稀有金属 2013,37(05),687-694
Cu-Cr-Zr合金的热变形行为
王庆娟 刘锋 杜忠泽 王静怡
西安建筑科技大学冶金工程学院
摘 要：
采用Gleeble-3500热模拟实验机对Cu-Cr-Zr合金进行了压缩变形实验, 分析了在变形温度为25700℃、应变速率为0.00010.1000s-1的条件下流变应力的变化规律, 利用扫描电镜及透射电镜分析合金在热压缩过程中的组织演变及动态再结晶机制。结果表明:Cu-Cr-Zr合金在热变形过程中发生了动态再结晶, 且变形温度和应变速率均对流变应力有显著的影响, 流变应力随着变形温度的升高而降低, 随着应变速率的增加而升高, 说明该合金属于正应变速率敏感材料;当变形温度为400500℃时, 低应变速率 (0.00010.0010 s-1) 的真应力-真应变曲线呈现动态再结晶曲线特征, 高应变速率 (0.010.10 s-1) 的真应力-真应变曲线呈现动态回复特征;在真应力-真应变曲线的基础上, 采用双曲正弦模型能较好地描述Cu-Cr-Zr合金高温变形时的流变行为, 建立了完整描述合金热变形过程中流变应力与应变速率和变形温度关系的本构方程, 确定了合金的变形激活能为311.43 kJ·mol-1。
关键词：
Cu-Cr-Zr合金;热变形;流变应力;激活能;
中图分类号： TG146.11
作者简介：王庆娟 (1973-) , 女, 辽宁大连人, 博士, 教授;研究方向:高性能铜合金及钛合金 E-mail:jiandawqj@163.com;
收稿日期：2013-05-23
基金：国家自然科学基金项目 (51104113) 资助;
Hot-Compression Deformation Behavior of Cu-Cr-Zr Alloy
Wang Qingjuan Liu Feng Du Zhongze Wang Jingyi
School of Metallurgy Engineering, Xi'an University of Architecture & Technology
Abstract：
Hot compression deformation of Cu-Cr-Zr alloy was performed on Gleeble-3500 under conditions of strain rates of 0. 0001~ 0. 1000 s- 1and deformation temperatures of 25 ~ 700 ℃, and the flow stresses in different deformation conditions were investigated.The microstructure evolution and dynamic recrystallization nucleation mechanisms of Cu-Cr-Zr alloy were analyzed by using SEM and TEM. The results showed that the dynamic recrystallization occurred during hot compression deformation, and the flow stress was significantly affected by both deformation temperature and strain rate, the flow stress increased with the increase of strain rate and decreased with the increase of deformation temperature, which indicated that Cu-Cr-Zr alloy was a kind of positive strain rate sensitive material; when the temperature was 400 ~ 500 ℃, dynamic recrystallization occurred in the strain rate range of 0. 0001 ~ 0. 0010 s- 1, and dynamic recovery occurred in the strain rate range of 0. 01 ~ 0. 10 s- 1; based on the true stress-strain cures, the flow stress of CuCr-Zr alloy during high temperature deformation could be expressed by the hyperbolic- sine mathematics model, and hot compression deformation constitutive equation which described the relation among flow stress and strain rate and deformation temperature was completely established. The deformation activation energy was 311. 43 kJ·mol- 1.
