沈文濤 張 鵬 高 蕾 孫丙金

(中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司，四川618000)

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試驗(yàn)研究

7050鋁合金熱壓縮本構(gòu)方程

沈文濤 張 鵬 高 蕾 孫丙金

(中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司，四川618000)

利用Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了7050鋁合金熱軋板材高向試樣在應(yīng)變速率0.01 s-1～3 s-1，變形溫度為250～450℃條件下的恒速率等溫壓縮實(shí)驗(yàn)。得到了材料的流變應(yīng)力曲線，分析了合金的流變應(yīng)力變化特征，建立了合金的流變應(yīng)力本構(gòu)方程，為采用7050鋁合金熱軋板材作為坯料進(jìn)行熱加工工藝提供了理論依據(jù)。

7050鋁合金；熱變形；應(yīng)力-應(yīng)變曲線；本構(gòu)方程

鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度高、疲勞強(qiáng)度好及抗應(yīng)力腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中起著巨大的作用。鋁合金鍛件是鋁合金制品中非常重要的一種形式，具有組織均勻、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、船舶、能源動(dòng)力、石油化工等領(lǐng)域特別重要的承力結(jié)構(gòu)部件。7050鋁合金是在7075基礎(chǔ)上提高Zn、Cu含量以及Cu/Mg的比值，并用Zr代替Cr，克服了淬火敏感性問題，調(diào)整了晶粒尺寸，使其具有更高的強(qiáng)度、斷裂韌性以及抗應(yīng)力腐蝕性能[1]，廣泛應(yīng)用在飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)件上，如機(jī)身框架、艙壁、桁條、托架、起落架支撐部件等。

有些鋁合金鍛件的生產(chǎn)坯料直接采用熱軋板材，但鋁合金鑄錠經(jīng)過軋制后形成板材結(jié)構(gòu)，強(qiáng)烈的各向異性影響材料鍛造成型過程，因此需要研究鋁合金熱軋板材高度方向的高溫流變行為。本文利用Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)研究了7050鋁合金熱軋板材高度方向在恒速率等溫壓縮條件下的高溫流變行為，并建立了合金的高溫變形本構(gòu)方程。

1實(shí)驗(yàn)材料與方案

實(shí)驗(yàn)用料為國(guó)內(nèi)某公司提供的熱軋板材，其化學(xué)成分見表1。沿板材高度方向取樣，加工成兩端具有0.1 mm凹槽的?8 mm×12 mm圓柱形試樣，熱壓縮前將試樣加熱至470℃，保溫300 s后快速冷卻，使材料等溫壓縮時(shí)具有相同的原始組織。實(shí)驗(yàn)在Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，變形溫度250～450℃，應(yīng)變速率0.01 s-1～3 s-1，真應(yīng)變?yōu)?.69，等溫壓縮時(shí)試樣兩端凹槽填充石墨潤(rùn)滑劑。

表1 熱軋板材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

材料變形過程中的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線反映了流變應(yīng)力與變形條件之間的內(nèi)在聯(lián)系，是材料內(nèi)部組織變化的宏觀表現(xiàn)[2]。圖1為不同變形條件下7050鋁合金熱軋板材高向的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。由圖1可見，材料的流變應(yīng)力與變形溫度、變形速率相關(guān)。相同溫度下，隨著應(yīng)變速率的增大，峰值應(yīng)力逐漸增大，達(dá)到峰值應(yīng)力所需的應(yīng)變量逐漸增大。相同的應(yīng)變速率下，隨著溫度的升高，峰值應(yīng)力逐漸減小，出現(xiàn)峰值應(yīng)力所需應(yīng)變量減小。隨溫度的升高和應(yīng)變速率的減小，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所需要累積的變形能減小，峰值應(yīng)變逐漸減小。

