成生偉，田文懷

(北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083)

藥型罩做為破甲彈戰(zhàn)斗部的核心部件，其形狀、材質(zhì)、成形工藝等都對破甲效果有直接影響[1-4]。在成形工藝方面，最近的研究表明電鑄技術(shù)是制備藥型罩較為合適的方法[5-7]。在選材方面，鎳及其合金由于具有優(yōu)良的塑性、沖擊韌性和耐腐蝕等特點(diǎn)，成為制備藥型罩的常選材料之一[8-9]。W具有高熔點(diǎn)、高密度，Ni具有高聲速、優(yōu)良的動態(tài)變形性能，二者的結(jié)合使得Ni-W合金成為一種有潛力的藥型罩材料。另外，藥型罩在裝藥前一般要進(jìn)行機(jī)加工以確保其尺寸精度，因而熱變形是藥型罩制造過程中必不可少的重要環(huán)節(jié)，對藥型罩的性能有較大的影響。Ni-W合金作為該類合金的新品種之一，有關(guān)其熱變形研究方面還未見報(bào)道。

本文作者研究電鑄Ni-W合金在熱壓縮過程中的真應(yīng)力—應(yīng)變曲線，以及流變應(yīng)力與變形速率、變形溫度的關(guān)系，確立合金熱變形的本構(gòu)方程，擬為其熱加工工藝的制定以及生產(chǎn)過程中變形組織和性能的預(yù)測和控制提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

以氨基磺酸鎳和鎢酸鈉為主鹽，檸檬酸為絡(luò)合劑，用氨水調(diào)節(jié)電鑄液pH為4，采用直流電鑄法制備Ni-W合金，陽極采用純度為99.98%的鎳板，陰極為單面用過氯乙烯膠絕緣的不銹鋼薄片，電鑄溫度為70 ℃，陰極電流密度為10 A/dm2，電鑄時(shí)間為100 h。制備的合金成分如表1所列。電鑄完成后試樣加工成圓柱體，尺寸為d8 mm×10 mm。

表1 電鑄Ni-W合金的化學(xué)成分Table1 Chemical composition of electroformed Ni-W alloy(mass fraction, %)

將加工好的試樣在Gleeble-1500型熱模擬機(jī)上進(jìn)行等溫壓縮試驗(yàn)。壓縮溫度為400~600 ℃，應(yīng)變速率為0.001~0.1 s-1，總壓縮量達(dá)到真應(yīng)變0.7。試驗(yàn)時(shí)將試樣以5 ℃/s的速度加熱到所需溫度，保溫3 min，在試樣兩端面涂敷機(jī)油石墨潤滑劑以減小摩擦力的影響，壓縮后的試樣迅速水冷到室溫。熱模擬試驗(yàn)后的試樣沿中面切割、腐蝕，然后在OLYMPUS PMG3顯微鏡上觀察其金相組織。

2 結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)變速率與變形溫度對真應(yīng)力—應(yīng)變曲線的影響

壓縮試驗(yàn)的真應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖1所示。由圖1可以看出，在相同溫度下，隨應(yīng)變速率的增加，材料的真應(yīng)力值升高；在相同的應(yīng)變速率下，真應(yīng)力隨溫度增加而下降。圖1(a)、(b)中變形速率為0.001、0.01 s-1時(shí)550、600 ℃對應(yīng)的曲線和圖1(c)中450~600 ℃對應(yīng)的曲線表現(xiàn)為應(yīng)力達(dá)到峰值后下降至一穩(wěn)定值保持不變，為動態(tài)再結(jié)晶型應(yīng)力應(yīng)變曲線；圖1(a)、(b)中的400~500 ℃的曲線其應(yīng)力值在較大應(yīng)變下保持不變或者仍上升，為動態(tài)回復(fù)型應(yīng)力—應(yīng)變曲線。可以推知，隨著變形溫度的升高和變形速率的降低，其真應(yīng)力—應(yīng)變曲線由動態(tài)再結(jié)晶型向動態(tài)回復(fù)型轉(zhuǎn)變。

圖1 電鑄Ni-W合金在不同條件下熱壓縮變形的真應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.1 True stress—true strain curves of electroformed Ni-W alloy during hot compression deformation under different conditions: (a) =0.001 s-1; (b) =0.01 s-1; (c) =0.1 s-1

應(yīng)變速率對合金的流變應(yīng)力影響顯著，在溫度一定、材料的組織結(jié)構(gòu)不變的情況下，隨應(yīng)變速率的增大，位錯結(jié)構(gòu)形成的速度越快，晶體內(nèi)由于原子間和位錯間的相互作用迅速形成內(nèi)應(yīng)力場和能量勢壘。然而，變形是由擴(kuò)散控制的位錯攀移引起的或者由割階攀移控制的螺位錯開動引起，位錯運(yùn)動需要外力和熱激活的驅(qū)動來克服有內(nèi)應(yīng)力構(gòu)成的障礙和能量勢壘，在溫度一定的情況下，熱起伏的作用是有限的，因此流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率增大而增大[10-11]。變形溫度是影響流變應(yīng)力的另一重要因素，隨著變形溫度的升高，原子活動的動能增加，各種點(diǎn)缺陷的擴(kuò)散加快，依賴于擴(kuò)散的位錯開動易于進(jìn)行，熱激活能的作用增強(qiáng)，位錯運(yùn)動依靠的有效應(yīng)力減小致使流變應(yīng)力降低；另一方面，高溫下變形將發(fā)生動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶，這種軟化作用也隨著溫度的提高而加強(qiáng)，可減輕或消除由于塑性變形而產(chǎn)生的加工硬化[12]。

