（材料加工工程专业论文）almnsix合金热变形连续挤压管材组织性能研究.pdf

r 1 h o td e f o r m a t i o no ft h ea i - m n s i xa l l o y ，m 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 s h a n gx i a o y a n g 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 l n 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 n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h a n gh u i m a y ，2 0 1 1 m y 湖南大学 学位论文原创性声明 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： 出小f e 日期：加，1 年 月? 旧 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 、保密口，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：b 小p e 日期：加，年，月；j 日 导师签名。专纪毛 日期：乱ff 年夕月7f 日 f ， k 一 _ a 1 - m n s i x 合金热变形及连续挤压管材组织性能研究 摘要 3 0 0 0 系合金由于具有强度、成形性、钎焊性和耐腐蚀性良好的性能，常被挤 压成管材，作为汽车轻量化的关键材料，广泛应用于热交换器。本文通过在 g l e e b l e 1 5 0 0 热模拟机上进行热压缩变形实验，变形温度为3 5 0 5 0 0 ，应变速率 为0 0 1 2 0 s 一，研究了一种新型a i m n s i 。x 合金高温压缩变形流变应力行为；通过 光学显微镜( o m ) 、透射电子显微镜( t e m ) 等分析手段探明了该合金热压缩变形组 织的演变规律；通过拉伸试验手段和扫描电子显微镜( s e m ) 观察，研究了连续挤压 管材的力学性能和断裂机制。 ( 1 ) 新型a 1 m n s i x 合金高温压缩变形时流变应力均随应变的增加而迅速增 大至峰值，之后随应变的增加而呈不同程度的减小。流变应力取决于应变速率和 变形温度，流变应力随变形温度升高而降低，随应变速率提高而增大。采用双曲 正弦形式的z e n e r h o l l o m o n 参数的a r r h e n i u s 双曲正弦关系来描述合金的热变形行 为时，得到其变形激活能q 为1 5 9 2 k j m o l 。 ( 2 ) 新型a 1 m n s i x 合金热压缩变形过程中，随着l n z 值的减小( 变形温度的 升高和应变速率的减小) ，拉长的纤维状组织有长大的趋势，发生了动态回复和动 态再结晶；位错密度减少；亚晶尺寸增大；热压缩变形过程中动态析出a i ( m n ，f e ) s i 化合物，析出相有增多和长大粗化的趋势；合金高温压缩变形软化机制由动态回 复逐渐转化为动态再结晶；动态再结晶机制主要是几何动态再结晶( g d r x ) ，也发 生了连续动态再结晶( c d r x ) 。 ( 3 ) 新型a 1 m n s i x 合金在管材拉伸过程中，随着s i 含量的增加，抗拉强度 逐渐增大；伸长率减小，塑性下降，断裂机制是以韧性断裂占主导地位的混合断 裂方式。 关键词：a 1 m n s i x 合金；热变形；流变应力；显微组织；连续挤压；拉伸性能 i i r - 硕士学位论文 a bs t r a c t 3 0 0 0a l u m i n u ma l l o yi sw i d e l yu s e di na u t o m o t i v ea i rc o n d i t i o n i n gr a d i a t o ra st h e k e ym a t e r i a l i nv e h i c l el i g h t w e i g h t e d ，b e c a u s eo fi t se x c e l l e n ts p e c i f i cs t r e n g t h ， c o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n d f o r m a b i l i t y t h ec o m p r e s s i v e d e f o r m a t i o nb e h a v i