王 宇， 滕 杰,2， 陳 爽， 羅海波， 唐柳蓮,2, 張 輝,2

(1.湖南大學 材料科學與工程學院，長沙410082； 2. 湖南大學 湖南省噴射沉積技術及應用重點實驗室，長沙410082)

15%SiCP/8009鋁基復合材料熱壓縮流變應力行為

王 宇1， 滕 杰1,2， 陳 爽1， 羅海波1， 唐柳蓮1,2, 張 輝1,2

(1.湖南大學 材料科學與工程學院，長沙410082； 2. 湖南大學 湖南省噴射沉積技術及應用重點實驗室，長沙410082)

采用Gleeble-3500熱模擬試驗機對15%SiCP/8009鋁基復合材料在溫度為400～550 ℃和應變速率為0.001～1 s-1條件下的熱變形流變行為進行研究。結果表明: 流變應力在開始階段隨應變的增加而增大，出現峰值后逐漸趨于平穩(wěn)；流變應力隨溫度的升高而降低，隨應變速率的增大而升高，呈現出正應變速率敏感性；流變應力行為可以用雙曲正弦模型來描述，其熱變形激活能為488.3853 kJ/mol，應力指數為7.19022。

SiC顆粒增強；鋁基復合材料；熱變形；流變應力；本構方程

顆粒增強鋁基復合材料具有低密度、低膨脹、抗熱疲勞、高比強度和高耐磨性等良好的性能[1-2]。其中采用SiC顆粒增強的鋁基復合材料具有界面結合好、性能高、價格低、密度小等優(yōu)點，目前廣泛應用于航空航天、汽車、電子等高技術產業(yè)領域[3-4]。然而由于SiC顆粒與基體鋁合金的熱膨脹系數的差異，且SiC顆粒強度極高而脆，導致SiC顆粒增強的鋁基復合材料的塑性加工性能變差。近年來，國內外學者對SiC顆粒增強鋁基復合材料的熱變形行為進行了大量研究。Patel等[5]研究了10%SiCP/2014鋁基復合材料的熱變形行為，發(fā)現在高Z值時軟化機制為動態(tài)回復，低Z值時軟化機制為動態(tài)再結晶。Tong等[6]對15%SiCP/6061鋁基復合板料的熱拉伸變形進行研究，得到其應變速率敏感指數是0.17，其激活能為370 kJ/mol。吳紅丹等[7]對15%SiCP/7075鋁基復合材料的熱變形行為進行了研究，發(fā)現該材料在變形溫度為450 ℃以及應變速率為0.001～0.1 s-1條件下表現出超塑性。

8009耐熱鋁合金是一種新型的高溫鋁合金，該合金的有效使用溫度能達到300 ℃以上，加入SiC顆粒形成的SiCP/8009鋁基復合材料可進一步提高其高溫力學性能[8-9]。Xiao等[10]對8009耐熱鋁合金的高溫熱壓縮流變行為進行了研究，Yan等[11]對8009耐熱鋁合金板高溫拉伸變形進行了研究，但對SiCP/8009鋁基復合材料的熱變形流變行為鮮見有研究報道。本工作在Gleeble-3500熱模擬機上對粉末冶金法制備的SiCP/8009鋁基復合材料進行熱壓縮實驗，研究其流變應力行為，建立流變應力本構模型，為優(yōu)化制定SiCP/8009鋁基復合材料擠壓和鍛造等熱加工工藝和開展變形過程的有限元數值模擬分析提供必要的實驗數據和理論依據。

