简介概要

7N01铝合金热压缩流变行为研究

来源期刊：稀有金属2011年第6期

论文作者：刘君城金龙兵何振波路丽英刘红伟张永安

文章页码：812 - 817

关键词：7N01铝合金;热压缩变形;流变应力;Zener-Hollomon参数;

摘要：采用Gleeble-1500D热模拟机进行热压缩变性试验,研究7N01铝合金在变形温度为340～460℃、应变速率为0.01～10.00 s-1条件下的流变应力行为。结果表明:变形温度和应变速率对合金流变应力有显著影响,流变应力随变形温度的升高而降低,随应变速率的增加而升高;合金在低应变速率（0.01,0.10,1.00 s-1）时主要为动态回复软化机制,而在高应变速率（10.00 s-1）时出现动态再结晶软化;7N01铝合金的高温流变行为可用Zener-Hollomon参数描述。

详情信息展示

稀有金属 2011,35(06),812-817

7N01铝合金热压缩流变行为研究

刘君城金龙兵何振波路丽英刘红伟张永安

北京有色金属研究总院有色金属制备加工国家重点实验室

东北轻合金有限责任公司

摘要：

采用Gleeble-1500D热模拟机进行热压缩变性试验,研究7N01铝合金在变形温度为340～460℃、应变速率为0.01～10.00 s-1条件下的流变应力行为。结果表明:变形温度和应变速率对合金流变应力有显著影响,流变应力随变形温度的升高而降低,随应变速率的增加而升高;合金在低应变速率(0.01,0.10,1.00 s-1)时主要为动态回复软化机制,而在高应变速率(10.00 s-1)时出现动态再结晶软化;7N01铝合金的高温流变行为可用Zener-Hollomon参数描述。

关键词：

7N01铝合金;热压缩变形;流变应力;Zener-Hollomon参数;

中图分类号： TG146.21

作者简介：刘君城(1982-),男,内蒙古呼和浩特人,博士研究生;研究方向:铝合金热处理;张永安(E-mail:zhangyongan@grinm.com);

收稿日期：2010-10-25

基金：国家高技术研究发展计划(863计划)重点课题(2008AA030701)资助项目;

Hot Deformation Behavior of 7N01 Aluminum Alloy

Abstract：

The mechanical behavior of 7N01 aluminum alloy during high temperature plastic deformation was studied by isothermal compression in the temperature range of 340⁴60 ℃ and strain rate of 0.01¹0.00 s-1 on Gleeble-1500D thermal mechanical simulator.The results showed that the flow stress of 7N01 was affected by both the strain rate and the deforming temperature,and the flow stress increased with increasing strain rate and decreasing deformation temperature.The main softening mechanism was dynamic recovery at lower strain rate(<10.00 s-1),while when the strain rate was 10.00 s-1,it transformed to be dynamic recrystallization.The flow stress of 7N01 aluminum alloy during high temperature deformation could be represented by Zener-Hollomon parameter.

Keyword：

7N01 aluminum alloy; hot compression deformation; flow stress; Zener-Hollomon parameter;

Received： 2010-10-25

7N01合金成分是由日本开发的Al-Zn-Mg系可焊铝合金, 具有良好的挤压性能和焊接性能, 大量应用为轨道车辆结构材料。 7N01挤压大型型材主要用于车体的端面梁、车端缓冲器、底座、门槛、侧面构件骨架、车架枕梁等, 都属于重要的受力部件。

目前国内高速铁路快速发展, 迫切需要制定轨道车辆用大型铝合金材料的挤压、轧制和锻造等热加工工艺。合金的高温塑性变形行为规律是制定其热加工工艺的理论依据。国内外学者对多种合金的高温塑性变形行为做了一些较有成效研究 ^{[1,2,3,4,5,6,7,8,9]} , 然而针对7N0l合金的热加工性能数据和热变形过程的微观分析却并不充分。

本文通过热模拟压缩实验, 研究7N01铝合金在一定变形温度、变形速率范围内材料的流变应力行为以及微观组织的演变规律, 探究影响其高温塑性变形的因素, 为7N01铝合金的热加工工艺制定提供理论和实验依据。

