（材料加工工程专业论文）almnznx合金热变形及连续挤压管材组织性能研究.pdfVIP

h o td e f o r m a t i o no ft h ea 1 - m n - z n - - xa l l o ym i c r o s t r u c t u r e sa n d p r o p e r t i e so fe x t r u d e dt u b eb yc o n f o r m p r o c e s s b y k o ul i n y u a n b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r of e s s o rz h a n gh u i j u n e ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创，| i 生声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：鬼冰艟 日期：为if 年j 月3 j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密i - 1 ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：皂茹潼 导师签名： 弓幺珥 i e ! 期：弘j 年歹月? 日 日期：沙1 1 年j 月7 f e t a l - m n z n x 合金热变形及连续挤压管材纲织性能研究 摘要 a i m n z n x 合金属于a 1 m n 系不可热处理强化铝合会，具有良好的耐蚀、 导电、导热性能，以及具有优良塑性加工性，广泛应用于汽车、化工设备、民 用五金和空调制冷部件等。本文采用g l e e b l e 15 0 0 热模拟机，在变形温度为 3 5 0 5 0 0 ，变形速率为0 0 1 1 0 s 。1 条件下进行热压缩变形实验，研究一种新型 a i m n z n x 合金高温压缩变形流变应力行为；通过o m 、t e m 等分析手段探明 了该合会热压缩变形组织的演变规律；结合拉伸试验和s e m 研究了连续挤压管 材的微观组织及力学性能。 研究发现，在高温压缩变形条件下，新型a i m n z n x 合金流变应力主要受变 形温度和应变速率的影响，流变应力随变形温度的升高而减小，随应变速率的增 大而增大。采用双曲正弦形式的z e n e r h o l l o m o n 参数来描述合金的热变形行为，得 到新型a 1 m n z n x 合会变形激活能q 为l7 1 6 3 8 k j m o l 。为保证变形本构方程的精 确性，考虑到铝合金在高应变速率变形条件下温升效应显著，需对流变应力的测 量值进行相应修正。 a i m n z n x 合金在高温塑性变形时主要的软化机制可通过l n z 衡量，l n z 值较 大时，a 1 m n z n x 合金热变形过程中主要的动态软化机制为动态回复；随着l n z 的减小，铝合金由动态回复逐渐转变为几何动念再结晶；合金在部分变形条件下 发生不连续的动态再结晶。 经过连续挤压变形后的a i m n z n x 合金管材晶粒组织细密均匀，说明连续 挤压变形可以有效地细化晶粒。连续挤压加工的a i m n z n x 合金管材断裂的微 观机制均为韧窝聚集型断裂，其抗拉强度大于1 2 6 m p a ，延伸率在2 9 以上，说 明该种合金连续挤压管材塑性良好。 关键词：a 1 m n z n x 合金；热变形；流变应力；显微组织；连续挤压；拉伸性 能 硕十学位论文 a bs t r a c t a i m n z n x a l l o yb e l o n g st ot h ea 1 m ns e r i e sw h i c hs t r e n g t hc a nn o tb e i m p r o v e db yh e a tt r e a t m e n t a 1 - m ns e r i e sa l l o y si sw i d e l yu s e d i nc h e m i c a l e q u i p m e n t ，c i v i lh a r d w a r e a n da i r c o n d i t i o n i n gw i t hg o o dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ， f o r m a b i l i t y ，h i g hd u c t i l i t y ，w e l le l e c t r i ca