o ro f a l - m n - s i - x a l l o yd u r i n gc o m p r e s s i o n a te l e v a t e d t e m p e r a t u r ea n dc h a n g e so f m i c r o s t r u c t u r ew a ss t u d i e db yi s o t h e r m a lh o tc o m p r e s s i o no ng l e e b l e 一15 0 0 t h e d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r er a n g ef r o m3 5 0 * ( 2t o5 0 0 c a n dt h es t r a i nr a t er a n g ef r o m 0 01s lt o2 0 s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf l o ws t r e s sa n ds t r a i nr a t e ，d e f o r m a t i o n t e m p e r a t u r ea n d d e f o r m a t i o n d e g r e eo fa 1 - - m n - s i - xa l l o yd u r i n gc o m p r e s s i o na t e l e v a t e dt e m p e r a t u r eh a db e e ns t u d i e d ，a n dt h ef l o ws t r e s sm o d e lh a db e e ne s t a b l i s h 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 1 - m n - s i - x a l l o yd u r i n gc o m p r e s s i o n a te l e v a t e d t e m p e r a t u r e h a d b e e n a n a l y z e db yu s i n go p t i c a lm i c r o s c o p e ( o m ) ，t r a n s m i s s i o n e l e c t r o nm i c r o s c o p e ( t e m ) t h em e c h a n i c a lp 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 e h a db e e na 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 ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ( 1 ) t h ef l o ws t r e s so fn e wa 1 - m n - s i xa l l o yd u r i n gc o m p r e s s i o na te l e v a t e d t e m p e r a t u r ed e p e n d ss t r o n g l yo nt 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 e t h e r e s u l t ss h o wt h a tt 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 tap e a ks t r e s sa tc r i t i c a ls t r a i n ， a f t e rw h i c ht h ef l o ws t r e s s e sd e c r e a s em o n o t o n i c a l l yu n t i lh i g hs t r a i n s f l o ws t r e s s d e p e n d s o ns 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 e f l o ws t r e s si si ni n v e r s e p r o p o r t i o nt od e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ew h i l ei t i si nd i r e