1 实验

试验材料采用东北轻合金有限责任公司提供的铝合金铸锭, 实验合金的化学成分如表1所示。铸锭在470 ℃均匀化退火24 h后, 取Φ8 mm×12 mm的圆柱, 在Gleeble-1500D热模拟机做恒温、恒应变速率热模拟压缩实验。热变形温度分别为340, 370, 400, 430, 460 ℃; 应变速率分别为0.01, 0.10, 1.00, 10.00 s^-1; 总压缩量为0.69。试样的升温速率为10 ℃·s^-1, 保温时间为3 min。试样两端垫石墨片润滑, 以减少摩擦对应力的影响。将压缩后水淬的样品沿压缩方向切开, 用Zeiss Axiovert 200 MAT光学显微镜进行组织对比和分析。切取1 mm薄片样品先用机械方法减薄至约0.05 mm厚, 进行电解双喷减薄, 电解液为25%硝酸+75%甲醇, 电压为(16～18) V, 电流为(60～80) mA, 双喷液的温度控制在-30～-20 ℃之间。在JEM-2000FX分析电子显微镜下对组织进行分析, 观察电压为200 kV。

表1 7N01铝合金主要化学成分(%, 质量分数)

Table 1Main compositions of 7N01 aluminum alloys (%, mass fraction)

Zn	Mg	Cu	Mn	Cr	Fe	Si	Al
3.65	0.90	0.12	0.40	0.15	0.15	0.05	Bal.

2 结果与讨论

2.1 真应力-真应变曲线

在热加工过程中, 一方面, 形变致使位错不断增殖和积累, 出现加工硬化现象; 另一方面, 较高的温度和外加的应力驱动异号位错对消和小角度晶界移动以更快的速度进行, 也就是说发生动态回复 ^[10] 。在一定条件下, 动态回复未能同步抵消加工过程中位错的增殖积累, 达到某一临界形变条件就会发生动态再结晶 ^{[9,11,12,13,14]} 。

图1所示为热模拟压缩实验所测得的7N01铝合金热压缩变形真应力-应变曲线。由图可见, 7N01铝合金分别在340, 370, 400, 430, 460 ℃温度条件和0.01, 0.10, 1.00, 10.00 s^-1的应变速率条件下等温恒应变速率压缩。初期流变应力随真应变的增加而迅速增大, 这是因为在形变初期形变使位错不断增殖和积累出现加工硬化现象, 合金加工硬化率高于软化率。随后进入过渡期, 动态软化作用增强, 流变应力的增加减缓。最后进入稳定阶段后加工硬化与动态软化作用达到动态平衡, 流变应力相对稳定。由图可见, 变形温度和应变速率对流变应力的影响规律: 相同应变速率条件下, 流变应力随变形温度升高而下降; 相同变形温度条件下, 流变应力随应变速率的提高而增大。

图1 7N01合金热压缩变形真应力-真应变曲线

Fig.1 True stress-true strain curves of 7N01 alloy by hot compression (a) ε′=0.01 s^-1; (b) ε′=0.10 s^-1; (c) ε′=1.00 s^-1; (d) ε′=10.00 s^-1

(a)ε'=0.01 s^-1;(b)ε'=0.10 s^-1;(c)ε'=1.00 s^-1;(d)ε'=10.00 s^-1

根据图1的真应力-应变曲线分析发现, 在应变速率小于10.00 s^-1时, 真应变达到一定程度后, 真应力并不随真应变的继续增大而发生明显变化, 表现出较为明显的稳态流变特征, 说明此状态下合金动态回复产生的软化效果基本抵消了加工硬化的效果。值得注意的是, 当应变速率达到10.00 s^-1时, 上述5种变形温度下, 真应力-真应变曲线均表现出锯齿状波动现象, 这表明在此热加工状态下, 动态回复难以同步抵消形变时位错的增殖和积累, 当位错累积到一定程度后就会促发再结晶形核 ^[9] 。

2.2 流变应力本构方程

许多学者研究了大量金属和合金的热加工性能, 建立了描述热变形的本构方程 ^[15,16,17] 。研究发现变形过程中应变速率、温度、流变应力存在以下关系:

低应力水平时: ε′=A₁σ^n₁exp[-Q/(RT)] (1)

高应力水平时: ε′=A₂exp(βσ)exp[-Q/(RT)] (2)

适用较宽应力状态范围:

ε′=A[sinh(ασ)]ⁿexp[-Q/(RT)] (3)