n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t y ，e x c e l l e n ts p e c i f i c s t r e n g t h ，c o r r o s i o n r e s i s t a n c ea n d f o r m a b i l i t y t h e f l o ws t r e s sb e h a v i o r so f a i m n - z n - xa l u m i n u ma l l o yw e r es t u d i e db yc o m p r e s s i o nt e s ta tt h ed e f o r m a t i o n t e m p e r a t u r er a n g e sf r o m3 5 0 t o5 0 0 a n dt h es t r a i nr a t er a n g e sf r o m0 01s t o 10 s o ng l e e b l e - 15 0 0 s y s t e m t h er e l a t i o n s h i p o ff l o w s t r e s s ，s t r a i nr a t e ， d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n dd e f o r m a t i o nd e g r e ew e r es t u d i e db yc o m p r e s s i o nt e s t o fa i - m n - z n xa l u m i n u ma l l o ya th i g ht e m p e r a t u r e a n dt h ef l o ws t r e s sm o d e lw a s i d e n t i f i e d m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o no fa i - m n - z n xa l l o yw a ss t u d i e db yo p t i c a l m i c r o s c o p y ( o m ) a n dt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fc o n t i n u o u se x t r u s i o nt u b ew e r ea n a l y z e db yt e n s i l et e s ta n ds c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es t r a i nr a t ea n dd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r eh a do b v i o u s e f f e c t so nt h ef l o ws t r e s so fa i - m n z n - x a l l o yd u r i n gc o m p r e s s i o n a t h i g h t e m p e r a t u r e t h et r u es t r e s s t r u es t r a i nc u r v e se x h i b i t e dap e a ks t r e s sa tc r i t i c a ls t r a i n t h ef l o ws t r e s sd e c r e a s e dm o n o t o n i c a l l yu n t i lh i g hs t r a i n sa f t e rr e a c h i n gt h ep e a k s t r e s sb yd y n a m i cr e c o v e r y t h ep e a ks t r e s sl e v e ld e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go f d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n dd e c r e a s i n go fs t r a i nr a t e ，w h i c hc a nb er e p r e s e n t e db y t h ez e n e r - h o l l o m o n p a