简介概要

15%SiC_p/2009A1复合材料的热变形行为及加工图

来源期刊：稀有金属2016年第8期

论文作者：魏少华聂俊辉刘彦强左涛马自力樊建中

文章页码：770 - 775

关键词：SiCp/Al复合材料;加工图;热变形;流变失稳;

摘要：为了研发高性能颗粒增强铝基复合材料,采用Gleeble-3800热模拟试验机,研究了粉末冶金15%SiC_p/2009A1复合材料在变形温度为370⁵20℃、应变速率为0.01¹0.00 s-1条件下的高温变形特性。结果表明,当变形速率一定时,该复合材料的流变应力随变形温度升高而降低;当变形温度一定时,复合材料的流变应力随应变速率增大而提高。采用动态材料模型建立了15%SiC_p/2009A1复合材料的热加工图。热加工图表明,在较高应变速率区域(2.00¹0.00 s^-1),出现流变失稳,有少量颗粒—基体界面开裂和SiC颗粒本身破碎。该复合材料的动态再结晶区域位于加工图的较低应变速率区域(<1.00 s^-1),功率耗散率值较为适中,为0.24⁰.35,此时材料具有良好的塑性,适合进行热加工变形。综合加工图以及微观组织观察结果,获得了复合材料热变形的最佳工艺参数:变形温度为450⁴90℃、应变速率为0.01⁰.10 s^-1。

网络首发时间: 2015-05-07 10:22

稀有金属 2016,40(08),770-775 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2016.08.005

15%SiC_p/2009A1复合材料的热变形行为及加工图

魏少华聂俊辉刘彦强左涛马自力樊建中

北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心

摘要：

为了研发高性能颗粒增强铝基复合材料,采用Gleeble-3800热模拟试验机,研究了粉末冶金15%SiC_p/2009A1复合材料在变形温度为370~520℃、应变速率为0.01~10.00 s-1条件下的高温变形特性。结果表明,当变形速率一定时,该复合材料的流变应力随变形温度升高而降低;当变形温度一定时,复合材料的流变应力随应变速率增大而提高。采用动态材料模型建立了15%SiC_p/2009A1复合材料的热加工图。热加工图表明,在较高应变速率区域(2.00~10.00 s^-1),出现流变失稳,有少量颗粒—基体界面开裂和SiC颗粒本身破碎。该复合材料的动态再结晶区域位于加工图的较低应变速率区域(<1.00 s^-1),功率耗散率值较为适中,为0.24~0.35,此时材料具有良好的塑性,适合进行热加工变形。综合加工图以及微观组织观察结果,获得了复合材料热变形的最佳工艺参数:变形温度为450~490℃、应变速率为0.01~0.10 s^-1。

关键词：

SiCp/Al复合材料;加工图;热变形;流变失稳;

中图分类号： TB333

作者简介：魏少华(1983-),男,河北石家庄人,博士研究生;研究方向:金属基复合材料;E-mail:weishaohua666@163.com;;樊建中,教授;电话:010-60662691;E-mail:jzfan@grinm.com;

收稿日期：2014-01-15

基金：国家科技部重点基础研究发展计划项目(2012CB619606);国家科技部高技术研究发展计划项目(2013AA031201)资助;

Hot Deformation Behavior and Processing Map of 15%SiC_p/2009A1 Composites

Wei Shaohua Nie Junhui Liu Yanqiang Zuo Tao Ma Zili Fan Jianzhong

National Engineering Technology Center for Nonferrous Metal Composites,General Research Institute for Nonferrous Metal

Abstract：

In order to develop high performance particle reinforced aluminum matrix composites,the hot deformation characteristics of15% SiC_p/2009A1 composites fabricated by powder metallurgy route were studied by thermal compaction testing on Gleeble-3800 hotsimulation machine at temperature of 370 ~ 520 ℃ and strain rate of 0. 01 ~ 10. 00 s^-1. The results showed that the flow stress decreased with the deformation temperature increasing at a constant strain rate,and increased with the strain rate increasing at a constant temperature. The processing maps of 15% SiC_p/2009A1 composites were developed on the basis of dynamic material model. The processing maps presented unsteady zones at high strain rate( about 2. 00 ~ 10. 00 s^-1). There were a few separated interfaces of particlematrix and the cracked Si C particles themselves. The dynamic recrystallization region of the composite was located in the lower strain rate region( < 1. 00 s^-1),where the power dissipation rate was relatively moderate,which was 0. 24 ~ 0. 35,and the material had a good plasticity which was suitable for thermal deformation. On the base of the experimental results including processing map and microstructure,the optimum hot deformation condition of the composites attained by the maps were as follows: the temperature of 450 ~ 490℃ and the strain rate of 0. 01 ~ 0. 10 s^-1.