Keyword：
Cu-Cr-Zr alloy; hot-compression deformation; flow stress; activation energy;
Received： 2013-05-23
铜合金因其具有强度高、塑性好、抗氧化、抗应力松弛、耐腐蚀、良好的导电、导热性能等一系列特点, 被广泛应用于电子、机械和国防等诸多领域[1,2,3]。随着我国对高性能铜合金需求量的急剧增加, 各企业、研究院所和高校对高性能铜合金的开发与应用进行大量的研究, 自主研发了一系列高性能Cu-Cr, Cu-Zr, Cu-Cr-Zr系合金, 并得到广泛应用。多年来, 国内外对Cu-Cr-Zr合金研究领域主要集中在热处理工艺、相关的室温力学性能、电学性能以及析出相组成和微观组织等方面。而高性能Cu-Cr-Zr合金长期在热辐射、热冲击和热交换极强的工况环境下服役, 高温下合金的变形行为, 将涉及到许多复杂的物理化学过程, 在常温下没有被激活的微结构在高温下不但凸现出来, 而且还会占主导的地位[4,5,6]。因此研究高温环境下CuCr-Zr合金的变形行为对实际生产中的设备运行和安全评估都具有十分重要的意义。由于目前对于铜合金热变形行为的研究, 主要是对纯Cu及CuCr, Cu-Al等铜合金[7,8]采用拉伸或压缩试验获得流变应力曲线, 进而根据不同的本构模型建立经验公式以满足工程要求。并且诸如Marmy等[9]学者研究了300℃时Cu-Cr-Zr合金的疲劳、蠕变和蠕变疲劳性能, 结果表明:疲劳和蠕变损伤不是简单的叠加, 而是强烈的交互作用, 目前的研究还不能完全阐明出现这些现象的机制。因此对Cu-Cr-Zr合金所特有的热变形行为进行系统深入的研究和全面的认识, 相关的研究工作具有重要的理论意义和应用价值。
本文选择Cu-Cr-Zr合金为对象研究其热压缩塑性变形行为, 获得流变应力数据并建立其本构方程, 对热变形机制进行了探讨, 以期为研究高温下Cu-Cr-Zr合金的疲劳、蠕变性能提供理论依据。
1 实验
实验用原材料为高纯电解铜 (99.9%) 、工业纯锆颗粒以及Cu-Cr中间合金, 用真空中频感应电炉制备了Cu-0.8Cr-0.1Zr合金铸锭, 铸锭尺寸为Φ135mm, 将铸锭加热保温后开始锻造, 锻造毛坯尺寸Φ123 mm, 将锻造毛坯锭子车至Φ117 mm~Φ118 mm, 加热进行挤压 (水封挤压) , 挤压毛坯尺寸为43.5 mm×14.7 mm, 合金化学成分见表1所示。实验用时效态合金为将热挤态合金在980℃固溶40 min然后在460℃时效4 h, 线切割加工成尺寸为Φ6 mm×9 mm的圆柱形试样。
表1 Cu-Cr-Zr合金化学成分Table 1 Chemical compositions of Cu-Cr-Zr alloy 下载原图
表1 Cu-Cr-Zr合金化学成分Table 1 Chemical compositions of Cu-Cr-Zr alloy
热压缩变形试验选用Gleeble-3500热模拟试验机, 试验开始时先抽真空防止材料被氧化, 为保证试样内部温度均匀, 升温至试验温度后保温3 min。实验结束后, 立即对试样进行水冷处理, 以保持变形组织形态。实验工艺参数如下:温度为25, 300, 400, 500, 600, 700℃;应变速率为0.1000, 0.0100, 0.0010, 0.0001 s-1;变形量为60%;加热速度为10℃·s-1。
2 结果与分析
2.1 Cu-Cr-Zr合金组织观察与分析
图1为Cu-Cr-Zr合金经980℃固溶40 min然后在460℃时效4 h处理后的显微组织和TEM组织, 从图1 (a) 可以看出, 经固溶-时效处理后合金组织呈等轴状, 晶粒尺寸达到20~40μm, 晶内和晶界仍有大量的未溶相, 图1 (b) 为图1 (a) 中标记A处的能谱, 可以分析得出大量未溶相为Cr相。图1 (c) 为Cu-Cr-Zr合金时效态TEM组织, 可看出, 在晶粒内部存在位错缠结, 细小的析出相 (如图1 (d) 箭头B所指为析出相的衍射斑点) 弥散分布在位错线及基体上, 因此合金的强化主要是析出相引起的应变场与位错交互作用的结果。由于析出相与位错的交互作用, 同时由于位错区域能量较高, 析出相倾向于位错处偏聚, 对位错起钉扎和阻碍作用, 不利于再结晶的形核和长大, 减缓了合金的回复和再结晶, 因此合金在460℃时效时析出相呈弥散、均匀分布。
2.2 Cu-Cr-Zr合金的真应力-真应变曲线
