李金龍， 姜 鋒， 蹇海根， 陳宜釗， 徐燕萍

（中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083）

B93高強鋁合金是俄羅斯研制成功的鋁合金結(jié)構(gòu)材料，該合金的棒材和大型鍛件被廣泛應(yīng)用于軍用飛機等武器裝備領(lǐng)域，如軍用飛機的高載部位、商用運輸機的機翼桁梁、翼梁、貨艙導(dǎo)軌等重要受力構(gòu)件，是航空航天領(lǐng)域廣泛采用的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料之一［1～3］。跟同一系列的 Al-Zn-Mg-Cu 合金相比，B93鋁合金未添加Mn，Cr等元素，合金的鑄造性能更好，裂紋傾向較小，因此，特別適用于制作大型鍛件等加工制品，是一種性能優(yōu)良的高強鍛造鋁合金［4～6］。由于鋁合金在常溫條件下塑性較低，制件一般需要經(jīng)過高溫塑性加工成型。因此，對鋁合金熱加工特性的研究具有重要的工程意義。

近年來，鋁合金熱加工特性的研究進展順利［7～9］，周紀(jì)華等采用恒應(yīng)變速率凸輪塑性針對四種鋁合金的流動應(yīng)力進行了研究，提出了擬合精度較高的四個鋁合金流動應(yīng)力的數(shù)學(xué)模型，并給出了數(shù)學(xué)模型的回歸系數(shù)值［10］。Senars等考慮到金屬穩(wěn)態(tài)變形過程中亞晶尺寸、亞晶內(nèi)位錯密度、亞晶界取向差變化，對鋁-鎂合金熱軋過程中的流變應(yīng)力、再結(jié)晶行為進行了模擬和預(yù)測［11］。隨著模擬技術(shù)的應(yīng)用，有人對不同系列的鋁合金熱加工進行了模擬，建立了不同的本構(gòu)方程用于指導(dǎo)實際過程，也有人利用熱模擬技術(shù)分析了不同系列的鋁合金熱加工過程的組織轉(zhuǎn)變。然而，B93鋁合金熱加工特性的研究鮮有報道。

目前，為了滿足工廠實際的大規(guī)格棒材的批量化生產(chǎn)需要，研究熱加工過程中B93鋁合金變形溫度，變形速率對組織的影響尤為重要［12，13］。本工作采用軸對稱等溫壓縮實驗方法模擬均勻化后鑄錠的熱加工特性，研究合金高溫變形時的組織變化特征，結(jié)合加工圖的計算分析來確定其熱變形的流變失穩(wěn)區(qū)，獲得實驗參數(shù)范圍內(nèi)熱變形過程的最佳工藝參數(shù)。

1 實驗方法

實驗材料為B93鋁合金，其主要合金成分（質(zhì)量分數(shù)/%）為:Zn 6.8，Mg 2.0，Cu 1.0，F(xiàn)e 0.3，Si 0.2，Al余量。將半連續(xù)鑄錠加工成 φ10mm×15mm的圓柱，在Gleeble 1500熱模擬試驗機上進行圓柱單向熱壓縮。實驗中在試樣兩端涂上高溫石墨潤滑劑（75%石墨+20%46#機油+5%硝酸鉀三苯酯，質(zhì)量分數(shù)），為了防止碳化物壓頭與試樣相連，在壓頭與石墨潤滑劑之間放置一層厚度為0.1mm的鉭片。實驗參考工廠實際工藝參數(shù)取值范圍，壓縮溫度為350℃，380℃，420℃，450℃和470℃，應(yīng)變速率為 0.001 s-1，0.01s-1，0.1s-1，1s-1和10s-1，總壓縮變形程度為50%。壓縮前升溫速率為2℃/s，保溫時間為3min。熱變形后迅速水冷，一部分試樣沿壓縮軸線剖開，利用金相顯微鏡觀察組織;一部分試樣表面經(jīng)過清洗，用掃描電鏡直接觀察。

2 實驗結(jié)果

2.1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

為了方便對比和分析，表1列出了不同變形溫度和不同應(yīng)變速率條件下對應(yīng)的峰值應(yīng)力，變形溫度為420℃和應(yīng)變速率為0.001s-1的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線見圖1。從表1和圖1可以看出，在相同的變形溫度下，隨著應(yīng)變速率的增加，峰值應(yīng)力增加;在相同的應(yīng)變速率下，隨著變形溫度升高，峰值應(yīng)力降低。

表1 不同應(yīng)變速率、不同變形溫度對應(yīng)的峰值應(yīng)力（MPa）Table 1 The top stress of B93 alloy under different strain rates and deform temperatures（MPa）

圖1 B93鋁合金熱壓縮變形真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.1 The stress-strain curves of compression of B93 alloy （a）T=420℃;（b）ε=0.001s-1