c tp r o p o r t i o nt os t r a i nr a t e t h ep e a ks t r e s sl e v e ld e c r e a s e sw i t h i n c r e a s i n g d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n d d e c r e a s i n gs 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 yt h ez e n e r h o l l o m o np a r a m e t e rz i n t h eh y p e r b o l i cs i n e e q u a t i o n w i t ht h e h o td e f o r m a t i o na c t i v a t i o n e n e r g y o f 15 9 2 k j m 0 1 ( 2 ) m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o no fn e wa 1 m n - s i xa l l o yd u r i n gc o m p r e s s i o na t e l e v a t e dt e m p e r a t u r eh a sb e e na n a l y z e db yo ma n dt e m ，w i t hl n zv a l u ed e c r e a s i n g ， t h ef i b r o u st i s s u et r e n dt og r o wu p ，d y n a m i cr e c o v e r ya n dd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n o c c u r s ；d i s l o c a t i o nd e n s i t yd e c r e a s e sg r a d u a l l y ；s u b g r a i nd i m e n s i o nt r e n d st o w a r d s i n c r e a s e ；t h em a i ns o f t e nm e c h a n i s m so ft h ea l l o yt r a n s f o r m sf r o md y n a m i cr e c o v e r y t od y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n t h em a i nd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o ni sg e o m e t r i cd y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o n ( g d r x ) ，h a v e a l s ot a k e n p l a c e i nc o n t i n u o u s d y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o n ( c d r x ) i i i r ) - a i - m n s i 合金热变形及连续挤压管材组织性能研究 ( 3 ) t e n s i l ep r o p e r t i e so fa i - m n s i - xa l l o ye x t r u d e dt u b ed u r i n gt e n s i o nt e s th a s b e e na n a l y z e db ys e m w i t ht h ed e c r e a s eo fs ic o n t e n t ，t e n s i l es t r e n g t ht r e n dt og r o w u p ，e l o n g a t i o nt e n d st od e c r e a s ea n dp l a s t i cd e c l i n e ；t h em a i nf r a c t u r em o d ei sd u c t i l e f r a c t u r e k e y w o r d s ：a i - m n s i 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 r 硕士学位论文 