈現(xiàn)纖維組織特征，此區(qū)域獲得的晶粒也較均勻，動態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行程度較高，且此區(qū)域功率耗散因子較大，是適合變形的區(qū)域。圖7(c)中區(qū)域功率耗散因子較區(qū)域小，但更為平穩(wěn)，應(yīng)變速率較低但變形溫度較高，依然有足夠的驅(qū)動力促使動態(tài)回復(fù)與動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生；沿晶界有許多再結(jié)晶晶粒，晶粒尺寸并不均勻，有被沿徑向拉長的大晶粒存在，但是并未出現(xiàn)加工失穩(wěn)現(xiàn)象，此區(qū)域可以在較高的變形速率且合適的溫度下進(jìn)行熱變形，綜合工業(yè)生產(chǎn)成本考慮，在此區(qū)域選取加工參數(shù)為宜。圖7(d)中區(qū)域位于高變形溫度低應(yīng)變速率下，可以觀察到大量長大的再結(jié)晶晶粒，但這一區(qū)域的功率耗散因子較小而且變化很大，并非最佳的變形區(qū)域。金相觀察結(jié)果符合加工圖規(guī)律，與LIU等[19]指出的一般情況下失穩(wěn)區(qū)出現(xiàn)剪切斷裂帶、孿晶與微裂紋，穩(wěn)定變形區(qū)出現(xiàn)再結(jié)晶晶粒相一致。

圖8所示為5083鋁合金在不同變形條件下的透射電鏡照片。由圖8(a)可見，在低變形溫度(340 ℃)與高應(yīng)變速率(0.1 s?1)下，出現(xiàn)大量縱橫交錯的位錯，大量位錯被分散的第二相粒子釘扎，且沒有足夠的能量進(jìn)行滑移和攀移，動態(tài)回復(fù)程度十分有限，宏觀表現(xiàn)為嚴(yán)重的加工硬化現(xiàn)象，使得應(yīng)力水平較高。隨著應(yīng)變速率從0.1 s?1降低至0.001 s?1，如圖8(b)所示，應(yīng)變速率較低，位錯有較寬裕的時間通過滑移與攀移的方式湮滅與重組，出現(xiàn)將晶粒分割為亞晶粒的位錯墻，部分亞晶已經(jīng)有所長大，這表明應(yīng)變速率的降低加強(qiáng)了動態(tài)軟化，動態(tài)回復(fù)程度增加但仍然有限，故此時主要軟化機(jī)制依舊為動態(tài)回復(fù)。當(dāng)變形溫度增加為480 ℃，應(yīng)變速率為0.1 s?1時，如圖8(c)所示，原子熱激活能增強(qiáng)，位錯的活動能力增強(qiáng)，擁有足夠的驅(qū)動力遷移并脫離位錯網(wǎng)使得亞晶粒逐漸合并，形成大量等軸小晶粒，且晶粒內(nèi)位錯密度明顯降低，位錯的湮滅使得動態(tài)再結(jié)晶比較完全，故此時主要的軟化機(jī)制為動態(tài)再結(jié)晶[20]。在溫度為480 ℃變形速率為0.001 s?1時，如圖8(d)所示，隨著應(yīng)變速率的降低，動態(tài)再結(jié)晶的晶粒有充足的時間長大，小角度晶界演變?yōu)榇蠼嵌染Ы?，晶粒?nèi)幾乎沒有位錯，僅有部分第二相粒子分布。綜上所述，隨著變形溫度的升高與應(yīng)變速率的降低，位錯逐漸獲得能量進(jìn)行滑移與攀移，并形成小角度晶界的亞晶粒，此時主要軟化機(jī)制為動態(tài)回復(fù)；當(dāng)驅(qū)動力達(dá)到一定臨界值時，位錯進(jìn)一步湮滅，小角度晶界演變?yōu)榇蠼嵌染Ы?，發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，主要軟化機(jī)制也逐漸由動態(tài)回復(fù)演變?yōu)閯討B(tài)回復(fù)與動態(tài)再結(jié)晶共存，最后發(fā)展為動態(tài)再結(jié)晶為主要軟化機(jī)制。宏觀表現(xiàn)為隨著變形溫度的升高與應(yīng)變速率的降低，流變應(yīng)力降低。而結(jié)合加工圖與金相觀察，在區(qū)域與區(qū)域均有有利于熱變形的動態(tài)再結(jié)晶晶粒的出現(xiàn)，區(qū)與區(qū)盡管再結(jié)晶尚未完全，但是所處區(qū)域功率耗散因子較高，即在此區(qū)域材料顯微組織耗散引起的熵增加的變化率最大，最有利于體系從塑性變形向穩(wěn)態(tài)變形發(fā)展[21]，故此區(qū)域?yàn)樽罴炎冃螀^(qū)域。

