（材料学专业论文）含铒al57wt﹪mg合金高温变形行为及微观组织研究.pdf

摘要 摘要 本文采用热模拟机压缩试验研究含铒a 1 5 7 w t m g 合金的高温变形行为， 并对应于不同高温变形特征的微观组织进行了深入的分析，揭示了变形温度、变 形速率对流变应力的影响，基于动态材料模型建立了合金的热加工图，结合动力 学参数和加工图分析了含铒a 1 5 7 w t m g 合金高温变形机制，得到如下结论： 变形速率对含铒舢5 7 w t m g 合金的流变应力的影响显著。流变应力随温度 的降低而增大，应变速率高于1 0 s 以时，真应力应变曲线出现软化，在其他应变 速率下则呈稳态流变。 建立了含铒砧5 7 w t m g 合金高温变形本构方程。在3 0 0 5 0 0 ，应变速率为 0 0 0 1 1 0 s 1 时合金的流变行为可以用含z e n e r 参数的指数方程来表征，预测误差不 超过9 含铒a 1 5 7 w t m g 合金高温变形中析出弥散分布的含铒相粒子抑制动态再 结晶，变形过程中发生动态回复行为，回复机制主要是位错的滑移，可以用 z e n e r - h o l l o m o n 参数表征热变形组织变化。亚晶尺寸与z e n e r - h o u o m o n 参数存 在以下关系：l d = 1 7 4 0 8 8 + 0 0 8 6 3 3 1 n z 。 建立了含铒a 1 5 7 w t m g 合金加工图。加工图上出现两个发生完全动态回 复区域：( 1 ) 3 5 0 4 5 0 。c 和0 0 0 1 0 0 3 s 一( 2 ) 4 5 0 5 0 0 。c 和0 0 1 i s 一。加工图上两个发生 完全动态回复的区域变形激活能分别为1 8 0 k j r n o l 和1 6 3 k j m o l ，相应的速率控制 机制为位错交滑移和晶格自扩散。应变速率高于1 0 s 以时出现流变失稳，在低温变 形时呈现带状局部变形，高温变形呈现动态回复和局部动态再结晶的混合组织。 基于加工图对合金生产工艺进行初步设计，在低速率完全动态回复区拌1 适 合采用水压机加工大型盘类件；在高温完全动态回复区撑2 适合选择热轧开坯、 挤压和锤锻；在温度区间3 8 0 4 5 0 、速率区间0 1 3 s 以内进行挤压轧制变形，可 获得较高的强度。 关键词a i - m g 合金；高温变形；加工图；动态回复；稀土元素e r a b s t r a c t a b s t r a c t h o td e f o r m a t i o nb e h a v i o ro fa na 1 5 7 w t m ga l l o yw i t he r b i u mh a sb e e n s t u d i e d ，a n dt h em i c r o s t r u c t u r ec o r r e s p o n d i n gt ov a r i o u sc h a r a c t e ro fd e f o r m a t i o n b e h a v i o rh a sa l s ob e e ni n v e s t i g a t e dt h o r o u g h l y t h ee f f e c to ft e m p e r a t u r ea n ds t r a i n r a t eo nt h ef l o ws t r e s si so b t a i n e d p r o c e s s i n gm a p so ft h ea l l o ya r ed e v e l o p e db a s e d o nd y n a m i cm a t e r i a l sm o d e l ，a n dt h es t a n d a r dk i n e t i ca n a l y s i sh a sb e e na p p l i e dt o e v a l u a t et h er a t ec o n t r o l l i n gm e c h a n i s m s t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa r ed r a w n ： s t r a i nr a t ea f f e c t st h ef l o wc u r v e sd i s t i n c t l y a tl o ws t r a i nr a t e t h e y o r e c h a r a c t e r i z e db ys t e a d ys t a t ef l o wb e h a v i o r ，w h e nt h es t r a i nr a t ei sh i g h e rt h a n10 s ， t h ef l o wc u r v e se x h i b i tf l o ws o f t e n i n g t h ef l o wb e h a v i o ro fa 1 5 7 w t m ga l