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 i i 第1 章绪论1 1 1 铝锰系合金综述1 1 1 1 铝锰系合金中合金元素的特点及作用1 1 1 2 铝锰系合金的研究现状及应用2 1 2 铝合金热变形理论基础4 1 2 1 铝合金热变形流变模型4 1 2 2 铝合金热变形过程中的动态行为6 1 3 铝材连续挤压技术9 1 3 1 连续挤压技术基本工作原理9 1 3 2 连续挤压技术在型材生产中的应用1 0 1 4 本文的研究目的、研究内容及技术路线1 l 1 4 1 本论文研究目的及意义1 1 1 4 2 本论文研究的主要内容1 1 1 4 3 本论文采用的技术路线1 2 第2 章实验条件与方法1 3 2 1 实验材料1 3 2 2 标准试样的制备1 3 2 3 热模拟压缩实验1 3 2 4 显微组织观察1 3 2 4 1 光学显微镜观察( o m ) 1 4 2 4 2 透射电镜观察( t e m ) 1 4 2 5 连续挤压管材力学性能研究1 4 2 5 1 室温拉伸试验测试1 4 2 5 1 扫描电镜观察( s e m ) 1 4 第3 章a 1 m n s i x 合金高温热压缩变形行为1 5 3 1 引言1 5 3 2 新型a 1 m n s i x 合金高温热变形流变应力行为1 5 3 2 1 应变量对流变应力的影响1 6 v a l - l j i n s i - x 合金热变形及连续挤压管材组织性能研究 3 2 2 变形速率对流变应力的影响1 7 3 2 3 变形温度对流变应力的影响1 7 3 3 新型a i m n s i x 合金热变形本构方程的建立1 8 3 3 1 本构方程的建立1 8 3 3 2 本构方程中材料常数的求解1 9 3 3 3 误差分析2 4 3 3 4 温升修正2 5 3 4 新型a 1 m n s i x 合金高温压缩过程中显微组织演变2 6 3 4 1 水平连铸杆料显微组织2 7 3 4 2 变形速率对金相显微组织的影响2 7 3 4 3 变形温度对金相显微组织的影响2 8 3 4 4 不同i n z 值对金相组织的影响2 9 3 5 新型a 1 m n s i x 合金高温压缩透射显微组织分析3 1 3 5 1 位错形态演变规律3 1 3 5 2 亚晶演变规律3 3 3 5 3 析出相变化规律3 4 3 6 新型a i m n s i 。x 合金高温压缩过程中动态软化行为3 7 3 7 本章小结4 0 第4 章a 1 m n s i x 合金连续挤压管材力学性能研究4 2 4 1 引言4 2 4 2 新型a 1 m n s i x 合金连续挤压管材力学性能研究4 2 4 2 1 不同s i 含量新型a 1 m n s i x 合金力学性能4 2 4 2 2 宏观端口分析4 4 4 2 3 微观断口分析4 4 4 3 连续挤压管材工业生产及应用4 7 4 3 1 新型合金型材在实际条件下的考核情况一4 7 4 3 2 新型合金型材性能与相关产品的比较4 7 4 4 本章小结4 8 结论4 9 参考文献5 0 致谢5 6 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 7 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 铝锰系合金综述 铝锰系合金是以锰为主要合金元素的铝合金，属于热处理不可强化铝合金， 其塑性高，焊接性能好，强度比1 0 0 0 系铝合金高，而耐腐蚀性能与1 0 0 0 系铝合 金相接近，是一种耐腐蚀性能良好的中等强度铝合金【l 】。铝锰系合金主要包括m n 、 s i 、f e 等合金元素，具有优良的成形性能、钎焊性能和耐腐蚀性能，被广泛用来 制作汽车热交换器，是汽车轻量化材料的关键。近几年，随着铝合金在汽车行业 应用越来越广泛，对于铝合金提出了更高的要求，铝锰系合金由于m n 含量较高， 铸造过程容易发生晶内偏析，从而会导致合金耐腐蚀性能下降并且不利于合金的 加工性，因而限制了铝锰系合金在空调和制冷业的应用。因此研究铝锰系合金的 热加工后组织演变规律和性能有着重大意义。 1 1 1 铝锰系合金中合金元素的特点及作用 铝锰系合金主要添加m n ，s i ，f e ，c r ，z r ，t i 等合金元素，各合金元素对于 合金性能的作用如下： 1 m n 的影响 m n 是铝锰系合金中重要组成元素，主要生成a 1 6 m n 弥散相，它能阻碍再结晶 晶粒的长大，细化晶粒从而提高合金的强度【2 1 。合金中锰含量一般控制在1 0 1 6 之间，含量过多会生成粗大脆硬的a 1 6 m n 相损害合金的性能【3 】。