1 實驗材料及方法

實驗所用材料為粉末冶金與擠壓相結合制備的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料，該復合材料由快速凝固制備的8009 (Al-8.42Fe-1.29V-1.93Si) 鋁粉和體積含量15%、平均尺寸為10 μm的SiC粉末均勻混合后包套制坯，經過除氣，然后加熱到460 ℃擠壓成φ55 mm的棒材，材料金相組織如圖1所示。將棒材用線切割加工成φ10 mm×15 mm的圓柱形壓縮試樣，在Gleeble-3500熱模擬機上進行等溫壓縮實驗。為了減小試樣與壓頭之間的摩擦，壓縮時在槽內填充石墨潤滑劑，熱壓縮實驗開始前，對試樣進行加熱，加熱速率10 ℃/s，保溫時間3 min。實驗溫度為400～550 ℃，應變速率為0.001～1 s-1，總應變量為60%(真應變)。由Gleeble-3500計算機系統(tǒng)自動采集應力、應變、壓力、位移、溫度及時間等數據，繪制真應力-真應變曲線。

圖1 SiCP/8009鋁基復合材料熱變形前金相微觀組織Fig.1 Microstructure of SiCP/8009 aluminum matrix composite before hot compression

2 實驗結果

2.1 真應力-真應變曲線

圖2為SiCP/8009鋁基復合材料高溫熱壓縮變形 時不同變形溫度和應變速率條件下的真應力-真應變曲線。從圖2可知，在變形的開始階段流變應力隨著變形程度的增加迅速增大，當流變應力到達峰值后逐漸下降至一穩(wěn)定值，進入穩(wěn)態(tài)流變階段。該現象的產生是高溫熱壓縮變形過程中復合材料加工硬化和流變軟化共同作用的結果。在變形開始階段，外加應力使位錯密度急劇增加，交滑移導致的軟化作用低于硬化，加工硬化處于主導地位。同時SiC顆粒在晶界處釘扎，阻礙位錯的滑移，使得流變應力增大。隨著真應變的不斷增加，復合材料內部位錯、空位等缺陷密度不斷上升，晶內儲能快速積累，動態(tài)軟化與加工硬化達到平衡，應力逐漸穩(wěn)定，此時進入穩(wěn)態(tài)流變階段。此外，在同一應變速率下，SiCP/8009鋁基復合材料的流變應力隨著溫度的升高而明顯下降，這是由于變形溫度升高使金屬原子動能增加，位錯運動的阻力下降，空位、間隙原子等點缺陷也更加活躍，從而產生動態(tài)軟化降低流變應力；在同一變形溫度下，SiCP/8009鋁基復合材料的流變應力隨著應變速率的增大而增大，這說明此復合材料在該實驗條件下具有正的應變速率敏感性。

圖2 SiCP/8009鋁基復合材料不同應變速率下真應力-真應變曲線Fig.2 True stress-true strain curves at different strain rates for SiCP/8009Al (a)0.001 s-1;(b)0.01 s-1; (c)0.1 s-1; (d)1 s-1

2.2 流變應力本構方程

金屬材料的熱加工變形是一個受熱激活控制的過程，Sellars等[12]根據材料變形過程與高溫蠕變過程的相似性，采用包含變形激活能Q和溫度T的雙曲正弦修正的Arrhenius關系來描述材料熱加工變形過程中流變應力與變形溫度及應變速率之間的關系：

(1)

F(σ)=σn(ασ<0.8)(低應力水平)

(2)

F(σ)=exp(βσ)(ασ>1.2)(高應力水平)

(3)

F(σ)=[sinh(ασ)]n(所有應力)

(4)

α=β/n

(5)

通常對所有應力狀態(tài)(1)式表示如下：

(6)

式中：α為應力水平參數；n為應力指數；T為絕對溫度；R為氣體常數；σ為峰值應力。求出α，n，A，Q，即可描述材料的高溫流變特性，該式在整個應力范圍內可以較好地描述金屬材料在熱加工變形過程中的流變應力變化規(guī)律。

另外，Zener和Hollomon[15]于1944年提出并驗證了變形溫度和應變速率對流變應力的影響可以用溫度補償的應變速率因子Zener-Hollomon參數Z來描述：

(7)

對式(2)，(3)兩邊取對數：

(8)

(9)

由式(6)可得：

(10)

圖3 不同變形溫度下應變速率與流變應力之間的關系Fig.3 Relationship between strain rate and flow stress at different deformation temperatures (a) ln σ-ln