l o yw i t he r b i u md e f o r m e di n t h e t e m p e r a t u r er a n g eo f3 0 0 - 5 0 0 ca n ds t r a i nr a t er a n g i n gf r o mo 0 0 1t o1 0s uc a nb e e x p r e s s e d 蠲t h ee x p o n e n t i a le q u a t i o nw i t ht h ez e n e r - h o l l o m o np a r a m e t e r t h e p r e d i c t e de r r o ri sl e s st h a n9 p a r t i c l e sw i t l le rf o r m e di nt h ed e f o r m a t i o np r o c e s sr e s t r a i nd y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o na n dt h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s mi sc r o s s - s l i po fd i s l o c a t i o n s t h e a v e r a g es u b g r a i ns i z ev a r i e sl i n e a r l yw i t ht h ez e n e r - h o l l o m o np a r a m e t e r 。 l d = 1 7 4 0 8 8 + 0 0 8 6 3 3 l i 亿 p r o c e s s i n gm a p so fa 1 5 7 w t m ga l l o yw i t l le r b i u mw e r ed e v e l o p e d t h e p r o c e s s i n gm a p sh a v ee x h i b i t e dt w od o m a i n so f ( 1 ) 3 5 0 - 4 5 0 a t0 0 0 1 - 0 。0 1s “a n d ( 2 ) 4 5 0 5 0 0 。c a to 0 1 - 1s ，w h e r ed y n a m i cr e c o v e r yo c c u r sc o m p a r a t i v e l y t h e a p p a r e n ta c t i v a t i o ne n e r g ya r e 18 0 k j m o la n d16 3 k j t o o li nd o m a i n s 群2a n d 捍1 r e s p e c t i v e l y , a n dt h ec o r r e s p o n d i n gr a t ec o n t r o l l i n gm e c h a n i s ma r ec r o s s s l i p o f d i s l o c a t i o na n dl a t t i c es e l f - d i f f u s i o n f l o wi n s t a b i l i t yo c c u r sa ts t r a i nr a t eh i g h e rt h a n 10 s ，d e m o n s t r a t i n gf l o wl o c a l i z a t i o na tl o w e rt e m p e r a t u r ea n dm i x e dm i c r o s t r u c t u r e o fl o c a ld e f o r m a t i o na n dd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o na th i g h e rt e m p e r a t u r e h o tw o r k i n gp r o c e s si so p t i m i z e db a s e do np r o c e s s i n gm a p s i nd o m a i n # 1 w h e r ed y n a m i cr e c o v e r yo c c u r sc o m p a r a t i v e l y ，l a r g e s c a l ew o r k p i e c ew a ss u i t e dt o p r o c e s so nt h eh y d r a u l i cc o m p r e s s o r i nd o m a i n # 2w h e r ed y n a m i cr e c o v e r yo c c u r s c o m p a r a t i v e l y ，i ti ss u i t e dt oh o tr o l l i