從圖1可見，250℃與350℃材料變形曲線特征相似，主要經(jīng)過加工硬化階段、過渡變形階段和穩(wěn)態(tài)變形階段。在真應(yīng)變未達(dá)到0.05時(shí)材料主要處于加工硬化階段，宏觀表現(xiàn)為材料變形抗力隨變形量的增加而迅速升高。當(dāng)真應(yīng)變達(dá)到0.05后，材料處于過渡變形階段，宏觀表現(xiàn)為材料的變形抗力上升速度減慢， 此時(shí)出現(xiàn)“軟化”現(xiàn)象，通過與典型的動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶曲線對(duì)比，可初步認(rèn)為主要的軟化機(jī)制是動(dòng)態(tài)回復(fù)。隨著變形量進(jìn)一步升高，位錯(cuò)密度進(jìn)一步增大，超過一定變形量后變形儲(chǔ)存能成為再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶“軟化”。當(dāng)“軟化”速率與硬化速率平衡時(shí)，應(yīng)力達(dá)到最大值，隨著動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的進(jìn)行，軟化速率大于硬化速率，應(yīng)力值逐漸下降，逐步進(jìn)入穩(wěn)態(tài)變形階段。400℃與450℃材料變形曲線特征相似，主要經(jīng)過加工硬化階段、穩(wěn)態(tài)變形階段，并具有明顯的峰值應(yīng)力，可判斷材料達(dá)到一定變形量后發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)變形階段。

2.2 流變應(yīng)力本構(gòu)方程

材料高溫變形是一個(gè)熱激活過程，其流變應(yīng)力與相關(guān)變形參數(shù)(應(yīng)變速率、應(yīng)變和溫度)之間的關(guān)系可用受熱激活控制的動(dòng)力學(xué)方程來表示[3]：

適用于低應(yīng)力水平(ασ<0.8)：

適用于高應(yīng)力水平(ασ<1.2)：

適用于所有應(yīng)力水平：

將基于上述四式構(gòu)造7050鋁合金高溫變形本構(gòu)方程，分別對(duì)方程式1、2、3、4兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，可得：

取0.5真應(yīng)變處應(yīng)力：

依據(jù)方程式8，對(duì)lnZ-ln[sinh(ασ)]作圖，線性回歸得到直線的截距l(xiāng)nA平均值為30.2，如圖2所示，則A=1.305 2×1013。

根據(jù)雙曲正弦函數(shù)的定義及方程式4，可將σ表達(dá)成Zener-Hollomon參數(shù)Z值的函數(shù)：

圖2 線性回歸圖

將求得的相關(guān)系數(shù)帶入方程式3，可以得到適用于所有應(yīng)力狀態(tài)的7050鋁合金應(yīng)力-應(yīng)變速率方程為：

包含Z參數(shù)的7050鋁合金流變應(yīng)力本構(gòu)方程為：

3 結(jié)論

(1)7050鋁合金在恒速率等溫?zé)釅嚎s過程中有明顯的動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，相同溫度下，隨著應(yīng)變速率的增大，流變應(yīng)力峰值逐漸增大；相同的應(yīng)變速率下，隨著溫度的升高，峰值應(yīng)力逐漸減小。

(2)7050鋁合金高溫變形激活能為Q=177 899J/mol，建立了適用于所有應(yīng)力狀態(tài)的7050鋁合金應(yīng)力-應(yīng)變速率方程。

(3)建立了包含Z參數(shù)的7050鋁合金流變應(yīng)力本構(gòu)方程。

[1] 劉世興，田世興，陳昌麒. 7050鋁合金鍛件的力學(xué)性能和斷裂機(jī)制研究[J]. 材料工程，1996(4):34-37.

[2] 王德尊. 金屬力學(xué)性能[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1989：6-8.

[3] 胡會(huì)娥. 7050鋁合金高溫變形行為及微觀組織演化[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

[4]J.P.Poirier，關(guān)德林. 晶體的高溫塑性變形[M]. 大連：大連理工大學(xué)出版社，1989：30.

編輯 杜青泉

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Constitutive Equation of Hot Compression for 7050 Aluminum Alloy

Shen Wentao, Zhang Peng, Gao Lei, Sun Bingjin

By using Gleeble-3800 thermal simulation testing machine, the constant speed and temperature compression test has been performed on the sample taken from 7050 aluminum alloy hot rolled plates under conditions with strain rate of 0.01 s-1～3 s-1and deformation temperature of 250～450℃. The flow stress curve of material has been obtained. By analyzing the change characteristics of flow stress, the constitutive equation for flow stress of alloy has been established, so as to provide the theoretical basis for performing the hot working processes on 7050 aluminum alloy hot rolled plates.

7050 aluminum alloy; hot deformation; stress-strain curve; constitutive equation

2016—07—01

TG122

A