同时a 1 6 m n 相可 以溶解杂质f e 形成a 1 6 ( f e m n ) 相从而减小杂质元素的危害，但是当f e 和m n 含量 之和大于1 8 6 的时候，会生成粗大偏析聚集物，影响合金的力学性能和加工性 能，所以f e 和m n 的含量一般不大于1 8 。当m n 含量为o 8 的时候合金的延 伸率达到最大值。同时a 1 6 m n 相的电极电位与a l 基体相等，对于合金的耐腐蚀性 能不会有影响。 2 s i 的影响 当m n 含量一定时，合金的抗拉强度随s i 含量的增加而升高。随着s i 含量的 增加，能改善合金的铸造性能和焊接性能，并且可以细化晶粒，从而型材的抗拉 强度得到提高，但是过剩的s i 会在晶界处偏析，降低合金塑性；同时，s i 粒子在 晶界上的偏聚会增加晶间腐蚀的敏感性，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。铝锰合金的抗拉强度也会随m n 含量的增加而提高，但是增加的程度是有限的。s i 与m n 会形成复杂的三元相 t ( a 1 1 2 m n 3 s i 2 ) ，该相也能溶解杂质f e ，形成( a 1 f e m n s i ) 四元相。若合金中f e 和s i a 1 一m n s i x 合金热变形及连续挤压管材组织性能研究 同时存在，则先形成c t ( a l l 2 m n a s i 2 ) 或p ( a 1 9 f e 2 s i 2 ) 相，其中a 1 1 2 m n 3 s i 2 ( 口相) 颗粒 相为细小弥散相，对合金再结晶中的晶界迁移有阻碍作用。当f e 含量过多时，粗 大的( a 1 f e m n s i ) 四元相增多，在热轧过程中会破碎，成为新晶粒的形核质点。所 以为了防止破坏f e 的有利影响，故合金中s i 含量应控制在0 6 以下。s i 也能降 低m n 在铝基体中的溶解度，而且比f e 的影响大。f e 和s i 可以加速在热变形时 m n 从过饱和固溶体中的分解过程，也可以提高合金的力学性能【4 。6 】。 3 f e 的影响 f e 能溶于a 1 6 m n 形成a 1 6 ( f e m n ) 化合物，有细化再结晶晶粒的作用，并且可 以减小f e 对合金耐腐蚀性能的不利影响。生产中f e 一般添加0 4 0 7 ，可以有 效地细化板材退火后的晶粒。通常情况下保持合金中f e 与s i 的质量比大于2 ：3 ， 当f e 和s i 的比例不当时铸锭裂纹倾向增大，会影响合金材料的深加工成形性能。 4 c r ，z r 及t i 的影响 合金中添加c r 和z r ，会生成a i ( m n f e c r ) s i 或a i ( f e m n c r ) s i 以及a 1 3 z r 等弥 散相。随着弥散相的增多，促使位错滑移均匀，提高合金的强度、塑性和弯曲性 能，而且可以细化再结晶晶粒，提高再结晶温度，阻碍再结晶的形核和长大，抑 制再结晶的发生，对合金有一定的强化作用。这些细晶组织有利于合金力学性能 和抗腐蚀性能的提高，但c r 含量加入过高会导致合金的加工性能降低。t i 是一种 常用的晶粒细化剂，一般是以a 1 t i 、a 1 t i b 、a 1 t i c 中间合金的形式加入，研 究表明其与a l 生成的a 1 t i 3 相，可以作为再结晶形核的质点促进形核外，还可以 抑制晶粒生长，有效地细化组织，提高合金的成形性。 1 1 2 铝锰系合金的研究现状及应用 1 铝锰系合金的研究现状 铝锰合金是热处理不可强化合金，突出的特点是密度低、耐蚀、导热、导电 性能好，且具有良好的非磁性、反射性、优良的焊接性能和加工性能等，其力学 性能主要是通过加工硬化和退火工艺或是优化合金的成分来控制的pj 。优化的方法 主要是通过改变熔铸及加工工艺来实现的，目前的研究主要从优化合金组织和性 能或者拓展合金的应用等方面着手。国内外铝锰合金主要发展趋势如下：( a ) 从合 金成分的角度着手，调整合金中主要元素成分配比，对合金的结构和性能做进一 步改善，优化开发出新型铝锰合金。( b ) 添加微量元素，研究微量元素的最佳含量 和最佳加入温度，进一步优化铝锰合金的组织和性能。( c ) 采用先进的净化变质处 理方法和先进的铸坯制备技术，提高铸锭冶金质量、特殊性能以及综合性能。( d ) 优化铝锰合金的塑性变形工艺及热处理均匀化工艺。 由于铝锰合金具有优良的焊接性能，同时其强度比工业纯铝高约3 0 ，且具有 和纯铝相当的导热性能和耐腐蚀性能，使得其能广泛地应用于空调的热交换器和 2 硕士学位论文 连接管等方面【8 】。