n g ，e x t r u d i n ga n dd r o pf o r g i n g i no r d e rt oo b t a i n l l i g hs t r e n g t h ，t h eh o tr o l l i n ga n de x t r u d i n gs h o u l db ep r o c e s s e d 谢t l lat e m p e r a t u r e r a n g eo f 3 8 0 - 4 5 0 a n ds t r a i nr a t er a n g e0 1 3s k e yw o r d s ：a 1 - m ga l l o y ；h o tw o r k i n g ；p r o c e s s i n gm a p s ；d y n a m i cr e c o v e r y ； r a r ee a r t he r b i u m i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名重! 望日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：墨囝尘导师签名：日期： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1a 1 m g 合金概述 a 1 m g 合金是中等强度的铝合金，m g 是主要的合金元素，能显著提高铝的强 度但又不会使其塑性过分降低，它在铝中最大固溶度可达1 7 4 ，随温度降低迅 速减小。但由于析出相形核困难，析出颗粒大，合金的时效强化效果差，不能通 过热处理进行强化。当镁含量大于3 5 时，第二相在晶界沉淀，从而使合金产生 晶间裂纹及应力腐蚀的倾向【l j 。因此工业常用的5 x x x 系合金中，镁含量一般不超 过5 5 。铝镁合金中一般添加锰，锰能提高合金的稳定性。锰含量小于1 0 时， 提高合金强度的能力比镁大一倍，同时锰可使含镁相均匀沉淀，提高合金的抗蚀 性。铝镁合金中添加微量的s c 、z r 后形成的细小、弥散、与基体共格的析出相 钉扎亚晶界，使再结晶起始温度提高至1 j 4 0 0 ，但s c 、z r 价格非常昂贵，目前添 力i ：i s c 、z r 的铝镁合金在航天工业上有应用。 在5 x x x 系铝合金中，铬的作用与锰的相似，提高抗应力腐蚀开裂，提高基 体金属和焊缝强度，降低焊接裂纹倾向，但其含量一般不超过0 3 5 ，否则，铬 会与其他合金元素或杂质诸如锰、铁、钛等形成粗大的中间金属化合物，降低合 金的成型性能与断裂韧性。铬的扩散速度低，在压力加工过程中形成细小的分散 相，能抑制晶核形成和晶粒长大，因此可用铬控制合金的显微组织。 向镁含量高的a 1 m g 合金中加入0 0 0 0 1 - - 一0 0 0 5 b e ，能降低熔炼烧损，减 少铸锭的裂纹倾向、改善板材的表面质量【2 】。钛能细化合金的晶粒，铁、硅、铜、 锌为杂质元素，应严格控制在标准规定的范围内。 5 x x x 系铝合金半连续铸造过程中，当熔融的金属凝固成铸锭时，由于快速 冷却和非平衡结晶的结果，常在铸锭中造成偏析。随着m g 含量增加，这种偏析 趋势加剧。由于各种偏析和晶界及枝晶网络间存在的低熔点共晶组织和金属间化 合物，这不仅需要对5 系铝合金半连续铸锭进行均匀化退火，而且需确保均 匀化退火炉炉膛温度均匀，偏差最好不要超过士1 0 * c ，以便消除晶内偏析及区域 偏析、铸锭内应力，改善热塑性、提高热加工性能。 1 2 稀土元素在铝合金中的作用 稀土在铝合金中的作用主要有三种【3 j ：( 1 ) 变质作用。稀土对铸造铝硅合金具 有细化作用和变质作用，加入适量稀土元素，能够有效减小铝合金的枝晶间距， 细化铸态晶粒。( 2 ) 净化作用。稀土元素具有很高的化学活性，与h 2 、f e 、s 等 杂质元素具有很强的化学亲和力，可以与各种杂质元素形成化合物，从而消除有 害杂质的影响。( 3 ) 合金化作用。稀土元素及其形成的金属间化合物作为第二相 能增加铝合金的强韧性，提高铝合金的机械性能和耐蚀性能。 第1 章绪论 在铝合金中加入微量稀土元素，可以显著改善铝合金的性能1 4 j 。在铝镁合金 中加入稀土c e 可以细化晶粒，晶界面积增加，增强宏观韧性，使合金的疲劳 寿命大大增加。将l a 加入到高m g 铝合金中，可显著提高合金的抗海洋腐蚀能 力和其它性能【5 j 。a 1 m g 合金中加入s c 元素，形成与基体共格的a 1 3 s c ，可以强 烈抑制合金的再结晶。向铝镁合金中复合添加s c 和z r ，形成弥散分布的a 1 3 ( s c ， z r ) 粒子，初生a 1 3 ( s c ，z r ) 具有极强的晶粒细化作用，次生a 1 3 ( s c ，z r ) 质点抑制 合金的再结晶能力更为强烈，其亚结构强化和自身的析出强化作用非常显著 6 1 。 添加稀土元素e r 可以有效的细化晶粒。