2.2 組織形貌觀察

圖2為不同等溫壓縮變形條件下的金相顯微組織。由圖可以看出，低溫壓縮變形后（圖2a，b），熱變形組織發(fā)生了回復(fù)并伴隨少量的動態(tài)再結(jié)晶，隨著溫度的升高，再結(jié)晶晶粒逐漸長大，熱變形組織為完全再結(jié)晶組織（圖2c，d）。

圖3所示為不同變形條件下樣品的掃描照片。對應(yīng)的熱加工試樣表面熱裂情況總結(jié)列于表2中。

表2 熱壓縮后樣品表面熱裂情況Table 2 The surface crack of specimen after hot compression

由圖3和表2可知，在較低溫度和較低應(yīng)變速率條件下，B93鋁合金樣品表面沒有產(chǎn)生熱裂紋。在高變形溫度低應(yīng)變速率條件下，樣品表面也沒有產(chǎn)生熱裂紋，但是當(dāng)應(yīng)變速率達到1s-1時，試樣出現(xiàn)了熱裂紋，屬于明顯的晶界開裂。且溫度越高，應(yīng)變速率越大，樣品變形起伏程度也越大，產(chǎn)生熱裂紋的幾率就越大。

2.3 加工圖

根據(jù)材料動態(tài)數(shù)學(xué)模型［14］的觀點，通過研究合金高溫壓縮過程中溫度、應(yīng)變速率以及應(yīng)變等工藝變量之間的內(nèi)在關(guān)系，將變形溫度和應(yīng)變速率的功率耗散圖與失穩(wěn)圖相疊加，即可獲得合金的加工圖。首先，從實驗數(shù)據(jù)中獲得恒定變形溫度、恒定應(yīng)變速率下的不同應(yīng)變的流變應(yīng)力，根據(jù)流變應(yīng)力，利用三次樣條插值法和最小二乘多項式相結(jié)合來處理實驗數(shù)據(jù)，得到每個溫度下的流變應(yīng)力對應(yīng)變速率的函數(shù)lgσ=f（lgε）;然后，計算出每個溫度下的應(yīng)變速率敏感指數(shù)m。

功率耗散圖代表材料顯微組織改變時功率的耗散，其變化率可用一個無量綱參數(shù)表示，即功率耗散系數(shù)η［15］，由應(yīng)變速率敏感指數(shù)m可以計算出功率耗散系數(shù)η:

失穩(wěn)圖是根據(jù)不可逆熱力學(xué)極值原理，用另一個無量綱參數(shù)ξ（）表示大塑性流變時的連續(xù)失穩(wěn)判據(jù)［16］:

圖4 B93鋁合金不同應(yīng)變下的加工圖Fig.4 The processing map of B93 alloy with different strain（a）ε=0.1;（b）ε=0.3;（c）ε=0.5

加工圖表明，在變形溫度為300～500℃、應(yīng)變速率為0.001～10s-1范圍內(nèi)，應(yīng)變量0.1代表過渡變形的狀態(tài)，應(yīng)變量0.3代表應(yīng)力達到峰值時的狀態(tài)，應(yīng)變?yōu)?.5代表穩(wěn)態(tài)流變的狀態(tài)。對比圖4a，b和c可知，應(yīng)變?yōu)?.1的加工圖不存在失穩(wěn)區(qū);應(yīng)變?yōu)?.3的加工圖，當(dāng)應(yīng)變速率大于1s-1時約在整個溫度區(qū)間合金出現(xiàn)變形失穩(wěn);應(yīng)變?yōu)?.5的加工圖，當(dāng)溫度低于400℃，應(yīng)變速率大于0.1s-1以及高溫高應(yīng)變速率條件下合金出現(xiàn)變形失穩(wěn)。

3 分析與討論

3.1 熱變形條件對合金組織的影響

一般情況下，動態(tài)再結(jié)晶后的晶粒尺寸與應(yīng)變速率和變形溫度等因素相關(guān)。在相同的應(yīng)變速率下（圖1b和圖2a，c），隨著變形溫度的升高，熱激活過程增強，進而使變形生成高的空位濃度降低，這時位錯也具有足夠的活動能力，克服金屬變形結(jié)構(gòu)對它的釘扎作用而發(fā)生運動。溫度升高造成的熱激活能可以立即引起回復(fù)現(xiàn)象的出現(xiàn)而不需要孕育期，合金動態(tài)再結(jié)晶的形核率和長大速率都增加，進而使動態(tài)再結(jié)晶軟化作用增強。同時，溫度的升高也使得晶界的切變抗力顯著降低，易于晶界滑動，從另一方面使變形抗力有所降低，這樣的變形條件適合鋁合金熱加工。在相同的變形溫度下（圖1a），隨著應(yīng)變速率的升高，晶粒的變形程度是增加的，動態(tài)再結(jié)晶后的晶粒尺寸變大。同時在金屬塑性變形不充分的情況下，彈性變形量增大，內(nèi)部的位錯大量增殖，位錯密度急劇增加，這樣位錯運動的速率就大大降低，導(dǎo)致再結(jié)晶的形核率和長大速率降低，此時動態(tài)再結(jié)晶的軟化作用不明顯，金屬的變形抗力增大，因此增大變形速率不利于合金熱加工。

