趙婷，鄧?yán)冢跣略?/p>

（華中科技大學(xué)，武漢 430074）

2024鋁合金是典型的Al-Cu-Mg系高強(qiáng)度硬鋁合金，由于其具有比強(qiáng)度高、焊接性能良好的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航天、航空和汽車制造領(lǐng)域［1］。該合金在室溫下塑性低，成形零件時(shí)一般采用熱成形。熱成形過程中，材料除了發(fā)生軟化行為，還伴隨著微觀組織的變化［2—3］。微觀組織的變化將對(duì)零件力學(xué)性能產(chǎn)生決定性的影響［4—5］，因此，研究材料在高溫條件下的流變行為和微觀組織演化對(duì)指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。

板材成形時(shí)，材料的變形狀態(tài)以拉伸變形為主。而目前關(guān)于材料微觀組織演化的研究一般通過壓縮實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)［6—8］，這與板材的變形狀態(tài)不一致，無法準(zhǔn)確體現(xiàn)材料的變形特征。文中通過高溫拉伸實(shí)驗(yàn)和金相實(shí)驗(yàn)來研究2024鋁合金板材的高溫拉伸流變行為和微觀組織演化規(guī)律，并運(yùn)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來建立描述其流變行為的本構(gòu)關(guān)系和描述其微觀組織演化規(guī)律的晶粒尺寸模型，為2024鋁合金板材熱成形工藝的開發(fā)和組織控制奠定理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所采用的材料為5 mm厚的T4態(tài)2024鋁合金軋制板材。對(duì)板材先進(jìn)行完全退火處理，板材加熱到410℃，保溫2 h，再以每小時(shí)30℃的速度隨爐冷卻至270℃，最后空冷，組織為長(zhǎng)軸狀晶粒，如圖1所示，平均晶粒尺寸為25 μm。根據(jù)《GB/T 4338—006金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)方法》，在5 mm厚的2024鋁合金板材上利用電火花線切割沿著軋制方向切出標(biāo)準(zhǔn)片狀拉伸試樣，試樣標(biāo)距為45 mm。為避免表層粗大晶粒的影響［9］，在試樣厚度兩側(cè)各去掉1 mm，試樣厚度最終為3 mm。

在Zwick/Roell Z020電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上對(duì)所加工拉伸試樣進(jìn)行等溫拉伸試驗(yàn)。試樣保溫3 min之后開始拉伸變形，試驗(yàn)溫度分別為300，350，400，450 ℃，應(yīng)變速率分別為0.001，0.01，0.1 s-1，拉伸試驗(yàn)的停止條件分別設(shè)定為4.73 mm（對(duì)應(yīng)真實(shí)應(yīng)變量為0.1）、9.96 mm（對(duì)應(yīng)真實(shí)應(yīng)變量為0.2）和拉斷。變形完成立即水冷保留高溫變形組織，大應(yīng)變量條件下的金相觀察位置按照等效應(yīng)變的方法取在對(duì)應(yīng)變形條件下拉斷試樣的頸縮區(qū)域。等效應(yīng)變的方法是基于頸縮區(qū)域某位置的橫截面是由均勻變形而來的假設(shè)，該位置所對(duì)應(yīng)的均勻拉伸長(zhǎng)度等于原始變形體積除以該位置的橫截面積。通過等效應(yīng)變的方法可以在拉斷試樣頸縮區(qū)域取到真實(shí)應(yīng)變量為0.3，0.4，0.5和0.7的金相組織。各變形條件對(duì)應(yīng)的試樣被處理成金相觀察試樣，進(jìn)行機(jī)械磨拋和電解拋光之后，在DMM-480金相顯微鏡下觀察，平均晶粒尺寸通過ASTM E112-96標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量。

圖1 2024鋁合金軋制板材經(jīng)退火處理之后的金相組織Fig.1 Microstructure of original rolled 204 aluminum alloy sheets after annealing treatment

2 結(jié)果及討論

2.1 流變行為

圖2 拉伸真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 The true stress-strain curves under different deformation conditions

圖3 應(yīng)變速率敏感系數(shù)隨著溫度的變化規(guī)律Fig.3 Dependence of strain rate sensitivity coefficient on temperature

在材料成分確定的條件下，材料塑性變形過程中的流變應(yīng)力σ一般采用Sellars和Tegart［10］提出的包含變形溫度T、應(yīng)變速率和變形激活能Q的雙曲正弦函數(shù)來表示:

式中:R為氣體常數(shù)，A，α和n均為與溫度無關(guān)的常數(shù)。在不同的應(yīng)力水平，即ασ的不同取值范圍有不同的表達(dá)式［11—12］，式（1）可以簡(jiǎn)化為:

分別對(duì)式（1）、（2）和（3）中的3個(gè)等式取自然對(duì)數(shù)，可以得到當(dāng)溫度一定時(shí)，ln與σ，ln與ln σ，ln與ln（sinh（ασ））都呈線性關(guān)系。取σ為各變形條件下峰值應(yīng)力σp，線性擬合得到如圖4所示的各參量之間的關(guān)系。得到等式中各常數(shù)的取值，從而得到拉伸狀態(tài)下2024板材的流變應(yīng)力本構(gòu)方程為:

所求得的2024鋁合金板材熱拉伸應(yīng)力狀態(tài)下的熱激活能為173.74 kJ/mol，其他學(xué)者對(duì)各種鋁合金熱變形條件下的變形激活能也有研究，如6061鋁合金［13］、7050［14］和 2618［15］鋁合金熱壓縮變形條件下的激活能分別為242.2，264.06，181 kJ/mol。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)文中所求得的拉伸條件下的激活能明顯小于壓縮狀態(tài)下其他鋁合金，這與高溫變形時(shí)的微觀組織演化機(jī)制有關(guān)。對(duì)于鋁合金材料高溫壓縮變形，微觀組織演化的機(jī)制一般為晶界遷移和小角度晶界的演化［16］，而高溫拉伸條件下，微觀組織演化機(jī)制為晶界滑移［17］和小角度晶界的演化。

圖4 各參量之間的關(guān)系Fig.4 The relationship between the various parameters

2.2 微觀組織演化行為

所得高溫拉伸變形后的金相組織如圖5所示，可以看到，溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)變量對(duì)晶粒的形態(tài)和尺寸都有一定的影響?？傮w而言，各變形條件下拉伸變形后未發(fā)生大量的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。針對(duì)這種微觀組織演化特點(diǎn)，提出了一種新的唯象型模型來描述變形過程中的平均晶粒尺寸。

圖5 不同變形條件下的拉伸變形試樣的金相圖Fig.5 Metallographic structure of samples after tension deformation under different conditions

模型中將平均晶粒尺寸的改變歸因于溫度、應(yīng)變速率、應(yīng)變量和初始晶粒尺寸的影響，不考慮再結(jié)晶晶粒的形成過程。模型可以表述為方程（5）。式中:f1（ε）為關(guān)于應(yīng)變量ε的方程，f2（Z）為關(guān)于Zener-Hollomon參數(shù)（Z=exp（Q/RT））的方程，d0為初始晶粒尺寸。

統(tǒng)計(jì)得到ln（d0-davg）與ε和lnZ之間的關(guān)系，如圖6所示。所得曲線滿足二次多項(xiàng)式分布規(guī)律，這與金泉林的研究成果一致［18］。采用頂點(diǎn)式二次函數(shù)形式描述圖5所示的變量關(guān)系。最終式（5）可以變形為式（6）的形式。

式中，A，B，C，D，M和N為材料常數(shù)。采用式（6）擬合的2024鋁合金高溫拉伸變形平均晶粒尺寸模型如式（7）所示，擬合度達(dá)到0.86，模型結(jié)果與所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合。

從模型中可以看出，當(dāng)ε=0.544，lnZ=28.7534時(shí)，平均晶粒尺寸最小。結(jié)合圖4中的金相結(jié)果可以看出，隨著溫度的升高或應(yīng)變速率的降低（Z參數(shù)減小），晶粒尺寸變大，這是因?yàn)闇囟壬邔?dǎo)致原子的擴(kuò)散系數(shù)變大，高溫下位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)更容易發(fā)生，從而使得晶粒邊界的遷移能力增加，晶粒長(zhǎng)大。而應(yīng)變速率的提高會(huì)增加晶界的儲(chǔ)能，促進(jìn)再結(jié)晶形核，形成更多的細(xì)小再結(jié)晶晶粒，造成平均晶粒尺寸減小。隨著應(yīng)變量的增加，晶粒邊界被拉得更為平直，晶粒尺寸隨應(yīng)變量的增加先減小后增大。這主要是因?yàn)樵诟邷乩爝^程中發(fā)生了少量的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，產(chǎn)生了細(xì)小晶粒，造成平均晶粒尺寸減小;隨后由于再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大，使得平均晶粒尺寸增大。

模型可以描述變形過程中晶粒尺寸的變化量，還可以獲得平均晶粒尺寸最小時(shí)的變形條件，有利于實(shí)際生產(chǎn)過程中優(yōu)化工藝參數(shù)，獲得細(xì)小晶粒，提高零件性能。

圖6 與ε和lnZ之間的關(guān)系示意圖Fig.6 Dependence of on ε and ln Z

3 結(jié)論

1）2024鋁合金的流變應(yīng)力隨溫度的升高而降低，流變應(yīng)力對(duì)應(yīng)變速率有正的敏感性，隨著溫度的升高，應(yīng)變速率敏感系數(shù)變大。其高溫拉伸條件下的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)方程為:=4.889×1011·［sinh（0.013 29σ）］5.546158·exp（-1.737 435×105/RT）。

2）2024鋁合金高溫拉伸變形后的平均晶粒尺寸隨溫度的升高而變大，隨應(yīng)變速率的升高而減小;平均晶粒尺寸隨應(yīng)變量的增加先減小后增大。

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