采用热压缩模拟实验研究了Cu-Cr-Zr合金在不同变形条件下的高温塑性变形行为, 试样在不同应变速率条件下的真应力-真应变曲线如图2所示, 可以看出, 该铜合金在热压缩时流变应力的总体变化规律是: (1) 变形温度和应变速率均对流变应力有显著的影响, 流变应力随着变形温度的升高和应变速率的降低而降低; (2) 在变形初始阶段, 应变速率由零增大至实验所需, 同时合金变形的硬化速率高于软化速率, 真应力随着变形量的增大而迅速增大, 出现明显的加工硬化效应; (3) 当变形量达到一定值时, 真应力的增幅随变形量的增大而减小, 即呈现出稳态流变特征, 在应力-应变曲线上表现为平行于横轴的直线, 说明该变形过程中合金材料的主要软化机制为动态回复; (4) 在低应变速率下, 当变形温度达到400~500℃时, 此时流变应力趋于平缓甚至呈下降趋势 (如图2 (c, d) ) , 图3是Cu-Cr-Zr合金在应变速率0.001 s-1, 400~500℃的温度范围内进行热变形后的金相组织, 条带状组织明显减少, 说明峰值应力的出现是动态再结晶的结果, 因此该变形过程中合金材料的主要软化机制为动态再结晶, 软化率随着变形速率的增加而降低, 说明对于Cu-Cr-Zr合金动态再结晶是在较高温度下进行的; (5) 在高应变速率下, 当变形温度为700℃时, 流变应力出现了明显的锯齿形波动 (如图2 (a) ) , 动态硬化与动态软化之间的交互作用越来越明显, 表现出与不连续动态再结晶相似的特征, 如图4所示, 合金在应变速率为0.1 s-1, 700℃热变形之后的金相组织呈等轴状, 说明合金发生了不连续动态再结晶。
图1 Cu-Cr-Zr合金时效态显微组织及其能谱分析和TEM组织及其电子衍射花样Fig.1 SEM image (a) , EDS analysis (b) , TEM image (c) and SAED pattern (d) of Cu-Cr-Zr alloy
在同一应变速率下, 流变应力随着变形温度的升高而降低, 当变形温度超过400~500℃时, 流变曲线的形状开始表现出动态再结晶的特征, 这是由于金属材料的高温变形为热激活过程, 随着温度升高, 位错密度达到发生动态回复和再结晶所需的临界密度, 促进了动态回复和再结晶的发生, 其软化作用抵消了塑性变形所产生的加工硬化效应;在外力作用下合金的热塑性作用增大, 导致内应力松弛, 金属变形抗力减小, 从而导致材料的强度、硬度降低, 流变应力下降[10,11,12,13,14]。另一方面, 当温度一定时, 流变应力随着应变速率的增大而增大, 说明Cu-Cr-Zr合金在该实验条件下具有正的应变速率敏感性, 这主要是因为应变速率增大, 完成再结晶形核长大的时间缩短, 动态再结晶得不到完全进行, 塑性变形进行得不充分, 合金变形的临界切应力提高, 并且位错增值率随着应变速率的增大而增大, 加工硬化作用更加明显, 因此流变应力随之增大。由此可见, Cu-Cr-Zr合金在较低变形温度及较高应变速率下, 流变曲线的软化不明显, 变形速率越慢, 铜合金发生动态回复和动态再结晶就越充分, 因而软化过程就越显著。与Cu-CrZr合金相比, 纯铜在相同条件下 (0.01~0.10 s-1, 600~700℃) 都出现了明显的应力峰值, 流变曲线的软化较为明显[7]。
图2 Cu-Cr-Zr合金在不同应变速率条件下的真应力-真应变曲线Fig.2Curves of true stress-true strain of Cu-Cr-Zr alloy at different strain rates
(a) 0.1000 s-1; (b) 0.0100 s-1; (c) 0.0010 s-1; (d) 0.0001 s-1
图3 Cu-Cr-Zr合金在应变速率为0.001 s-1、真应变为0.8时不同温度条件下的金相组织Fig.3 Effect of temperatures on microstructures of Cu-Cr-Zr alloy deformed to a nominal strain of 0.8 with strain rate of 0.001 s-1
(a) 400℃; (b) 500℃
图4 Cu-Cr-Zr合金在700℃、真应变为0.8、应变速率为0.1 s-1时金相组织Fig.4Microstructure of Cu-Cr-Zr alloy deformed to a nominal strain of 0.8 with strain rate of 0.1 s-1at temperature of 700℃