3.2 熱變形條件對試樣表面熱裂紋的影響

表面熱裂紋的生成受變形溫度和應(yīng)變速率的綜合影響。低應(yīng)變速率和變形溫度下（圖3a，d），試樣的表面有方向性的條紋，但沒有形成表面熱裂紋，說明合金處在安全加工區(qū)域。這種情況下塑性變形比較充分，彈性變形量比較小，流變應(yīng)力水平很低。同時，晶界沒有氧化或熔化，也沒有發(fā)生滑移，試樣的變形比較均勻。當(dāng)溫度高于450℃時，低應(yīng)變速率條件下試樣表面沒有形成熱裂紋（圖3e，g）。而高溫高應(yīng)變速率下（圖3f，h），試樣表面明顯開裂，裂紋方向垂直于壓縮方向，晶界局部會出現(xiàn)氧化或熔化，晶界的切變抗力顯著降低，使得晶界滑動易于進行，變形抗力有所減小。與此同時，高應(yīng)變速率下，試樣內(nèi)部和外部的變形不充分，內(nèi)部強化作用明顯，應(yīng)力值很大，而表面由于摩擦的存在，表面變形的等效切變應(yīng)力比較小，造成變形困難，表面變形程度小于內(nèi)部中心變形程度，導(dǎo)致腰鼓形成。鼓形出現(xiàn)后，試樣內(nèi)產(chǎn)生附加應(yīng)力，這種附加應(yīng)力表現(xiàn)為試樣心部受壓，鼓出的部分受拉，造成鐓粗變形時開裂。

3.3 B93鋁合金加工圖的分析

根據(jù)工廠材料熱加工的實際情況，在后續(xù)的擠壓、鍛壓等過程中，材料所受的應(yīng)變量均較大。應(yīng)變量達0.5以后，材料進入穩(wěn)態(tài)變形，PRASAD［17］指出穩(wěn)態(tài)變形后應(yīng)變量對熱加工圖的影響不大，認為不同應(yīng)變量下熱加工圖的形狀相似，故選取應(yīng)變量為0.5時的加工圖中安全加工區(qū)域（圖4c）進行重點分析。應(yīng)變?yōu)?.5的加工圖中功率耗散系數(shù)較大的區(qū)域有3個，每個區(qū)域的最大功率耗散系數(shù)均在0.3左右，其溫度分別為300℃（低溫），420℃（中溫），500℃（高溫）左右。在較低溫度區(qū)域（圖3a），即變形溫度為300℃左右、應(yīng)變速率約為0.01s-1時，是該合金的溫加工區(qū)域，溫加工后材料只進行人工時效，對合金制品的最終性能有一定的影響，工廠實際生產(chǎn)過程中一般不采用。在高溫變形時，功率耗散系數(shù)最大值約為0.34，但其變形組織粗大（圖2d），將對其力學(xué)性能產(chǎn)生影響，表面會出現(xiàn)熱裂紋（圖3h），加工過程中容易開裂，因此高溫區(qū)不適宜進行該合金的熱加工。在中溫區(qū)，變形溫度為420℃、應(yīng)變速率約為0.001s-1時，其功率耗散系數(shù)最大值約為0.3，組織細小（圖2b），試樣表面起伏比較均勻（圖3c）。中溫區(qū)是該合金的熱變形區(qū)域，可以進行熱鍛、熱擠壓等變形加工。熱壓縮實驗表明鑄錠在420℃左右熱軋，熱軋效果較好，繼續(xù)升高熱加工溫度，熱軋板坯就會開裂。所以，B93鋁合金適宜的熱加工溫度范圍應(yīng)當(dāng)在420℃左右。

4 結(jié)論

（1）B93鋁合金熱壓縮變形時，峰值應(yīng)力隨變形溫度的升高而降低，隨變形速率的提高而增大。

（2）低溫?zé)嶙冃谓M織發(fā)生了回復(fù)并伴隨少量的動態(tài)再結(jié)晶，高溫變形組織為完全再結(jié)晶組織。低應(yīng)變速率條件下，B93鋁合金樣品表面沒有產(chǎn)生熱裂紋，屬于安全加工區(qū)域。在高變形溫度條件下，當(dāng)應(yīng)變速率達到1s-1時，試樣出現(xiàn)晶界開裂，且溫度越高，應(yīng)變速率越大，產(chǎn)生熱裂紋的幾率就越大。

（3）基于動態(tài)材料模型，建立了B93鋁合金加工圖，確定了安全的熱加工區(qū)域:溫度為420℃左右，應(yīng)變速率為0.001s-1。

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