r a m e t e r z i nt h e h y p e r b o l i c s i n e e q u a t i o n t h eh o t d e f o r m a t i o na c t i v a t i o n e n e r g yw a s17 1 6 38 k j m 0 1 i tw a sf o u n dt h a tw i t ht h e i n c r e a s i n go fs t r a i nr a t et h et h e r m a le f f e c tb e c a m em o r es i g n i f i c a n t t h ec o r r e c t i o n o f f l o ws t r e s sf o rd e f o r m a t i o nh e a t i n ga th i g hs t r a i nr a t e sw a sa c c o m p l i s h e df o rt h e p r e c i s i o no ft h ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o n t h ed e f o r m a t i o nm i c r o s t r u c t u r e so fa i m n - z n - - xa l u m i n u ma l l o ya t h i g h t e m p e r a t u r ec o m p r e s s i o nw e r ee v a l u a t e db yl n z t h ed y n a m i cr e c o v e r yw a st h e d o m i n a t i v er e s t o r i n gm e c h a n i s mw i t hh i g hl n zv a l u e ；t h em a i ns o f t e nm e c h a n i s m s o ft h ea l l o yt r a n s f o r mf r o md y n a m i cr e c o v e r yt og e o m e t r i cd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ( g d r x ) w i t hl n zv a l u ed e c r e a s i n g ；d i s c o n t i n u o u sd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ( c d r x ) w a sf o u n di ns o m ed e f o r m a t i o nc o n d i t i o n t h eg r a i ns i z eo fa 1 - m n - z n - xa l l o ye x t r u d e dt u b eb yc o n f o r mp r o c e s sw a s i i i a i m n z n x 合金热变形及连续挤乐管材组织性能研究 s m a l l t h er e s u l ts h o w e dt h a tc o n f o r mp r o c e s sc a nr e f i n eg r a i n s t h ef r a c t u r e m o d eo fa l m n z n - xa l l o yt u b ew a sd i m p l e c o a l e s c e n c ef r a c t u r e t h ea i - m n z n - x a l l o ye x t r u d e dt u b eb yc o n f o r mp r o c e s sh a dg r e a tp l a s t i c i t y t h ee l o n g a t i o nw a s a b o v e2 9 a n dt h et e n s i l es t r e n g t hw a sa b o v e12 6 m p a k e y w o r d s ：a l m n z n - xa l l o y ；h o td e f o r m a t i o n ；f l o ws t r e s s ；m i c r o s t r u c t u r e ： c o n t i n u o u se x t r u s i o nf o r m i n g ( c o n f o r m ) ；t e n s i l ep r o p e r t i e s i v 硕仁学位论文 目录 学位论文原创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i l i 目录v 第一章绪论1 1 1a i m n 系合金的研究现状1 1 1 1a i m n 系合金的研究进展1 1 1 2a 1 m n 系合金的应用3 1 2a i m n 系合金元素及合金化作用4 1 2 1 主要合金元素一4 1 2 2 微量合金元素一4 1 2 3 杂质元素5 1 3 金属及合金高温变形行为研究内容5 1 3 1 流变应力及本构方程6 1 3 2 铝合金热变形过程中的动态行为8 1 4 连续挤压技术l2 1 4 1 连续挤压原理12 1 4 2 连续挤压工艺的特点13 1 5 本文的研究目的以及研究内容l3 第二章实验材料及实验方法15 2 1 实验材料15 2 2 高温热压缩实验及其微观组织演变观察1 5 2 2 1 热压缩实验15 2 2 2 光学显微组织的观察16 2 2 3 透射显微组织的观察16 2 3 连续挤压管材的组织观察及力学性能测试16 2 3 1 拉伸试验16 2 3 2 合金微观组织观察17 第三章高温热压缩条件下合金的流变特性18 3 1a 1 m n z n x 合金高温压缩真应力真应变曲线l8 3 2 应力应变本构方程的建立2 0 3 2 1 应力应变本构方程基本理论2 0 v a l - m n z n x 合金热变形及连续挤乐管材组织性能研究 3 2 2 本构方程中相关系数的求解2 l 3 2 3 流变曲线的温升修正一2 4 3 2 4 误差分析一2 5 3 3 高温变形软化行为研究2 6 3 3 1 合金均匀化退火后组织结构2 6 3 3 2 变形温度对金相显微组织的影响2 8 3 2 变形温度对金相显微组织的影响2 8 3 3 3 变形速率对金相显微组织的影响一2 9 3 3 4 位错形态的变化规律3 0 3 3 5 晶界长大规律3l 3 3 6 析出相变化规律一3 3 3 4a 1 m n z n x 合金高温变形机制3 6 3 4 1a 1 m n z n x 合金的动态回复一3 6 3 4 2a 1 m n z n x 合金的动态再结晶3 7 3 5 本章小结3 8 第四章a i m n z n x 合金连续挤压管材的组织性能研究一4 0 4 1 连续挤压管材的微观组织4 0 4 2 不同z n 含量对新型a i m n z n x 合金力学性能的影响一4 l 4 3 拉伸断口扫描4 l 4 3 1 第二相对拉伸断口形貌的影响4 l 4 3 2 应力状态对拉伸断口形貌的影响_ _ 4 4 4 4a i m n z n x 合金的断裂机理一4 6 4 5 本章小节一4 8 结论4 9 参考文献一5 0 致谢5 7 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录一5 8 v l 硕十学何论文 第一章绪论 1 1a i m n 系合金的研究现状 1 1 1a 1 一m n 系合金的研究进展 a i m n 系合会是通过在铝中添加m n ，形成固溶强化铝合金，提高合金的强 度，并保持良好的耐蚀、导电、导热性能，以及具有优良的焊接性能和塑性加 工性能等。近些年来，对于a i m n 合金组织性能的研究以及对它的开发利用取 得了深层次的、多方面的发展。本文主要从合金的化学成分、微量元素的添加、 塑性变形等几个方面优化合金组织和性能、拓展合金的应用。 1 1 1 1a i m n 系合金在化学成份方面的研究进展 在a i m n 系合金中，室温下m n 在基体中的固溶度很低，常以m n a l 6 相析 出，而f e 在a l 中的固溶度更低，但在m n a l 6 中的固溶度较高，所以常以( m n f e ) a 1 6 出现，减轻了由于m n 偏析造成的晶粒大小不均匀现象。在含s i 的情况下，m n a l 6 相在均匀化处理时可以转变成a i ( m n ，f e ) s i 相【lj 。金属问化合物粒子的析出严重 影响了合会的腐蚀性能，第二相粒子越多，合金的腐蚀敏感性越强1 2 】。对于多相 合金，由于在电化学特性上的差异，腐蚀时有一种相会被优先腐蚀，同时合金 的耐腐蚀性与其化学均匀性相关，晶内偏析或化学成分偏析会使合金的腐蚀性 降低【”。a 1 m n 系合会第二相呈条状时，其周围基体中的位错密度分布不均，尖 角部位位错密度高，成为优先腐蚀的区域，导致阴极箔腐蚀形貌不均，易发生 剥落腐蚀；第二相粒子呈球状且弥散分布时，阴极箔的腐蚀均匀性好，无剥落 腐蚀，可以通过6 0 0 6 3 0 高温退火，改变第二相的形状及在基体中的分布，使 之成为细小的球状且弥散分布，进而提高抗腐蚀性【4 】。