在a 1 m g 二元合金中当e r 的添加量不超 过0 2 5 时，e r 主要以过饱和固溶体形式存在，这种过饱和固溶体很不稳定， 在凝固过程中又以细小的硝3 e r 形式析出，还有部分e r 在凝固过程中聚集在晶 界或枝晶间，部分e r 可能形成少量的a 1 3 e r 化合物；当e r 含量超过0 2 5 时， 除一部分e r 溶于基体外，大部分e r 与铝形了a 1 3 e r 化合物，这些化合物作为非 均质形核的核心分布在晶内，还有部分最后凝固的e r 形成了共晶化合物，分布 在晶界【7 1 。 1 3 含铒铝合金研究现状 添加稀土元素是改善和提高铝合金性能的有效途径之一。目前，s c 是公认的 对铝合金的改性作用最为显著的稀土元素，从6 0 年代开始进行研究，在8 0 年代 得到发展。但其价格昂贵，因此，寻找一种与s c 的改性作用相类似甚至更优良 且价格低廉的稀土元素来代替或者部分代替s c 具有重要的实际意义。北京工业 大学生态环境材料课题组首次发现稀土元素e r 具有与s c 相类似的积极作用，并 对此进行了大量有益的探索。向铝合金中添加稀土元素e r 可以在凝固过程中形 成纳米级的、与基体共格的a 1 3 e r 粒子l 8 j 。该相与a 1 3 z r 和a 1 3 s c 等同属于p m 3 m 空间群( l 1 2 型) ，与铝的结构类似，其晶格参数( a _ 0 4 2 1 5 n m ) 也接近于a l ，它们 与基体共格，可作为形核核心，提高形核率，还可以阻碍枝晶长大，有效细化晶 粒。e r 在a l 中形成过饱和固溶体，因此在随后的热处理和加工过程中将从机体 中析出次生弥散分布的a 1 3 e r 相，钉扎位错和亚晶界从而提高合金的强度。前期 的研究在纯铝、a 1 m g 、a 1 一z n - m g 、1 4 2 0 a i l i 等合金中得到验证。研究表明，e r 的添加量为0 2 w t 时，1 4 2 0 合金的晶粒组织明显细化，力学性能明显提高，耐 腐蚀性明显改善一j 。另外，e r 对工业纯铝具有显著作用，e r 含量低于0 4 w t 时， 对实验合金的铸态晶粒尺寸几乎没有影响，但可明显减少枝晶间距，当e r 含量 达0 4 w t 及以上时，晶粒细化效果非常显著【l o j 。对于a 1 4 5 m g 0 7 m n 0 1 z r 合 金，e r 能较明显的提高合金的强度，添加0 4 e r 可提高赳- 4 5 m g 0 7 m n 0 1 z r 合金的自腐蚀电位和降低腐蚀电流密度，并有效降低剥落腐蚀和点蚀的敏感性 i n 。在l f 3 合金中，稀土e r 的存在使合金凝固时固液界面溶质再分配造成的过 2 第1 章绪论 冷度增大，从而使l f 3 铝合金中的共晶化合物更细小，分布更均匀【1 2 】。e r 对 趾z n m g 合金的作用显著，添加0 4 e r 后，冷轧态抗拉强度和屈服强度都提高 了1 0 0 m p a 左右【1 3 1 。 1 4 材料高温流变本构模型研究的基本理论 合金的高温变形行为的研究可以为制定合金的轧制、挤压、锻压等热加工工 艺提供指导，但材料的热加工过程是一个极其复杂的高温、动态、瞬时过程，通 常用流变应力与应变速率和变形温度之间的关系来描述合金的高温流变行为，借 助物理模拟试验并结合变形组织探讨宏观变形条件与微观组织的对应关系。金属 高温变形的流变曲线有图1 1 中几种特征u 4 1 。 真 应 力 c 。 真应变 图1 - 1 高温变形流变曲线特征 f i g 1 1t h ec h a r a c t e ro f f l o wc u r v e si nh i g ht e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o n 曲线1 表示材料在高温变形中只发生了动态回复。曲线分为三个阶段，第一 阶段是微应变阶段，曲线很快上升，斜率很大，表明有很强的加工硬化作用。第 二阶段斜率逐渐减小，加工硬化率逐渐降低。表明已发生动态回复，加工硬化部 分地被动态回复引起的软化所抵消。第三阶段曲线接近一水平线，加工硬化率趋 近于零，进入稳态流变阶段，加工硬化作用几乎完全被动态回复软化作用所抵消， 在恒应力下可持续变形。这也表明变形过程中引起的位错密度的增加已被回复过 程引起的位错密度减少所抵消。 曲线2 和3 表示发生了动态再结晶。其中曲线2 表示高应变速率下的变形， 曲线分为三个阶段，第一阶段是尚未发生动态再结晶的加工硬化阶段，第二阶段 是发生部分动态再结晶阶段，此时应变达到发生动态再结晶所要求的临界变形 量。随应变的增加，曲线斜率逐渐减小。应变升至最大值后，曲线开始下降，这 表明动态再结晶在逐渐加剧。第三阶段是完全动态再结晶阶段，加工硬化和动态 再结晶软化已达到平衡，曲线接近水平，流变应力接近恒定值，达到稳态变形。 曲线3 表示低应变速率下的变形，曲线后面出现波浪形，这是由于反复出现 第1 章绪论 动态再结晶变形动态再结晶这种软化硬化多次交替进行的结果。描述不同曲线 特征需要不同本构方程。 1 4 1 材料高温变形研究方法 目前，研究材料热变形的试验手段有拉伸法、压缩法、扭转法、轧制法等， 其中前三种方法比较常用。 拉伸试验模拟单向拉伸应力状态，常用于模拟拉拔加工过程。