2.3 流变应力模型的建立
从合金真应力-真应变曲线的分析可知, 该Cu-Cr-Zr合金在热变形时流变应力与应变速率、变形温度之间存在明显的相互作用关系。因此有必要建立描述这些关系的流变应力模型, 从而优化该合金塑性成形的工艺参数以及精确控制变形工程的组织性能。
金属材料高温塑性变形时, 流变应力不仅受材料内部显微组织结构的影响 (如晶粒尺寸、化学成分、变形历史及热处理工艺等) , 还受热变形条件的影响 (如应变速率、变形温度和应变量等) 。因此, 材料高温变形过程中的流变应力可表达为 (1) 式[15]:
式中T为变形温度, 
为应变速率, ε为应变量, C为化学成分, S为内部显微组织结构。
研究发现金属材料高温塑性变形是热激活过程, 流变应力和应变速率可以用包含材料热激活能Q的双曲正弦本构关系模型来表达[16]:
式中:
为应变速率, A为结构因子, α为应力水平参数, σ为流变应力, n为应力指数, R为气体常数, T为变形温度, Q为热变形激活能, 又称动态软化激活能, 表示原子跃迁所需克服的能垒大小, 是反映材料变形难易程度的重要物理参量, 也反映出高温塑性变形时应变硬化与动态软化之间的平衡关系。
在低应力水平下, 流变应力和应变速率可以用指数函数来表达:
在高应力水平下, 流变应力和应变速率可以用幂指数函数来表达:
式中:A1和A2是常数;n1和β是材料常数。本文采用该模型来建立Cu-Cr-Zr合金在ε=0.2时的本构方程。
对式 (3) 和 (4) 两边取对数得:
运用Origin软件和一元线性回归处理, 得到
关系曲线, 如图5 (a) 所示, 
关系曲线如图5 (b) 所示。
由图3 (a) 可求出n1的平均值为33.73, 由图3 (b) 可求出β的平均值为0.1175。
图5 在不同温度条件下应变速率与流变应力的关系曲线Fig.5 Curves of relations of lnσwith lnε (a) andσwith lnε (b) at different temperatures
利用α=β/n1, 可求的α为0.003851。
热变形条件和流变应力的关系, 通过材料的温度补偿应变速率因子Zener-Hollomon参数 (简称Z参数) 来表达[17], 如式 (6) :
联立式 (2) 和 (6) , 取对数, 整理可得:
由式 (7) 可知, 当变形温度一定时,
当应变速率一定时,
联立式 (8) 和 (9) , 可得:
运用Origin软件和一元线性回归处理, 得到
关系曲线, 如图6 (a) 所示, ln[sinh (ασ) ]-1/T关系曲线如图6 (b) 所示。
由图4可求出应力指数n值为23.92, Q/Rn的值为1941.807。可求得热激活能Q=311.43 k J·mol-1。
由式 (2) 和 (7) 可得:
将不同变形温度下的应变速率和所求得的热激活能Q代入 (9) 式, 求得不同的Z值。运用Origin软件和一元线性回归处理, 得到ln Z-ln[sinh (ασ) ]关系曲线, 如图7所示, 求得该直线的截距为ln A=53.54313, 则材料常数A值为1.79×1023。
图7 ln Z-ln[sinh (ασ) ]关系曲线Fig.7 Curve of relation of ln Z with ln[sinh (ασ) ]
综上所述, 将所求得的结构因子A, 应力水平参数α, 应力指数n, 热激活能Q代入 (2) 式, 可求得该合金的应力-应变速率关系方程:
3 结论
1.在同一应变速率条件下, 变形温度对CuCr-Zr合金的真应力-真应变影响较为显著:在变形初始阶段, Cu-Cr-Zr合金的真应力迅速增大至稳态;随着变形温度的升高, 流变应力逐渐降低, 峰值应力所对应的应变量也逐渐减小。在同一变形温度条件下, 流变应力随着应变速率的升高而增大。
2.用线性回归的方法计算出了Cu-Cr-Zr合金高温变形的四个特征常数:应力水平参数α=0.003851 MPa-1, 应力指数n=23.92, 变形激活能Q=311.43 k J·mol-1, 结构因子A=1.79×1023s-1;合金的流变应力本构方程为:
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