峰值應(yīng)力的出現(xiàn)是由位錯堆積造成的硬化和動態(tài)再結(jié)晶軟化共同作用的結(jié)果。金屬的高溫變形是一個(gè)熱激活過程，溫度升高會使熱激活過程增強(qiáng)，可以立即引起回復(fù)現(xiàn)象的出現(xiàn)而不需要孕育期。在這過程中，由加工硬化造成的位錯密度會有所下降，宏觀上表現(xiàn)為流變應(yīng)力下降。

2.2 熱壓縮變形對合金組織的影響

圖2 電鑄Ni-W合金在=0.01 s-1和不同溫度下的金相組織Fig.2 Metallographic structures of electroformed Ni-Walloy under =0.01 s-1 and different temperatures: (a) Uncompressed; (b)400 ℃; (c) 450 ℃; (d) 500 ℃; (e) 550 ℃; (f) 600 ℃

2.3 合金熱激活能與本構(gòu)方程

研究表明，金屬熱變形和高溫蠕變行為類似，都是一個(gè)受熱激活控制的過程，因此金屬的熱變形可用高溫蠕變時(shí)的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行描述，即應(yīng)變速率、溫度T與流變應(yīng)力σ可用Zener-Hollomon參數(shù)Z表示[13-15]：

式中：為應(yīng)變速率，s-1；T為熱力學(xué)溫度，K；R為摩爾氣體常數(shù)；Q為變形激活能，kJ/mol。

熱變形時(shí)、T和σ之間的數(shù)學(xué)關(guān)系主要有以下3種情況。

1) 低應(yīng)力水平情況下(ασ＜0.8 時(shí))：

2) 高應(yīng)力水平下(ασ＞1.2 時(shí))：

3) 整個(gè)應(yīng)力水平時(shí)：

式中：A1、A2和β均為與溫度無關(guān)的常數(shù)；σ為流變應(yīng)力，MPa；A為結(jié)構(gòu)因子，s-1；α為應(yīng)力水平參數(shù)，MPa-1，α=β/n；n為應(yīng)力值數(shù)。

對式(2)和(3)兩邊取對數(shù)，并取σ為穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力，分別以ln和lnσ及l(fā)n和σ為坐標(biāo)作圖，利用最小二乘法線性回歸，可得圖3。n可取圖3(a)中5條直線斜率的平均值，得n=15.083；β值可取圖3(b)中5條直線的斜率的平均值，得β=0.157。α=β/n=0.014。

在整個(gè)應(yīng)力水平下，對式(4)兩邊取自然對數(shù)的微分可得：

取電鑄Ni-W合金材料在不同應(yīng)變速率和溫度下的流變應(yīng)力、應(yīng)變和各自的應(yīng)力水平參數(shù)，做出ln[sinh(ασ)]—1/T以及 ln—ln[sinh(ασ)]關(guān)系曲線，如圖4圖所示。根據(jù)圖4(a)可以求得直線的平均斜率為5.81，圖4(b)中直線的平均斜率為 8.52，從而可以得到變形激活能Q=411.55 kJ/mol。

圖3 電鑄Ni-W合金峰值應(yīng)力與應(yīng)變速率之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between peak stress and strain rate of electroformed Ni-W alloy: (a) Curves between ln˙ and lnσ;(b) Curves between ln˙ and σ

將式(4)帶入式(1)，并對式兩邊取自然對數(shù)，可得

分別將合金的變形激活能Q、R以及對應(yīng)的變形溫度T、應(yīng)變速率帶入式(6)可求得相應(yīng)的lnZ值。然后分別取不同應(yīng)變速率和溫度下的穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力、應(yīng)變值，作出lnZ—ln[sinh(ασ)]的散點(diǎn)圖，并作線性回歸，如圖5所示。由式(7)可知，lnA和n分別為 lnZ—ln[sinh(ασ)]關(guān)系曲線中的截距和斜率，可得n=8.12，lnA=45.6，則A=6.37×1019。

將求得的各材料參數(shù)帶入式(4)，得到電鑄 Ni-W合金熱壓縮時(shí)的流變應(yīng)力方程為

圖4 ln[sinh(ασ)]與應(yīng)變速率和變形溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between ln[sinh(ασ)]and strain rate and temperatures: (a) Curves between ln[sinh(ασ)]and 1/T; (b)Curves between ln and ln[sinh(ασ)]

圖5 參數(shù)Z與ln[sinh(ασ)]的關(guān)系Fig.5 Relationship between Zener-Hollomom parameter and ln[sinh(ασ)]

利用式(9)可為電鑄Ni-W合金變形組織的預(yù)測、控制及熱加工工藝的制定提供理論依據(jù)。

3 結(jié)論

1) 電鑄Ni-W合金熱壓縮變形時(shí)的流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率提高而增大，隨變形溫度升高而降低。當(dāng)溫度高于550 ℃和應(yīng)變速率為0.01~0.1 s-1時(shí)，合金流變曲線呈現(xiàn)明顯的動態(tài)再結(jié)晶特征。

2) 變形溫度對電鑄Ni-W合金顯微組織有較大影響，當(dāng)應(yīng)變速率為0.01 s-1、變形溫度高于550 ℃時(shí)，合金發(fā)生了完全的動態(tài)再結(jié)晶。

3) 電鑄Ni-W合金熱壓縮變形時(shí)的熱變形激活能為 411.55 kJ/mol，流變應(yīng)力方程為=6.37×1019·

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