其断面收缩率 可以反映材料在简单应力状态下的高温塑性，但应变速率范围通常局限在1 0 1 ， 同时由于拉伸颈缩的存在，平均等效应变速率随拉伸出现异常升高，流变应力值 也出现相应的异常变化，难以精确评价应变及应变速率对流变应力的影响，变形 条件与组织、性能之间的关系及变形和软化机制的研究难度也因颈缩区的出现而 增大。 压缩试验分为平面应变压缩和单向压缩试验，其中，平面应变压缩试验模拟 板材轧制和各向同性材料的变形，但由于外端的影响，流变应力值比实际值偏高。 另外，摩擦条件和侧鼓形状的不确定性和几何软化现象的出现等使其不太适用于 热变形本构关系的研究；单向压缩试样一般用来模拟挤压和锻压加工过程，可以 在较大的应变速率范围内测定材料在热变形时的真应力真应变曲线，但工具与 模具之间存在摩擦，当应变超过一定应变值时样品出现腰鼓、侧翻等不均匀变形， 试样由单向应力状态转化为三向应力状态，影响真应力的真实性，通常在试样与 夹具之间垫石墨片来减少摩擦对变形的影响，但为获得精确的真应力数值，必须 对变形前后的试样进行尺寸测量进行摩擦校正。 扭转试验主要模拟材料在大变形条件下的流变成型特征。最大的优点是材料 可在恒应变速率和大应变范围内变形而不发生失稳。其不足之处是变形时应力、 应变和应变速率沿半径方向呈线性变化，对试验数据的解释比较困难。 1 4 2 材料高温变形本构模型 材料的流变应力与宏观热力学参数之间的函数关系即本构关系，是联系塑性 加工过程中材料的动态响应与热力学参数的媒介，是用数值分析方法对金属塑性 加工过程进行数值模拟的前提。 金属在高温变形中会经历加工硬化、动态回复或动态再结晶等过程，各种变 形机制的内在作用决定着材料的高温变形特点【1 5 1 ，使流变曲线表现出不同的特 征。流变应力是研究材料高温变形最重要的一个参数，是联系加工过程中材料的 动态响应与热力参数的媒介。影响流变应力的因素主要有变形温度、变形速率、 变形量及材料等。可以用以下关系表征各因素对流变应力的影响【1 6 j 。 4 第1 章绪论 t 7 = ( x ，t ，s ，舌，f )( 1 - 1 ) 式中x 金属的化学成分和组织，质量分数 t 变形温度 营变形速率 变形程度 t 相邻加工道次时间间隔 各因素对变形阻力的影响也可以用增量法表示 1 7 】： d o ：塑d x + 塑出+ 塑d u + 孚d 6 + 一o c t d f ( 1 2 ) i ka ta 言 a s o r 式中第一项是化学成分对流变应力的影响，第二项是变形温度对流变应力的 影响，第三项是考虑变形速度对流变应力的影响，第四项是变形程度对流变应力 的影响，第五项是考虑变形历史对流变应力的影响。 但上述方程的求解是非常困难的，一般是在获得各种因素对流变应力影响的 基础上，采用线性回归的方法得到其影响系数的值。 在实际的热加工过程中，材料的化学成分不发生变化，在研究材料高温变形 本构方程时，可按材料常数处理，式( 1 1 ) 可简化为 仃= f ( t ，s ，营)( 1 3 ) 材料的高温变形存在热激活过程，因此在建立本构模型时，除了考虑变形速 率、变形温度和变形量的影响，还要考虑到热激活的影响和位错运动等微观机制。 材料高温变形流变曲线分为动态回复型和动态再结晶型。针对不同的曲线，许多 学者提出了相应的本构方程。 对于发生动态再结晶的流变曲线。流变应力达到峰值后出现明显软化，随后 进入稳态流变，应变对流变应力的影响较大，因此在构建本构方程时，必须考虑 变形量对流变应力的影响。王钰等人在研究l f 2 1 铝合金高温变形时，发现l f 2 1 合金在温度2 5 0 4 5 0 变形速率1 5 4 5 s 。1 范围内，流变应力随变形速度增大而增 大，进入稳态变形后，流变应力随变形继续增大，对试验数据进行回归分析，建 立了l f 2 1 合金在稳态变形时的流变应力经验表达式1 7 】： 盯= 2 9 4 6 1 0 2 s o 0 5 6 彦o 0 3 2 e - - o 0 0 4 r ( 1 4 ) 李立新1 8 1 根据温度、变形速率、变形量对流变应力的影响，建立了含绷合金 的高温流变模型，分别回归出动态回复型和动态再结晶型的本构方程，具有较高 的精度。 而对于动态回复型的，流变应力增加进入稳态变形后不再随应变发生变化。 在高温塑性变形条件下，流变应力、应变速率和温度之间的关系可用s e l l a r s 和 t e g a r t 提出的包含变形激活能和温度的双曲正弦形式表示【1 9 1 ： 5 第1 章绪论 叠= a ( s i n ho f o ) ”e x p ( q r t )( 1 5 ) q 为变形激活能，反映材料变形的难易程度。高温变形中激活能是一个重要 的参数，与合金元素和变形条件有关。s f m e d i n a 对一系列合金进行计算，建立 了合金元素含量与激活能之间的定量关系。彳为材料常数。z e n e r 和h o l l o m o n 在 研究钢的应力应变关系时发现温度和流变速率对流变应力的影响可以用参数z 表示【2 0 。2 1 】 仃= c r ( z ，占)( 1 - 6 ) 定义参数z 为 z = e x p ( q r 乃( 1 - 7 ) z 的物理意义是温度补偿的变形速率因子。