也有文献【5 】指出在合金中， 影响线性腐蚀的是作为电化学阴极的中间金属析出相，对a i m n 系合金，热处 理产生的析出相m n a l 6 的电化学特性和铝基的相似，故其无法影响合金的腐蚀 特性，所以文章指出二元a i m n 合金不产生线性腐蚀的原因就是缺少可在合金 中作为阴极的惰性金属问粒子；金属问化合物f e a l 3 却可以作为此种阴极，其可 导致很大程度的线性腐蚀。 a 1 t i b 、a 1 t i 、a i r e 、a 1 b 为常用的含t i 细化剂，能够对a i m n 合金起 到一定的晶粒细化作用，细晶a i m n 系合金凝固时裂纹倾向小，在高的铸造速 度时不发生热脆现象，能减少机械加工时金属切屑量，提高实收率。晶粒细小， 合会具备较高的抗拉强度和延伸率【6 】。 国外研究发现，在a i m n 系合金中添加e r 、z r 、s c 等元素有新的作用。添 a 卜m n z n x 合金热变形及连续挤乐管材组织性能研究 加微量的e r 能够有效细化晶粒，e r 与a l 形成的与a a 1 具有共格关系的a 1 3 e r 可以改善a 1 m n 系合金的组织与性能，是a i m n 系合金重要的微合会化元素1 7 】。 在a i m n 系合金中加入0 1 5 的z r ，采用两步析出硬化法，形成致密的析出相 a 1 3 z r ，该相在铝箔中均匀分布，能抑制a i m n 系合金的再结晶能力。微量稀土 元素s c 联合微量z r 添加在a i m n 系合余中，可显著提高合金强度并且z r 通过 扩散形成的a 1 3 ( s c 。z r l - x ) 析出物可控制软化进程和再结晶，说明添加s c 和z r 对 a 1 m n 系合金的再结晶有一定抑制作用1 8 】。 文献1 9 】中通过研究a i m n 系合会的腐蚀特性提出，通过加入合金元素来改 善抗腐蚀性能力。例如研究表明，向3 0 0 3 铝合金中加入微量n i 时 ( 0 0 0 5 0 0 1 ) ，将生成a 1 3 n i 、a 1 9 f e n i 、a i m n f e n i 等的化合物，增强了阴 极反应，从而增强其耐蚀性。 a 1 m n 系合金常用于作为热交换材料，但其在海水等环境下耐腐蚀性能较 差。采用镀z n 的方法可以在有水环境中保护a i m n 、a 1 m g 合金不受腐蚀，其 主要原因是z n 镀层可以作为阳极材料，从而减少对阴极合会材料的腐蚀作用。 针对a i m n 合金z n 镀层的防护机理，很多文献做了详细的研究。但在含有 h c 0 3 c 0 3 2 - 的溶液中，z n 镀层无法对合金形成有效的保护f l o 】。 1 1 1 2a i m n 系合金在塑性变形方面的研究进展 a i m n 系合金是热处理不可强化合会，其力学性能主要通过加工硬化和退火工 艺控制。a i m n 系合金最主要的强化方式是加工硬化，合金中m n 形成m n a l 6 相，该 相对合金具有弥散强化效果。在冷形变后，对a 1 m n 合金进行时效处理，能够提高 a i m n 合会的硬度。常用的大变形加工工艺，如连续挤压、连续剪切变形、累积轧 制等，材料通过剧烈的塑性变形，使粗大的晶粒破碎、细化，能够有效减小晶粒 尺寸，同时力学性能特别是合金的抗拉强度也得到相应提高】。 连续挤压技术已经应用于铝材的挤压。采用连续挤压法直接挤压成品管，工 艺流程短，生产成本低，可以在尺寸公差、生产率和模具工抛方面的技术得到改 进，从而可使铝管材管壁和筋厚度小于0 3 m m 。张辉【1 2 】等人通过加强连续挤压出 口端对管材的冷却强度以缩短管材在高温中的停留时间，改进后的连续挤压管材 冷却方式阻碍了其再结晶过程，并且防止再结晶晶粒长大，从而获得一种多边形 化的细小晶粒组织，改善产品的晶粒组织与结构，管材的综合力学性能得到提高， 既有较高的强度，又有较好的塑性。 连续剪切变形法和累积轧制法是近期国内外大塑性变形研究的热点。按1 2 道次连续剪切变形后的a a 3 1 0 3 合金板材的显微组织明显得到细化，并且呈现出 大角度等轴晶态，晶粒大小均匀，平均尺寸为1 6 9 m ，退火后晶粒也非常稳定。 w e i w 色i 等人 13 , 1 4 】通过累计叠轧工艺制备了平均尺寸为0 3 9 m 的超细晶 2 硕十学何论文 a 1 m n 合会，此外，m n a l 6 相球化并且均匀的分布于基体中，使得此合金有良好 的耐腐蚀性能和拉伸性能。