Keyword：

SiCp/ Al composites; processing map; hot deformation; flow instability;

Received： 2014-01-15

颗粒增强铝基复合材料由于具有高比强度、高比刚度和尺寸稳定性好等优点,在航空、航天、汽车等工业领域得到了广泛应用 ^[1,2,3,4] 。然而由于无论是铸造法还是粉末冶金法制备的这类材料坯料都存在塑性较差,热加工成形过程中容易出现开裂、颗粒断裂和界面脱粘等情况,所以通过研究其高温成形性能来确定合理的热加工工艺,对改善其热加工成形性能具有重要意义。众多学者 ^[5,6,7,8,9] 基于动态材料模型建立了复合材料的加工图,确定材料不同微观变形机制所在的区域和失稳变形区域,优化材料热加工工艺参数,并通过相关热变形试验成功验证了加工图的有效性。本文以15%Si C_p/2009A1复合材料的热模拟试验为基础,研究了变形工艺参数对复合材料高温变形时流变应力的影响,根据动态材料模型,建立了复合材料高温变形时的加工图,确定了复合材料最佳热加工工艺参数,从而为该复合材料的热挤压、锻造和热轧等塑性变形提供理论指导。

1 实验

所用复合材料采用粉末冶金+热等静压方法制备。基体合金选用2009Al,粉末平均粒度为10μm,其主要合金元素Cu,Mg含量分别为4%,1%;增强体选用平均粒度为5μm的α-Si C颗粒,体积分数含量为15%。首先将铝合金粉末和Si C颗粒在混料机中机械混合,随后将均匀混合后的复合粉末冷等静压成型为粉末坯锭,冷等静压工艺为:200 MPa,保压0.5 h,冷压坯锭经过真空除气后进行热等静压致密化,热等静压工艺为:在560℃保压2 h,压力为150 MPa。

从复合材料热等静压坯锭上线切割并机加工成Φ10 mm×12 mm的圆柱形压缩试样,利用Gleeble-3800热模拟试验机进行高温压缩变形试验,变形温度分别为370,400,430,460,490和520℃,应变速率分别为0.01,0.10,1.00和10.00 s^-1,真应变为0.6,升温速率为5℃·s^-1,保温时间为3 min。压缩前在试样两端贴上石墨片,以减少压头与试样间的摩擦力对应力状态的影响。压缩变形完成后立即淬水,以便保留高温微观组织。压缩过程中,由Gleeble-3800热模拟试验机的计算机系统自动采集应力、应变、温度等数据,并绘制出真应力-真应变曲线。

用线切割将变形后的试样沿压缩轴向对半分开,试样经磨制和抛光后,用ZEISS Axiovert 200MAT光学显微镜(OM)进行金相观察,用HITACHI S-4800型场发射扫描电镜(SEM)进行微观组织形貌观察,透射观察在JEM-2000FX分析型透射电子显微镜(TEM)上进行。

2 结果与讨论

2.1 应力-应变曲线分析

图1为15%Si C_p/2009A1复合材料在应变速率为0.10 s^-1、不同变形温度和变形温度为490℃、不同应变速率的高温压缩变形典型真应力-应变曲线。从图1中可以看出,复合材料有典型的稳态流变特征。在变形初期,复合材料的加工硬化现象明显,即流变应力随变形程度的增加而显著增加,达到一个峰值。随着变形程度的继续增加,由于动态再结晶的软化作用把加工硬化所抵消,复合材料的流变应力有一定程度的降低然后保持恒值,形成稳态流变。复合材料的流变应力对应变速率十分敏感,即在相同变形温度下,随着应变速率的增加,复合材料的稳态流变应力显著升高。当应变速率大于0.10 s^-1时,真应力-应变曲线会出现明显的波动现象,这是不连续再结晶的体现。在高温压缩变形过程中,基体合金变形时受到不可变形的Si C颗粒约束作用,在颗粒—基体界面附近会发生应变,并由此产生较高密度的位错,这不仅为再结晶形核提供了理想位置,也增加了基体合金的回复程度,加工硬化现象得到减弱。

图1 15%Si Cp/2009Al复合材料典型真应力-应变曲线Fig.1Typical true stress-true strain curves of 15%Si Cp/2009Al composite

(a)Different temperatures with rate of 0.10 s^-1;(b)Different strain rates at temperature of 490℃

2.2 复合材料加工图建立及分析

2.2.1 加工图基础理论

加工图理论是依据动态材料模型,以不可逆热力学为基础来描述材料热变形过程中能量消耗和组织变化之间关系的一种材料分析方法。材料在热变形过程中流变应力σ与应变速率ε的关系可表示为 ^[10] :

式中K为常数;m为应变速率敏感指数。

材料在热变形过程中单位体积内所吸收的功率P可分为耗散量G和耗散协变量J两部分 ^[11] ,表示为:

式中G是由塑性变形引起的功率消耗,其大部分转化成粘塑性热。耗散协变量J是与材料变形过程中组织变化有关的功率消耗。J可表示为:

在给定应变ε和温度T条件下,应变速率敏感指数m定义为耗散量G和耗散协变量J的变化率,即:

功率耗散效率η是一个无量纲参数,与材料在热变形过程中的微观组织变化相关,并且可以用来控制材料在热变形后的微观组织。功率耗散效率η可以表示为:

功率耗散效率η是应变ε、应变速率ε和温度T的函数,功率耗散图是由在应变速率ε和温度T所构成的二维平面上绘出的等功率耗散效率因子的轮廓曲线所构成。它反映了材料在热变形过程中的功率耗散特征。

流变失稳参数ξ(ε)是变形温度T和应变速率ε的函数,流变失稳判据图是由在ε和T所构成的二维平面上绘出的失稳判据参数的等高线所构成。当ξ(ε)为正值时,材料变形处于稳态流变;为负值时,材料变形处于流变失稳状态,说明材料不适合在此条件下变形。流变失稳参数ξ(ε)可表示为 ^[12] :

将上述所得到的功率耗散图和流变失稳图叠加,便得到材料的加工图。

2.2.2 加工图及分析

采用15%Si C_p/2009Al复合材料高温压缩热变形试验数据,绘制出不同变形温度下流变应力lnσ与应变速率lnε之间的关系。图2为复合材料的流变应力lnσ与应变速率lnε之间的关系曲线(ε=0.6),从图2中可以看出,当变形温度一定时,复合材料流变应力lnσ与应变速率lnε之间满足线性关系。

根据已定的应变量ε和应变速率ε,采用3次样条函数拟合lnσ与lnε的函数关系,由式(5)计算得出不同变形温度和应变速率下的功率耗散效率因子η值,绘制出功率耗散效率图(如图3所示)。由流变失稳判据计算公式(式(6)),计算得到在不同变形温度和应变速率下的ξ(ε)值,绘制出流变失稳图(如图4所示)。将功率耗散效率图和流变失稳图叠加得到材料的加工图(如图5所示)。

图5所示为真应变为0.6时复合材料的加工图。图5中等值轮廓曲线表示功率耗散效率因子值,白色区域为安全加工区,阴影部分为流变失稳区。图5中存在2个流变失稳区:第1个区域是变形温度为370~440℃、应变速率为1.00~10.00s^-1的区域;第2个区域是变形温度为500~520℃、应变速率为2.00~10.00 s^-1的区域。由此可见,在高应变速率下复合材料容易出现流变失稳,通常这种条件下的变形会发生颗粒或界面开裂与不稳定变形,如出现绝热剪切带 ^[13,14] 等,不利于进行热加工变形。

图2 1 5%Si Cp/2009Al复合材料lnσ与lnε之间的变化关系Fig.2 Relationship between lnσand lnεof 15%Si Cp/2009Al composite(ε=0.6)

图3 15%Si Cp/2009Al复合材料的功率耗散图Fig.3 Power dissipation map of 15%Si Cp/2009Al composite(ε=0.6)

图4 15%Si Cp/2009Al复合材料的失稳图Fig.4 Instability map of 15%Si Cp/2009Al composite(ε=0.6)

图5 15%Si Cp/2009Al复合材料的加工图Fig.5 Processing map of 15%Si Cp/2009Al composite(ε=0.6)

图5中下部为动态再结晶区域,温度范围在450~490℃、应变速率为0.01~0.10 s^-1,功率耗散率值较为适中,为0.24~0.35。复合材料在此区域内进行塑性加工具备良好的塑性变形能力与稳定的流变应力,因而具有较好的加工性能,该区域为复合材料的最佳热加工区域。

图6为在变形温度370℃、应变速率为10.00s^-1时的SEM照片。结合图5和6可以看出,在此变形温度和应变速率时对应加工图上的失稳区域,其微观组织中出现明显裂纹,有少量Si C颗粒—基体界面开裂(图6箭头所指区域),以及少数Si C颗粒发生破碎(图6圆圈所指区域)。这是由于材料在较高应变速率变形时,在增强体颗粒周围容易形成高密度位错区,产生应力集中,当应力高度集中到一定程度后,形成微裂纹,致使颗粒—基体界面开裂或增强体破碎 ^[15] 。

图7为在变形温度460℃、应变速率为0.10s^-1时的TEM照片。从图7中可以看出,Si C颗粒与铝基体之间界面结合良好,且在Si C颗粒附近存在大量的位错,有助于提高基体合金动态再结晶的形核率,促进基体合金动态再结晶的发生,并且此变形条件处于加工图中的安全区域内(如图5所示)。

图8为在变形温度490℃、应变速率为0.01s^-1时的金相组织。从图8中可以看出,材料微观组织为再结晶组织,但其再结晶晶粒大小不均匀,在Si C颗粒偏聚区域,再结晶晶粒较细小,而Si C颗粒相对稀疏的区域再结晶晶粒尺寸较大。Si C颗粒周围的铝基体发生局部变形,产生较大的变形储能,位错密度很高,使得基体合金动态再结晶形核率增大,有利于发生动态再结晶。动态再结晶不仅可以使变形过程中产生的位错得到释放,从而改善材料的热加工性能,而且可以改善材料的微观组织、提高力学性能 ^[16] 。