圖7 5083鋁合金在不同變形條件下的金相顯微組織

圖8 5083鋁合金在不同變形條件下的TEM像

3 結(jié)論

1) 摩擦力對流變應(yīng)力的影響在各溫度與各應(yīng)變速率下均較明顯，并隨著真應(yīng)變的增大而增大。

2) 獲得經(jīng)過摩擦修正的真應(yīng)力應(yīng)變曲線，采用包含熱激活能的雙曲正弦模型描述5083鋁合金熱壓縮時的流變行為，其值0.0122，值為4.75，求得其熱激活能為164.17 kJ/mol。

3) 利用摩擦修正與溫升修正后的真應(yīng)力應(yīng)變曲線建立5083鋁合金的熱加工圖，得出5083鋁合金的適宜熱變形工藝參數(shù)：變形溫度400~500 ℃，應(yīng)變速率0.01~0.1 s?1或變形溫度340~450 ℃，應(yīng)變速率0.001~0.01 s?1。

4) 隨著變形溫度的升高與變形速率的降低，位錯密度降低，出現(xiàn)亞晶粒并逐漸長大，主要軟化機(jī)制由動態(tài)回復(fù)轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)再結(jié)晶。

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Correction of flow stress?strain curve and processing maps of 5083 aluminum alloy during hot compression

GAO Wen-li, GUAN Yu-fei

(School of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

The hot compression tests of the cylindrical 5083 aluminum alloy sample were carried out on Gleeble-3500 thermal simulator at the temperature range of 300?500℃ and the strain rate range of 0.001 s?1. The real stress and strain curves obtained by the experiment were subjected to friction correction. The constitutive equation of Zener-Hollomon parameters was used to describe the flow behavior of 5083 aluminum alloy after friction correction and activation energy of the thermal deformation is 164.17 kJ/mol. According to the friction correction of the true stress?strain curve drawing the processing map, finding that the unstable region expands toward high strain rate and high deformation temperature with the increase of true strain. The suitable thermal deformation process parameters of 5083 aluminum alloy are as follows: deformation temperatures of 400?500 ℃ at deformation rates of 0.01?0.1 s?1and deformation temperatures of 340?450 ℃ at deformation rates of 0.001?0.01 s?1.With the increases of deformation temperature and strain rate, the dislocation density within the grain decreases, and the main softening mechanism gradually changes from dynamic recovery to dynamic recrystallization.

5083 aluminum alloy; stress?strain curve correction; constitutive equation; processing map; microstructural evolution

Projects(51474101, 51271076, 51474195) supported by the Natural Science Foundation of China

2017-07-24;

2018-01-24

GAO Wen-li; Tel: +86-13873110708; E-mail: wenligaohd@163.com

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2018.09.04

1004-0609(2018)-09-1737-09

TG146.2

A

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474101，51271076，51474195)

2017-07-24；

2018-01-24

高文理，教授，博士；電話：13873110708；E-mail：wenligaohd@163.com

(編輯 李艷紅)