与粗晶铝合金相比，在3 5 n a c i 的人造盐水中浸泡 l8 0 h 后，累积叠轧制备的铝锰合金的点蚀数量和尺寸都明显减少；极化曲线测 试表明腐蚀电流密度降低了3 3 左右；断裂延伸率也有显著的提高。 会属在发生塑性变形的过程中发生时效强化称为动态应变时效。彭丌萍等【l 5 】 对3 0 0 4 铝合金通过激活能的计算、内耗研究、微观组织观察和能谱分析发现： 合金在动态应变时效过程中位错缠结严重；溶质原子通过空位扩散与运动中的 位错交互作用不仅改变了位错组念，还使材料的抗拉强度和疲劳强度提高。 1 1 2a 1 m n 系合金的应用 a i m n 系合金因其具有强度适中、塑性高、焊接性能好以及抗腐蚀性强等优良 的综合性能，在航空航天、汽车、化工设备、制冷行业、信息科学等领域中的应 用越来越广泛。 铝合金作为汽车轻量化最理想的材料广泛的应用于生产汽车发动机零件， 散热系统、车身、变速器零件和热交换器等。目前，世界各国都在积极推进车 身、车体主要部位的铝材化。铝比铜具有质量轻、易成形、密封性好、价格低 的优点【l 引。汽车上由蒸发器、冷凝器、连接管等组成的汽车空调器已全部实现 铝化，铝质水箱也超过了6 0 。实验表明：用铝代替黄铜后换热器重量约减 3 0 【l7 l 。随着我国汽车工业飞跃发展，汽车零部件国产化程度不断提高，作为 国家重点支持研制丌发的十大类零部件急需大量的高精度铝合金多孔扁管材和 圆管材。 汽车散热器位于汽车前端，环境中的水分，路面挥发的盐分，汽车排出的废 气、灰尘、沙粒等会腐蚀散热器使其失效，散热器还要承受反复热循环和周期性 振动，这就要求散热器材料必须具有良好的散热、防腐以及接合性能。热交换器 根据轻量化、小型化、提高散热性、保证耐蚀性等需要，对其结构上和材料上进 行积极改进【i 引。由于a i m n 系合金的抗拉强度比工业纯铝高，塑性较好，具有和 纯铝相当的耐腐蚀性和导热性能，并且具有良好的焊接性能，使其主要应用于空 调的连接部件、热交换器等方面。采用铝制空调散热器后，降低了空调装置的重 量和外形尺寸，提高了各组成装置的结构紧凑性和效率。目前国外汽车空调散热 器通常采用d 9 7 、3 0 0 3 和310 4 等合会，取代了传统的高精度多孔扁管。新型的铝合 金空调散热器管厚仅为0 4 m m ，直径在2 m m 以下，并通过喷涂等工艺提高管材的 耐腐蚀性能。我国在这方面技术较为滞后，我国对于高精密，高性能铝合金空调 散热器管材的研究极为重视，其产业化研究对于提高我国汽车工业实力，加速产 业化升级有至关重要的影响和意义。 另外，铝合金由于其优良的防磁和抗干扰特性，广泛应用于电子产品中。 a 1 一m n - z n - x 合金热变形及连续挤压管材组织性能研究 铝合金作为电磁屏蔽材料，除了依靠其优良电磁特性，还要求其具有较高的强 度。a i m n 系合金具有与纯铝相近的电磁性能，但同时具有较高的强度，可以 用作生产加工各种电磁屏蔽产品【l9 1 。例如3 0 0 3 铝合金，可用于矩形波导管，改 善雷达及无线电通讯系统的波导效果。在这些方面的应用中，保证原材合金的 优良内部结构及良好的力学性能、表面性能十分重要。近几年来，国内外高品 质产品不断更新换代，如轻巧美观的a i m n 合金门窗、受热均匀的a i m n 合金 不粘锅、高比电容量的a i m n 合金阴极箔、光泽度高的a i m n 合会铝罐、均匀 致密的a i m n 合金铝板等等，一直是a i m n 合金产品研究的热点i s l 。 1 2a l m n 系合金元素及合金化作用 1 2 1 主要合金元素 ( 1 ) m n m n 是a i m n 系合金的主要固溶强化合金元素，含量一般在1 0 1 6 范围 内。a 1 一m n 系合金由于具有很大的过冷能力，因此在快速冷却结晶时容易产生 偏析，m n 在枝晶中心部位的浓度低于边缘部位的浓度，如果冷加工产品存在明 显的m n 偏析，那么在退火后则容易形成粗大的再结晶晶粒，影响其成形性能； 适当的m n 含量可以使合金生成m n a l 6 ，该相与基体的电极电位极为相近，产生 的腐蚀电流很小，从而获得优良的耐蚀性。m n 可以降低f e 的有害作用，一般 a 1 m n 系合金工业生产过程中，f e 、m n 的含量总和不应超过1 8 6 。合金强度 随着m n 含量的增加而提高，但由于形成大量脆性化合物m n a l 6 ，合金变形容易 开裂。随着m n 含量的增加，合金的再结晶温度相应地提高1 2 0 1 。m n 还可提高合 金的深冲加工性能和防止深冲时粘附工具。 ( 2 ) z n 向a 1 m n 系合金中添加一定量的z n ，形成阳极保护层，对合会的抗蚀性能 有利，但对合金的力学性能影响不大。