其中: σ为流变应力, 单位: MPa; ε′为应变速率, 单位: s^-1; Q为变形激活能, 单位: kJ·mol^-1; R为气体常数取8.314, 单位: J·K^-1·mol^-1; T为绝对温度, 单位: K; A₁, A₂, A, β, α, n₁, n均为与温度无关的常数。

对方程(1), (2), (3)等号两边取对数, 得到:

lnε′=lnA₁+n₁lnσ-Q/RT (4)

lnε′=lnA₂+βσ-Q/RT (5)

lnε′=lnA+nlnsinh(ασ)-Q/RT (6)

根据方程(4), (5), (6), 通过线性拟合方法分别得到lnε′-lnσ关系曲线(如图2(a))、 lnε′-σ关系曲线(如图2(b))、 lnε′-lnsinh(ασ)关系曲线(如图2(c))。

根据图2所得的线性拟合数据分别得到n₁, β, α, n值。根据方程(6)采用线性拟合方法得到图3所示变形温度与流变应力关系曲线, 经过计算可以得到变形激活能Q=152 kJ·mol^-1。

Zener和Hollomon在1944年 ^[17] 提出Z参数的概念, Z参数是温度补偿的变形速率因子。

Z=ε′exp(Q/RT) (7)

将方程(7)分别带入方程(1), (2), (3), 得:

lnZ=lnA₁+n₁lnσ (8)

lnZ=lnA₂+βσ (9)

lnZ=lnA+nlnsinh(ασ) (10)

其中, α=β/n₁。

根据方程(8), (9), (10), 通过线性拟合方法分别得到lnZ-lnσ关系曲线(图4(a))、 lnZ-σ关系曲线(如图4(b))、 lnZ-lnsinh(ασ)关系曲线(如图4(c))。

图2 应变速率与流变应力关系曲线

Fig.2 Relationships between strain rate and flow stress (a) lnε′-lnσ; (b) lnε′-σ; (c) lnε′-lnsinh(ασ)

(a)lnε'-lnσ;(b)lnε'-σ;(c)lnε'-lnsinh(ασ)

图3 变形温度与流变应力关系曲线

Fig.3 Relationships between deformation temperature and flow stress

根据拟合结果, 分别得到一组n₁, β, α, n, A值, 解得α=0.016258, n=8.81425, A=2.491E¹⁰。将α, n, A代入流变应力方程标准形式:

得到用Z参数表达的流变应力方程:

2.3 微观组织分析

图5所示为7N01合金在不同变形条件下的微观组织。热加工后微观组织中出现大量亚晶结构, 大部分亚晶界清晰, 亚晶粒内部位错密度低。有部分亚晶界附近位错缠结, 亚晶粒内存在大量高密度位错。可见, 合金热变形过程中内部的组织演化并不是同时进行, 同时存在处于不同阶段的变形组织。图5(a), (b)所示为低应变速率下(应变速率为0.01 s^-1)合金变形的TEM形貌, 箭头所指处位错胞壁锋锐明显, 已经形成了亚晶界。

本实验用7N01合金在应变速率为10.00 s^-1, 变形温度在340～460 ℃范围内(如图5(c), (d))的微观组织显示合金既存在动态回复现象, 又存在动态再结晶现象。本合金在此变形条件下, 各部分组织并不同时发生动态再结晶, 且同一时刻不同部位处于不同的动态再结晶阶段, 这也佐证了如图1(d)所示的流变应力曲线发生周期性抖动现象。

7N01高强铝合金在热压缩变形初期, 材料内位错密度随着应变量的增加而迅速增加, 由于位错相互交割、缠绕, 而导致位错运动受阻导致流变应力迅速增大, 主要表现为加工硬化现象; 进入过渡期后, 合金内部加工硬化和动态软化相互作用, 位错通过交滑移和攀移的形式汇集并相互销毁和重组 ^[18,19] , 使得位错密度降低; 流变应力达到稳定阶段时, 位错的增殖和位错间相互销毁和重组达到动态平衡, 表现为强烈的动态回复。合金在高应变速率下, 合金中的第二相粒子阻碍位错运动作用明显, 螺位错的交滑移和刃位错的攀移被延缓, 动态回复未能完全。动态回复难以同步抵消外加应力造成的位错增殖, 导致晶内的位错密度不断增加, 变形储能迅速累积, 当变形储能达到动态再结晶所需的驱动力, 将发生亚晶转动以及聚合形核, 此时材料内部发生不连续动态再结晶。