将参数z 引入方程( 1 5 ) ，可将流 变应力表示为z 的函数。 这个应力模型在研究铝合金时被广泛采用。沈健在研究2 0 9 1 铝合金时认为 高温变形存在热激活过程，将流变曲线分为加工硬化阶段和稳态流变阶段，采用 分段求解的方法获得了2 0 9 1 铝合金整个流变曲线的本构方程【2 2 】。湛利华在研究 工业纯铝连续铸轧时，以变形温度和速率为变量，在不同的温度区间分别建立了 高温变形本构模型瞄】。张辉在对铝合金多道次热轧显微组织演变的模拟研究时， 认为在不同z 值的非等温变形条件下，尤其是在铝合金多道次热轧的整个过程 中，变形温度逐渐降低而应变速率逐渐增大，流变应力随应变发生变化，综合考 虑高温变形的热激活和应变对流变应力的影响，采用z 参数的幂指数数形式建立 5 1 8 2 铝合金热轧流变应力方程【2 4 1 。 1 4 3 材料流变应力影响因素 ( 1 ) 变形温度对流变应力的影响 温度是影响流变应力最为强烈的一个因素。一般来说，随着温度的升高，材 料的流变应力降低，这是因为高温下发生动态回复或再结晶，减轻或消除了塑性 变形产生的加工硬化。一般用下列关系描述流变应力和变形温度之间的关系【2 5 j ： 仃= a e x p ( 一m t )( 1 8 ) m 和a 均为回归系数。 ( 2 ) 变形速率对流变应力的影响 随变形速率的升高，流变应力增大。这是因为塑性变形同时存在硬化和软化 两个过程，应变速率增加，缩短了软化时间，产生明显的加工硬化。在不同加工 温度范围，应变速率的影响也不同。在冷变形条件下，金属或合金本身的变形抗 6 第1 章绪论 力比较大，应变速率引起的变形抗力的增加要小一些；高温变形时，金属本身的 抗力比较小，变形速率的升高使软化过程不能充分进行，因此对流变应力的影响 较大；温度更高时，软化速率随之提高，温度的影响是主要的，流变速率对流变 应力的影响减小。 ( 3 ) 变形程度对流变应力的影响 变形程度是影响流变应力的一个重要因素，通常用以下公式描述其与流变应 力的影响【2 6 】： 仃= 占一 ( 1 9 ) 1 4 4 热变形过程中的软化行为 铝合金在热轧过程中发生动态回复和动态再结晶。由于铝是高层错能的金属， 在热轧过程中极易形成亚晶结构，发生动态回复现象。动态回复是是一种位错增 殖速度与位错湮灭速度达到平衡的过程。通常，变形过程中亚晶内的位错密度变 化为【2 7 】： 和= h d 6 + r d t( 1 1 0 ) 式中等号右边第一项是描述变形过程的加工硬化率( h 为加工硬化系数，如 应变增量) ，即位错增殖速度；第二项是描述变形过程的回复软化率( r 为软化系数， d t 为时间增量) ，即位错湮灭速度。 一方面，位错增殖速度取决于应变速率和位错增殖的有效应力，它是位错塞 积使位错密度增高引起的。另一方面，位错湮灭速度取决于已产生的位错密度和 控制回复的位错交滑移、攀移和位错脱锚机构的难易程度。位错湮灭机制可以认 为是由于螺型位错通过交滑移从它们原来存在的滑移面内逸出，随后在新的滑移 面上与异号螺型位错相抵消；同样，刃型位错通过攀移离开原来存在的滑移面， 随后在新的滑移面上与异号刃型位错相抵消；并且位错交滑移和攀移也有助于位 错脱锚，一定的应力及高温有助于位错交滑移、攀移和位错脱锚。 动态回复机制主要有：( 1 ) 刃型位错攀移；( 2 ) 滑动螺型位错上刃型割阶的非 守恒运动：( 3 ) 被点缺陷钉扎的位错脱钉及三维位错网络的脱缠；( 4 ) 螺型位错的 交滑移。宏观上，动态回复材料的应力一应变曲线表现为流动应力达到一稳态值。 亚结构是铝合金热轧过程发生动态回复的主要组织形态 2 8 - 3 0 】，且随着变形程度的 增大，晶粒形状沿着轧制方向被拉长，但亚结构仍保持为等轴亚晶粒。最初形变 硬化时，位错有规则地在亚晶粒边界上缠结，形成网状组织。在进入稳态变形过 程中( 温度、应变速率和应力恒定) ，由于亚晶界反复被拆散，并且在胞壁之间的 距离、胞壁附近的位错密度及胞状组织保持不变条件下，由位错交滑移、攀移而 反复多边化再形成新的亚晶界。 7 第1 章绪论 在反复被拆散和反复形成亚晶界的过程中，亚结构的尺寸受到变形温度和应 变速率的控制。当变形温度较高和应变速率较低时，位错易于发生交滑移与攀移， 致使位错增殖速度降低，亚结构尺寸增大，亚结构内部和边界的位错密度相应地 很低，且排列整齐，亚结构边界轮廓清晰 一般来说，层错能低的金属在变形过程中易发生动态再结晶，再结晶的主要 组织特征是形成了较稳定的大角度三角形晶界，晶粒内仍存在着许多位错亚结 构，在一定的应变速率下，随着变形温度升高，再结晶晶粒尺寸增大，晶内的位 错亚结构也随之增大，形成更为完善的等轴再结晶晶粒。动态再结晶是一种快速 形核和有限长大的过程，一但再结晶晶核形成，晶核长大随着进行。因此，再结 晶过程主要受形核控制。 