在a 1 m n 系合金中，如果同时添加m g 和z n ，则可形成m 9 2 z n 时效强化，改变合金的固溶效果，从而提高合金时效强 化效果，降低合金抗蚀性能和加工性能。 1 2 2 微量合金元素 微量元素对合金的性能有一定的影响，a 1 m n 系合会中加入c r 和z r ，会在 均匀化处理过程中形成a l ( m n f e c r ) s i 以及a 1 3 z r 等弥散相。增大合金中弥散相 的含量，会提高合金的再结晶温度。弥散相密度大和热稳定性强，能作为形核 地点够显著影响合金固溶过程中的回复、再结晶及晶粒长大。研究表明，弥散 相有助于滑移的均匀进行，提高材料的力学性能，同时还能够钉扎晶界，阻止 晶界迁移，抑制再结晶晶粒长大。c r ，m n ，z r 对晶粒细化的作用依次减弱。细 4 硕十学位论文 晶组织有利于合会力学性能和抗蚀性能的提高，但c r 含量高会导致合金的加工 能力降低。 t i 是一种有效的晶粒细化剂。研究表明除了作为异质核心促进形核外，还 分布于晶界，通过抑制c t ( a 1 ) 晶粒生长有效地细化组织，提高成形性。在a i m n 系合金中，添加稀土元素r e ，也是一种有效的晶粒细化剂，可提高合金的加工 性能和抗蚀性能【2 1 1 。 1 2 3 杂质元素 在a i m n 系铝合金中，f e 和s i 都是常见的杂质，室温下固溶度很小。微量 的f e 和s i 对铝的强度有一定的影响，但当f e 和s i 的比例不当时铸锭裂纹倾向 增大，且影响合金材料的深加工成形性能，通常情况下保持f e s i 比大于2 3 。 f e 与a l 形成f e a l 3 有细化再结晶晶粒的作用，但对耐蚀性能影响较大；另一方 面，在有m n 存在的a i m n 系合金中，f e 可溶入m n a l 6 中形成( f e m n ) a 1 6 ，从而 减小f e 对合金腐蚀性能的影响。s i 粒子在晶界上的偏聚会增加晶间腐蚀的敏感 性，同时对成形性有不利影响，合金的拉伸变形能力，特别是弯曲能力随s i 含 量的增加而恶化。 1 3 金属及合金高温变形行为研究内容 在0 4 t m ( t m 为金属熔点的绝对温度) 以上发生的加工变形成为高温变形或 热加工。热加工过程中材料组织的变化比冷加工过程复杂，材料的硬化和软化 同时存在。 通过研究铝合金的高温变形行为及组织演变规律，可以为实际工业生产， 加工工艺优化提供理论依据1 2 2 - 2 5 , 4 4 1 。目前世界上应用最广泛的a i m n 系合金为 3l0 4 、3 0 0 3 等铝合金，人们对它进行了较为深入的研究，吴文祥等【2 6 】研究了3 0 0 3 铝合金的高温变形行为，其变形激活能为l8 3 0 4 k j m o l ，在应变速率为1 0 s ， 变形温度为3 5 0 以上时，合金发生了局部动态再结晶；蒙春标等【2 7 】对3 1 0 4 铝 合金的高温变形行为做了研究，3 1 0 4 铝合金的热变形激活能为2 15 k j m o l ，并且 通过显微组织观察发现在低应变速率下，合金以动态回复为主，而在高应变速 率下发生明显的不连续动态再结晶；张德芬等【28 】研究了3l0 4 铝合金经不同工艺 退火后的再结晶织构，发现随退火温度的升高，第二相粒子( m n f e ) a 1 6 和 a i ( m n ，f e ) s i 在再结晶中起到了促进形核的作用；z h a n g 等【2 9 l 研究了预析出对 冷轧3 0 0 3 铝合金析出行为及再结晶晶粒尺寸的影响。通过在高温条件下的热模 拟变形试验，研究新型a i m n z n x 合金在不同变形温度，变形速率，应变量条 件下材料的高温变形行为及显微组织变化规律，分析热变形对材料性能的影响 因素，对提高a 1 m n z n x 合金热加工产品性能，改善组织结构，制定热处理工 a 卜m n z n - x 合金热变形及连续挤压管材组织性能研究 艺，优化工艺方案和设备选择等都具有一定的指导作用。 1 3 1 流变应力及本构方程 材料在高温条件下的流变应力是表征材料变形性能的重要参数。材料的化学 成分，变形条件，变形过程对其有重要影响，同时材料的微观组织结构变化也对 其力学性能有影响。流变应力对于制定加工工艺，研究金属塑性变形行为等有着 重要意义。在对金属材料高温成型过程使用有限元仿真时，需要流变应力作为材 料本构参数，提高流变应力参数的精度对于准确模拟加工过程具有重要影响。国 内外对此作了充分的研究。 铝合金在热变形过程中，高温流变应力仃受到应变速率叠、变形程度占、变 形温度瓦盯、合金成分c ，以及材料显微组织s ，热处理工艺等的影响。 