3 0 0 3 等铝合金被作为传统合金用于制造热交换器和散热片，其缺 点是在真空钎焊加热过程中会发生变形，挠度大，对管体的牺牲阳极保护效果不 佳，通水管体容易发生穿孔腐蚀等；还有4 0 0 4 1 3 0 0 3 4 0 0 4 三层复合铝合金硬钎焊带 是真空钎焊制造汽车热交换器必不可少的材料。 近几年国家对于汽车轻量化项目的研究和技术开发大力支持，国内很多企业 对于汽车散热器材料进行广泛研发，以满足因铝质热交换器结构设计不断改进而 提出对合金强度和耐腐蚀性更高的要求，并且获得了专利保护。通过改变合金质 量配比获得一种耐腐蚀性能良好的合金，冷轧加工成最后的箔材成品，所的产品 的强度较高，高温下抗下垂性良好，能更好的解决了汽车散热器钎焊翅片不塌陷 的问题 9 - 1 3 1 ，并且能较好的满足热交换器对材料的诸多要求。专利通过拉拔制作了 一种车用散热器冷却扁管【l4 1 ，该合金比同类产品具有较高的强度，焊接和腐蚀性 优异。最近申请的专利选择最佳的m n ，s i ，f e ，v ，c r ，z r ，t i ，c u 的组成分量， 获得了具有高强度和高耐腐蚀性，以及良好加工成型性能的钎焊铝合金箔材，其 耐腐蚀性能为3 0 0 3 合金的3 倍，相同状态的合金抗拉强度提高了1 5 以上【1 5 】。 张德芬等人通过高温等温压缩试验研究并分析了3 1 0 4 铝合金的流变应力和再 结晶行为，得到了在低形变温度( 3 5 0 c ) 和低形变速率( o 0 3 5 s 1 ) 下，通过透射显微 镜( t e m ) 观察到该合金发生了动态再结晶i l6 j ；并且通过应用取向分布函数( o d f ) 研究了3 1 0 4 铝合金经过不同温度固溶及时效处理后的冷轧织构组态，发现温度对 其冷轧织构组分类型和强度都有显著影响，最明显的是出现了较强的旋转立方织 构组分，随着时效的进行和温度的提高，溶入固溶体中的m n 、f e 、s i 原子不断析 出，溶质原子和析出相粒子在变形过程阻碍了位错滑移，使晶粒转动受阻，进而 使不稳定取向旋转立方织构被不同程度的保留下来【1 7 。9 1 。 1 9 4 6 年l i t t l e 2 0 。2 l 】等人首先在a 1 m n s i 合金中发现了一种新相的成分，这种相 被定义为g 相，之后又有很多关于a 1 m n 和a 1 m n s i 析出相的报道。但是对于这种 相的晶体结构、晶格参数和化学成分持有不同的观点：主要认为这两种相的结构 有两种，分别是a 1 6 m n 和a 1 1 2 m n 3 s i 2 相。a 1 6 m n 相是一种正交晶体或者说是立方结 构；a 1 1 2 m n 3 s i 2 相是一种简单的立方体或者是体心立方结构( b c c ) 。x i a n y i n gm e n g 等人通过透射显微镜( t e m ) 观察，研究了a 1 m n s i 合金的析出相的演变规律，发现 了两种金属间化合物分别是多晶体的析出相a 1 1 2 ( m n f e c u ) 1 3 s i 2 和立方结构的a 1 6 m n 相【2 2 1 。 2 铝锰系合金的应用 长期以来一直采用铜质合金作为制作空调散热器材料，但是受到价格和资源 等原因限制了其的广泛应用。近几十年来，随着汽车轻量化的发展以及低成本的 汽车加工和装配技术的进步，在散热器新材料研制方面有了很大的发展，尤其是 逐渐用铝合金来代替铜合金。铝合金主要是作为车体材料被广泛应用，如发动机 a i m n s i x 合金热变形及连续挤压管材组织性能研究 零件，变速器零件和热交换器( 包括水箱、冷凝器、蒸发器) ，当前世界上汽车空调 散热器已全部实现铝化，因为铝比铜资源丰富，质量轻，易成形、密封性好、腐 蚀性能优良，变形抗力小利于合金的加工以及价格低等优点【23 | ，被广泛地应用于 包装材料、热交换材料、焊接材料、感光材料、装饰材料等以及各种需要加工成 形和耐腐蚀性能比纯铝高的场所。 铝锰合金优良的性能，决定了其广泛的用途，随着对其组织及性能的进一步 优化，其用途将得到进一步拓展。截至到1 9 9 3 年底，散热器的铝化率在欧洲国家 已经达到了9 0 ，美国达到6 0 ，日本达到2 5 。目前，国外对于汽车空调散热 器用高精度铝合金多孔扁管的材质研发已发展到用d 9 7 、3 0 0 3 和31 0 4 等合金，厚 度尺寸逐渐从5 m m 变为3 m m 或2 m m 以下，壁厚尺寸逐渐由l m m 变为o 4 m m 以 下，管壁外表面采用多种涂层技术从而提高管材的耐腐蚀性能。因此，对于汽车 用空调散热器高精度铝合金管材的开发与生产加紧建设，这对于形成国产化、系 列化、专业化的汽车空调散热器用高精度铝合金管材的生产线，降低汽车生产成 本，提高我国汽车工业水平，具有十分深远的意义。 