迄今为止，广为接受的再结晶形核机制主要有：( 1 ) 经典起伏形核理论( t h e c l a s s i c a lf l u c t u a t i o n t h e o r y ) ；( 2 ) 多边形化亚晶长大模型，或称c a h n - c o t t r e l l 模型 ( t h eg r o w t ho f p o l y g o n i z e ds u b g r a i n ) ；( 3 ) 亚晶合并模型( c o a l e s c e n c eo f s u b g r a i n ) ， 是第二种机制的一种修正形式；( 4 ) 应变诱发晶界迁移( s t r a i n i n d u c e db o u n d a r y m i g r a t i o n ，s i b m ) ，即晶界一侧通过大角度晶界的迁移而长入另一侧具有更高 位错储能的晶粒内。 h j m c q u e e n t 3 l 】等对础5 m g 一0 8 m n 铝合金热变形研究时发现：当变形温度在 4 0 0 5 0 0 时变形组织存在再结晶晶粒，是由尺寸大于0 6 b m 的粒子引起的，即颗 粒激活形核( p a r t i c l e s i m u l a t e dn u c l e a t i o n ，p s b o 。实际上，在某些热变形条件下， 纯铝也可能发生动态再结晶，这说明层错能并非铝及铝合金高温塑性变形是否发 生动态再结晶的唯一决定因素，许多研究表明高温大塑性变形和高应变速率可能 诱发动态再结晶p 2 j 1 5 加工图 描述材料加工性好坏的图称为加工图。加工图是金属加工工艺设计和优化的 强有力工具，在微观组织和性能控制方面具有很好的指导作用。因此在分析和预 测材料在热加工工程中的失稳变形、对近净成型材料的热加工工序进行设计和优 化等方面获得广泛的应用。f r o s t 和a s h b y 3 3 j 首先用a s h b b y 图的形式描述材料 对加工工艺参数的反应，但a s h b b y 图侧重描述低速率变形的蠕变机制。为预测 较高速率条件下材料的变形机制，r a j t 3 4 】扩展了a s h b b y 图的概念，利用原子方法 与基本参数结合相结合，建立了纯金属的加工图。但将其用于实际仍有很大的局 限性，因为它仅适用于纯金属和简单合金，对一般的复杂合金不适用，无法绘制 商用合金化金属的加工图，而且需要确定大量基本材料参数，涉及较多原子活动 机制的知识；仅建立了几种典型过程的原子模型，无法适用于各种变形机制。另 外，r a j 图仅给出了比较大的安全加工范围，并没有给出获得内禀可加工性的最 8 第1 覃绪论 佳工艺参数。 为了将材料本构变形行为明确地引入到有限元流变分析中，g e g e l 提出了动 态材料模型( d m m ) 概念，动态材料模型的发展基于三方面的理论【3 5 1 。 ( 1 )将大塑性流变连续介质力学中的材料看做能量耗散体，而不是一个储存 单元。z i e g l e r 首先提出这个概念，这构成了动态材料模型的基础。 ( 2 )将w e l l s t e a d 提出的物理系统模型的概念( 适用于电磁机械系统的功率耗 散量和功率耗散效率等) 扩展到冶金系统。 ( 3 ) p r i g o g i n e 提出不可逆热力学概念。金属塑性变形中的工件从热力学观点 可看作封闭系统，它本身内部进行着不可逆变化( 组织演变和热传递) ，+ 又与外部 设备进行能量交换，是远离平衡态的非线性的不可逆过程，因此可以形成耗散结 构。 在动态材料模型中，将承受热变形的加工件看做非线性能量耗散体，输入 到工件的能量分配到两个部分：温升和微观组织的变化。应变速率敏感因子m 决定了总输入功率在这两部分之间的分配。定义无量纲参数珂，描述加工件对在 给定的温度和速率范围内起作用的不同微观机制的本质反应。它随应变速率和温 度的变化构成了功率耗散图，表示了热变形中微观组织的变化。一般认为金属热 加工中的动态再结晶是最好的变形机制，在这个过程中可以消除缺陷，重建微观 组织结构，而动态回复相对差些，超塑性变形则不能重建微观组织结构，而裂纹、 空洞、绝热剪切、局部变形等则对变形不利，加工过程中尽量避免。为确定高温 变形失稳区，许多学者提出了不同的失稳判据，建立加工失稳图，将耗散效率图 和失稳图叠加在一起就构成了加工图。利用加工图可以有效制定材料的热加工工 艺。 描述合金高温变形行为的途径包括流变应力曲线、高温本构方程、基本动力 学参数等。关于流变曲线及动力学本构关系的研究已有很多，但从流变曲线特征 不能严格确定合金高温变形过程中的组织的演化规律，而动力学本构方程也只能 描述流变应力与变形条件之间的关系，不能建立宏观变形条件与微观组织的关 系。加工图可以直观的表述不同变形条件下组织的演化趋势，但不同区域的变形 机制还需结合动力学参数和金相组织进行确定。因此，结合流变曲线、本构方程、 动力学参数及加工图可以较为精确的研究材料的高温变形行为。 1 6 本论文主要研究内容及目的 含铒a l 一5 7 w t m g 合金是本课题组研究的新型合金，该合金主要适用于航 天、航海领域，具有广泛的应用前景。由于合金必须经过热加工进行成型，热加 工条件对合金变形后的组织具有重要影响，作为一种新型合金，有必要对其高温 变形行为进行研究。因此本文采用热模拟压缩实验，对含铒a l - 5 7 w t m g 合金 9 第1 章绪论 的高温变形行为及组织演化进行研究。