在一定的應變和應變速率下對式(10)中1/T求偏導得：

(11)

圖4 不同變形溫度下應變速率與流變應力之間的關系Fig.4 Relationship between strain rate and flow stress at different deformation temperatures

圖5 不同應變速率下流變應力與變形溫度的關系Fig.5 Relationship between flow stress and deformation temperature at different strain rates

對式(7)求對數得:

(12)

lnZ=lnA+nln[sinh(ασ)]

(13)

圖6 ln Z與ln[sinh(ασ)]之間的關系Fig.6 Relationship between flow stress and Zener-Hollomon parameter

將上述過程所得出的材料常數代入式(1)可以得到SiCP/8009鋁基復合材料熱變形的流變應力方程：

(14)

將溫度、變形速率代入獲得的流變應力方程，得到計算峰值，求取計算峰值與實測峰值之間的相對誤差(圖7)。通過計算表明整體平均誤差為5.726%。這表明該流變應力方程能較好地表征SiCP/8009鋁基復合材料的高溫流變行為。

圖7 計算峰值與實測峰值之間的相對誤差Fig.7 Relative error between the peak value and the measured peak

熱變形激活能Q的大小可作為反映材料熱加工難易程度的一個重要物理參數。上述求得SiCP/8009鋁基復合材料的變形激活能為488.3853 kJ/mol，這比一般(2000系、6000系、7000系)SiC顆粒增強鋁基復合材料激活能要高很多[5-7]，這是由于8009耐熱鋁合金本身塑性較差，合金中存在高體積分數的α-Al12(Fe,V)3Si 熱穩(wěn)定彌散顆粒，使得其變形比較困難[16]。同時，這比基體8009耐熱鋁合金激活能(300 kJ/mol)要高[17]，這是由于SiC顆粒的加入，變形中在繞過較大尺寸的顆粒時，需要較高的應力，使得材料變形困難，導致激活能明顯提高。

3 結 論

1) SiCP/8009鋁基復合材料高溫熱壓縮變形時流變應力開始隨應變的增加而增大，出現峰值后逐漸趨于穩(wěn)態(tài)流變特征。流變應力隨變形溫度的升高而降低，隨變形速率的提高而增大，表現出正的應變速率敏感性。

2) 可用包含Zener-Hollomon參數的雙曲正弦關系來描述SiCP/8009鋁基復合材料熱變形流變行為，其流變應力方程為：

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(責任編輯：徐永祥)

Flow Stress Behavior of 15%SiCP/8009 Aluminum Matrix Composite During Hot Compression Deformation

WANG Yu1, TENG Jie1,2, CHEN Shuang1, LUO Haibo1, TANG Liulian1,2, ZHANG Hui1,2

(1. College of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China; 2. Hunan Province Key Laboratory for Spray Deposition Technology and Application, Hunan University, Changsha 410082, China)

The flow stress behavior of 15%SiCP/8009 aluminum matrix composite at deformation temperature of 400-550 ℃ and strain rate of 0.001-1 s-1was studied by hot compression testing on the Gleeble-3500 thermal-mechanical simulator. The results show that the flow stress increases initially and reaches a plateau after peak stress value with the increase of strain. The peak stress increases with the increase of strain rate and deformation temperature. The flow stress behavior can be described by the hyperbolic sine constitutive equation with the deformation activation energyQof 488.3853 kJ/mol and the stress indexnof 7.19022.

SiC particle reinforced; aluminum matrix composites; hot compression; flow stress; constitutive equation

2016-08-09；

2016-10-22

湖南省戰(zhàn)略性新興產業(yè)科技攻關與重大科技成果轉化項目(2014GK1063,2016GK4056)；國家自然科學基金 (51574118)

張 輝(1963—)，男，博士，教授，主要研究方向為金屬基復合材料，(E-mail) zhanghui63hunu@163.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.000140

TG146.2

A

1005-5053(2017)02-0007-06