1 2 铝合金热变形理论基础 1 2 1 铝合金热变形流变模型 金属热变形流变应力行为是表征金属塑性变形性能的一个最基本量，它不仅 受合金化学成分，变形温度，应变速率和变形程度的影响，同时也与变形体内显 微组织密切相关。近几年来对于流变模型在合金中的应用已经非常广泛，日益趋 于成熟，它可以精确计算合金高温变形抗力参数，并为制定合理的热加工工艺提 供理论依据。目前，国内外在这方面的研究已经十分活跃2 4 2 9 】。 在二次加工或热变形过程中，铝合金的高温流变应力盯的大小强烈地取决于 变形温度乙、应变速率亡、变形程度s 、合金化学成分c ，以及变形体内显微组 织结构s ，并且还与热处理制度等有密切的关系。 通常可将其表达为【3 0 】： 盯= 厂( s ，营，c ，s ) ( 1 1 ) 实际变形加工过程中，合金的化学成分c 一般不会发生变化，可以忽略其影 响，可作为材料常数来处理，但是变形体内显微组织结构s 会受变形条件的制约， 所以式( 1 1 ) 也可以改为如下表达式： 仃= 厂( s ，叠，乙) ( 1 2 ) 迄今为止，研究者们提出用于描述金属高温变形过程中流变应力的数学关系 有很多，并且建立了与之相对应的数学模型，即材料的本构方程模型。 以下介绍了几种常用的本构方程模型的表达方式。以下方程的表达形式能较 4 硕士学位论文 准确地描述特定的材料如钢、铜、铝合金等的流变应力行为。 s w i f t 方程3 1 】 o p = c p + 氏) ” ( 1 3 ) v o c e 方程【3 2 - 3 3 】 = 仃芦一( c r 一o ) e x p ( 一刀占) ( 1 4 ) 其中方程( 1 5 ) 与( 1 6 ) 的准确性有局限性，( 1 5 ) 式对于描述达到最大应力前的 应变阶段比较准确，而( 1 6 ) 则是表达在更高应变阶段时的流变应力情况。 r 3 4 1 h o l l o m o n 方程” c r p = c s ” ( 1 5 ) l u d w i k 方程【3 5 】 盯p = 仃叩+ c s ” ( 1 6 ) f i e l d sa n db a e k o f e n 方程【3 6 】 仃，= c e ”叠历 ( 1 7 ) g r o s m a n 方程【3 7 】 盯。= c e ”e x p ( m 占) 套m( 1 8 ) 方程( 1 7 ) 与( 1 8 ) 都忽略了一个十分重要的因素，门和所都是随温度变化的函 数，因此把它们看成常数只能是一种近似值，之后又有人把温度因素考虑到模型 里面【3 8 】： 盯口= c c ”e x p ( n l s ) d “e x p ( a 1 t )( 1 9 ) 盯口= c c ”e x p ( 啊占) 营”们e x p ( a l t ) ( 1 10 ) 盯口= c s ”妒e x p ( 占) 叠”枷e x p ( a l t ) ( 1 1 1 ) 以上表达式中，盯p 为应力，o p 。为屈服点，盯p ，为饱和应力，刀、n l 均为材料 应变硬化系数，m 为材料应变速率敏感系数，c 、口1 、b 、6 2 均为材料系数。 在高温塑性变形过程中，变形属于大应变，有时候应变对流变应力的影响是 可以忽略不计的，1 9 4 4 年z e n e r 和h o l l o m o n 【3 9 1 提出了一种既包括应变速率也包括变 形温度的z 参数修正模型，从而使得材料参数的求解更为准确。 盯口= f ( z ，叠)( 1 1 2 ) z _ 如x p ( 岳) = 彳 s i n h ( c r c r ) ” ( 1 1 3 ) 式中z 为z e n e r h o l l o m o n 参数，其物理意义为温度补偿应变速率因子。 以上这几类模型，均直接描述了应变速率、变形温度和变形程度等变形条件 对流变应力的影响，这几类模型都适用于加工硬化行为占主导的时候，对于材料 内部结构s 对于流变应力的影响没有考虑进去。材料内部结构主要指发生了动态 回复，动态再结晶，晶粒的尺寸，位错的变化，相的结构分布等。由于这些缺陷， a i m n s i x 合金热变形及连续挤压管材组织性能研究 材料变形过程中对材料内在结构状态影响的因素，得到了另一类模型： 仃n 舌p = a ( s i n h 昔) ”e x p ( 一熹) ( 1 1 4 ) )【 对于选择本构模型计算合金的流变应力方程时，要考虑模型的适用性和模 确性，并且所选模型应便于计算和进行数据的处理。针对不同的本构方程 在实际应用中，已知彳、q 、m 以及甩等材料常数，便可利用所建立的本构 求出材料在任意变形条件下的流变应力大小，这一系列方程已经在挤压、 压缩和扭转等常规的热加工变形的研究之中被广泛地应用。 