主要研究内容为： 1 对含铒a 1 5 7 w t m g 合金进行单轴压缩实验，获得真应力真应变并对 曲线进行摩擦修正和温度修正。分析变形条件对流变应力的影响，建立合金的高 温本构方程。 2 分析变形条件对变形组织的影响，建立变形条件与亚晶形成临界变形量、 亚晶尺寸的定量关系，分析含铒a 1 5 7 w t m g 合金高温变形机制。 3 基于动态材料模型( d m m ) ，确立含铒a 1 5 7 w t m g 合金热加工图。结 合流变曲线、微观组织、及动力学分析，确定合金高温变形过程中的易加工区和 加工失稳区，研究加工图不同区域的变形机理，结合加工图优化含铒 a 1 5 7 w t m g 合金的热加工工艺。 1 0 第2 章材料及实验方法 2 1 实验材料 实验材料为东北轻合金厂电磁搅拌铸造的含铒a l 一57 w t m g 合金铸锭，其 化学成分为如表2 - 1 所示。 表2 - 1 试验舍金成分 t a b l e 2 - 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o n ( w t 1 0 f t h e m l o yu s e d i n t h ep r e s e n ts t u d y 合金经4 7 0 1 1 3 h 均匀化处理后从铸锭上切取毋l o x l 5 的圆柱形压缩试样如 图2 1 所示。 f i 9 2 - id i m e n s i o n o f e x p e r i m e n ts p e c i m e n 用于压缩试样的初始组织如图2 2 所示。晶界上分布有网状析出物，成分 为a i m n - e r 化合物 图2 - 2 热压缩式样初始组织 f i g2 - 2 i n i t i a lg 日u c f u m o f p r e s e n ta l l o y 北京下业大学工学硕士学位论文 2 2 高温压缩变形试验 2 2 1 试验设备 本实验采用清华大学数控式热力物理模拟试验机g l e e b l e1 5 0 0 d 进行等轴 压缩实验。该实验机由三个主要控制系统和五个设备单元构成。主要控制系统 包括计算机控制系统、热学控制系统和力学控制系统；设备单元包括计算机终 端、主控单元、试样单元、液压动力单元和真空单元。此外，还有淬火系统和 气压机等。整台试验机可以完全由计算机控制、全部手动控制、手动和计算机 复合控制，通过自身电阻加热方式对试样进行加热，式样加热和冷却速度快， 温度、载荷、位移、应力与应变等参数变化规律可以实时监测，精确控制。其 主要技术参数为：最大加热速度1 0 0 0 0 s ，最大压缩速度1 2 0 0 m m s ，最大加载速 度2 0 0 0 0 n s ，最大行程1 0 0 m m 及最大载荷为8 1 6 k n 。 2 2 2 试验参数 ( 1 ) 变形温度：3 0 0 ，3 5 0 ，4 0 0 ，4 5 0 ，5 0 0 ( 2 ) 变形速度：0 0 0 1 s ，o 0 1s ，o 1s ，1s ，1 0 s ，5 0s 1 ( 3 ) 变形量：5 0 ( 4 ) 保温时间：3 分钟 ( 5 ) 冷却方式：水淬 为减少试样两端的摩擦，在压头和试样两端接触处夹一层石墨片。试样 1 0 s 的速度升至变形温度，保温3 分钟后开始变形。变形结束立即对样品进 行水淬，以保留其高温变形组织，便于进行高温变形行为研究。采集不同温度、 速率下的真应力数据，通过测量压缩试样前后的形状对真应力进行摩擦校正。 用热电偶测量试验过程中的绝热温升，假设在每一个温度区间( 5 0 ) 内，流变 应力的自然对数与温度的倒数呈分段线性关系，对真应力进行温度修正。 2 3 显微组织观察 为了研究含铒a 1 5 7 w t m g 合金在不同条件下进行高温塑性变形后的微观 组织与性能变化，本试验利用光学显微镜( o m ) ，扫描电镜( s e m ) ，透射电镜( t e m ) 分析变形后试样的显微组织特征。 试样压缩结束后沿平行于压缩轴方向对半剖开，对压缩试样进行粗磨、细 磨、机械抛光，然后在扫描电镜下观察变形组织中第二相的形貌、分布特征， 确定相的成分； 试样经机械抛光后采用k e l l e r 试n ( o 5 h f + 1 5 h c l + 2 5 h n 0 3 + 9 5 5 1 2 第2 苹材料及实验方法 h 2 0 ) 侵蚀，在o l y m p u sp m g 3 金相显微镜下观察变形组织； 采用双喷电解法制备透射电镜样品。试样经机械预减薄至7 0 - - 一1 0 0 i t m 后冲 剪成口r 3 m m 的圆片，在s t r u e r st e n u p 0 1 2 减薄仪上进行双喷电解减薄。电解液 为3 0 h n 0 3 + 7 0 c h 3 0 h ( 体积分数) 混合溶液，双喷电压为1 8 v 左右，电流为 2 0 6 0 m a ，温度控制在3 0 左右。在j e l 2 0 1 0 透射电镜上进行组织观察。 第3 章含铒a i 一5 7 m g 合金高温