通常可将其表达为【3 2 】： 仃= f ( e ，毒，t d e f ，c ，s )( 1 1 ) 在真实加工过程中，合金的成分不会改变，可以作为常数处理，忽略其影 响。材料的显微组织结构受到变形条件的影响，因此式( 1 1 ) 也可表达成下式： 盯= f ( s ，叠，l c f ) = f ；( 占) ( 叠) ( t d 盯) ( 1 2 ) 通过大量研究，研究者们提出了很多用于描述金属高温变形时流变应力的数 学关系，并且建立了与之对应的数学模型，即材料的本构方程模型。 常用于准确描述钢、铜、铝合金等特定的材料的流变应力的本构方程模型 有： h o l l o m o n 方程【3 3 】 l u d w i k 方型3 4 】 s w i f t 方程【3 5 】 v o c e 方程1 3 6 , 3 7 1 仃p = c e “ 仃p2 仃p o + c e “ 仃p = c ( 占+ e 0 ) “ 6 ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) 硕十学位论文 盯p = 仃p s 一( c r p s 一仃p o ) e x p ( 一n o ) ( 1 6 ) 其中方程( 1 3 ) 和方程( 1 4 ) 的在达到最大应力自仃的应变阶段比较准确，其使用 具有有局限性，。方程( 1 4 ) 更适用表达应变较大时的流变应力情况。 仃p = c c “e x p ( n l e ) k ”e x p ( a l t ) ( 1 7 ) 仃。= c e “e x p ( n l e ) o m + e x p ( a i t ) ( 1 8 ) 盯口= c e ”也te x p ( n l e ) k ”e x p ( a l t ) ( 1 9 ) 在上述方程中都将温度因素考虑到模型罩面3 引。其中，矿，为应力，盯。为 屈服点，盯。为饱和应力，n ，n l 均是材料应变硬化系数，m 为材料应变速率敏 感系数，c 、a 、b 、b 2 均为材料常数。 1 9 4 4 年，z e n e r 和h o l l o m o n 在研究的基础上，提出了一种既包含应变速率也包 含变形温度的修正模型z 参数模型，z 参数的物理意义为温度补偿的应变速率因 子，从而描述材料高温流变应力与变形温度和应变速率之间的关系更为准确。方 程中的q 是变形激活能，它反映材料热变形的难易程度，也是材料在热变形过程中 重要的力学性能参数。 o p - f ( 叠e x p 静( 1 1 0 ) = f 音) ) z = g e x p ( q r t )( 1 1 1 ) 以上这些模型，均直接描述了变形条件，如温度、变形速率、变形温度等 对流变应力的影响，这类模型合适于在加工硬化行为占主导因素的时候。这类 模型都没考虑到材料内部结构s 对流变应力的影响，材料内部结构主要指发生 了动态回复，动念再结晶，品粒的大小，位错的变化，相的结构分布等。由于 这些缺陷，考虑到材料变形中对材料内在结构状态影响的因素，得到了另一类 模型3 9 1 ： 气= 喇n h e x p ( 一 ( 1 1 2 ) 其中毛。是粘塑性应变速率，s 是内部变量，包括晶粒尺寸、位错密度等因 素。选择材料的本构模型，要同时考虑到模型的适用性和准确性；并且要选择尽 量简便的模型，便于数据的处理与参数的求解1 40 1 。在实际研究中，选择合适的 材料本构模型，通过试验获得材料本构参数，就可以利用本构求解出不同变形 条件下的应力状态。这些成果广泛的应用于挤压、轧制、锻压等热加工工艺的 研究中。在本文中，选用z 参数修j 下模型，通过实验计算得到方程的a 、n 、q 7 a 卜m n z n - x 合金热变形及连续挤压管材乡开织性能研究 等材料常数，就可通过方程求出材料在任意变形条件下的流变应力的大小。 1 3 2 铝合金热变形过程中的动态行为 铝合金热变形过程中组织既发生形变硬化同时又发生动态软化，动念软化的 机制主要为动态回复和动态再结晶，软化过程中析出相也有可能在高温条件下生 成。位错在热激活能和存储能作用下通过攀移或交滑移发生对消、重组和合并， 从而使位错密度降低，材料软化；形变硬化是由于变形过程中位错增殖、位错间 相互缠结和溶质原子钉扎位错而形成位错塞积，进一步变形就要增大外力。铝合 金热变形过程中的动态行为，就是在力学性能上表现为形变硬化与软化共存的动 态过程。 1 3 2 1 铝合金中的动态回复及组织演变 铝合金是一种高层错能的金属，在热变形过程中极易形成多边形化的亚晶结 构，即发生动态回复。这种“多边形化”亚组织的形成与位错攀移和空位迁移有关， 在形变硬化的初始阶段位错及亚晶界以规则的形式缠结在一起，并且通过稳态 形变( 温度，应变速度，应力均不变) 保持下来，亚晶粒尺寸及位错密度不发生变