铝合金热变形过程中的动态行为 合金热轧过程中显微组织发生了形变硬化及形变软化，形变软化主要是动 和动态再结晶，此外还可能伴随有部分高温析出相的生成。材料软化主要 位错在热激活和外加应力的作用下通过刃型位错攀移或螺型位错交滑移， 错发生合并、重组和销毁；材料硬化主要表现为合金的加工硬化，是由于 程中位错增殖及位错间的相互作用而形成位错塞积所造成的。铝合金热变 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。 铝合金中的动态回复机制 属的塑性变形过程中总存在一定程度的加工硬化，加工硬化与位错的密度 关，随变形量增大位错密度增加趋势逐渐减弱，加工硬化效应逐渐低于线 规律，这种效应被称为动态回复。动态回复过程中螺型位错交滑移和刃型 移从而使得位错对消，形成多边形化的亚晶组织。在形变硬化的初始阶段， 位错不是在金属晶体中均匀分布而是形成封闭的胞壁，并且通过稳态形变 来，亚晶粒尺寸及位错密度不再发生变化【4 0 4 卵。 结构尺寸大小主要是受变形温度和应变速率的影响，低温变形时胞壁主要 错缠结构成的，当温度升高时胞壁开始锐化，胞结构最先变成小角度晶界， 成亚晶，随变形温度的升高或应变速率的降低，稳态亚晶粒粗化长大并且 加完善。这是由于在高温和低应变速率时，位错易于发生交滑移与攀移， 错增加趋势逐渐减弱；当应变速率较低时，亚结构有充足的时间长大，亚 部和边界上的位错密度减小的更完全并逐渐排列整齐。 金高温蠕变研究中提出了几种动态回复的位错机制，主要包括【4 6 , 4 7 ：( a ) 刃 攀移；( b ) 螺型位错的交滑移；( c ) 滑动螺型位错刃型割阶的非守衡运动；( d ) 陷钉扎的位错脱钉及三维位错网络缠结等。合金在热加工变形下的显微组 化、应变速率和变形温度的关系与高温蠕变是一致的，所以可以用这几种 解释热加工的显微组织演变规律。在流变应力曲线上动态回复现象表现为 段：过渡变形阶段和稳态变形阶段。如图1 1 所示，流变应力不随应变的增 6 硕士学位论文 加而变化的稳态应变。微观上，在变形阶段初期形变软化不能补偿位错密度增加 产生的硬化速度，所以应力值逐渐增加；达到稳态的流变应力时，随着应变量的 继续增加，真应力真应变曲线逐渐趋于平缓，当软化和硬化达到平衡时，变形就 进入了稳态变形阶段4 3 , 4 6 , 4 7 】。在稳态流变阶段，晶粒随变形方向伸长，位错密度 基本保持不变，由回复所形成的亚晶粒保持等轴形，尺寸不发生改变。 ir u e s l i 百n 图1 1 动态回复真应力真应变曲线示意图 动态回复结构的变化主要是位错对消迁移和重新排列，从而引起显微组织发 生多边形化和亚晶的形成长大。在稳态变形阶段，虽然流变应力趋于不变，但是 并没有达到合金显微组织的稳态，由于亚晶界面的张力作用以及位错密度的影响， 使得原始晶界沿变形方向发生局部迁移，晶界变成锯齿形。在热轧过程中亚结构 易于形成，其随着轧制道次的增加尺寸随之减小，这种亚结构在经过多道次轧制 后的等轴性会更高。动态回复亚结构变化有三种形式：( a ) 多边形化。多边形化是 由于变形过程中位错的交互作用，在垂直于滑移面的方向排列成位错墙，这些位 错墙是具有一定位相差的小角度晶界，它们将原来的一个弯曲的晶粒变为由几块 亚晶粒构成的多边形晶粒，故此过程称为多边化。( b ) 亚晶形成。在变形的多晶体 材料中，形变结构较复杂。在晶粒内部含有很多位错胞结构，胞内的位错密度比 较低，而位错胞之间是由高位错密度的位错缠结构成的胞壁。在动态回复过程中， 胞内的位错越来越少，胞壁的位错重新排列和对消，使胞壁减薄而逐渐变得锋锐， 最后形成位错网络。也就是说，胞壁完全锋锐了的胞块就转化为亚晶。( c ) 亚晶粗 化和长大。位错通过攀移由某些亚晶界、晶界中移除，使亚晶界逐渐消失，同时 此亚晶界两侧相邻的亚晶粒也发生转动，使两亚晶界的取向趋于一致而最终合并。 2 铝合金中的动态再结晶及组织演变 当变形温度高于0 4 t m 时，在变形过程中可能发生的再结晶被称为动态再结 晶，其是在热加工变形中新晶粒的晶核一旦形核，晶核就随之长大。所以，再结 晶主要受晶核质点控制。宏观上，在真应力真应变曲线中表现为流变应力随应变 的增加至出现一峰值后逐渐减小，最终达到稳态。根据曲线形态特征可分为三部 7 a i m n s i x 合金热变形及连续挤压管材组织性能研究 分，如图1 2 所示：i 区为压力加工硬化区，此时晶粒沿变形方向拉长，位错密度 逐渐增加；i i 区为部分再结晶区，此时动态再结晶晶粒同时在晶界上和晶粒内部 形成，动态再结晶晶粒的形成使得材料软化占主导，应力急剧下降；第1 i i 区域的 真应力真应变曲线可能会出现两种情况，如图1 2 ( a ) 曲线所示，即随着变形量继 续增加，应力基本不变，呈稳态变形；如图1