康福偉 張繼敏 樊德智 王珊珊

摘 要：利用Gleeble-1500D熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)在變形溫度350℃～470℃、應(yīng)變速率0.001s-1～10s-1、變形量50%的條件下對(duì)ZL114A合金進(jìn)行熱壓縮實(shí)驗(yàn)。研究了該合金在不同變形條件下真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的變化規(guī)律，并在Arrhenius雙曲正弦型方程的基礎(chǔ)上建立了ZL114A合金熱變形的本構(gòu)方程。將計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)得到的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果吻合良好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為ZL114A合金熱加工工藝的制定提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：ZL114A合金；熱變形；流變應(yīng)力；本構(gòu)方程

DOI：10.15938/j.jhust.2018.02.024

中圖分類號(hào)： TG376.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2018）02-0134-06

Abstract：At the condition of deformation temperature of 350～470 ℃， strain rate of 0.001～10 s-1， deformation of 50%， hot compression tests for ZL114A alloy were carried out by Gleeble-1500D thermal simulation testing machine. The characteristics of true stress-strain curves were studied under different testing conditions. The constitutive equations of ZL114A alloy were established base on the Arrhenius hyperbolic sine equation. Comparing the calculated values with testing values of true stress-strain， the results indicated a good fit. The testing results could provide theoretical basis for making a hot working process of ZL114A alloy.

Keywords：ZL114A alloy； thermal deformation； flow stress； constitutive equation

0 引 言

ZL114A合金具有優(yōu)良的鑄造性能，較高的比強(qiáng)度和韌性，良好的抗疲勞性能和耐蝕性能，是航天航空領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的鑄造鋁合金之一[1-5]。該合金主要用于制造飛機(jī)和導(dǎo)彈上承受高負(fù)荷的零部件，成分和性能與美國(guó)A356合金相似[6-8]。近年來(lái)，隨著飛行器零部件性能指標(biāo)的提高，對(duì) ZL114A 合金的綜合性能，尤其是塑性，提出了更高的要求。許多學(xué)者根據(jù)變形強(qiáng)化理論，利用熱塑性變形來(lái)提高鑄造鋁合金的綜合性能，已獲得良好的效果[9-10]。為了進(jìn)一步了解ZL114A合金在塑性變形過(guò)程中的力學(xué)行為，特別是合金流變應(yīng)力與變形溫度、應(yīng)變速率及真應(yīng)變之間的關(guān)系，本文通過(guò)熱模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)ZL114A合金的熱變形行為開展研究，建立合金的本構(gòu)關(guān)系方程，從而為該合金的熱加工工藝提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)所用ZL114A合金為Φ80mm×100mm鑄錠，成分如表1所示。從中切取Φ8mm×12mm的熱壓縮試樣若干，在Gleeble-1500D熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行熱壓縮實(shí)驗(yàn)。變形溫度為350℃、380℃、410℃、440℃和470℃，應(yīng)變速率為0.001s-1、0.01s-1、0.1s-1、1s-1和10s-1，變形量為50%。為減小摩擦，壓縮前在試樣兩端黏貼石墨片，壓縮結(jié)束后試樣立即水冷。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

圖1為ZL114A合金不同實(shí)驗(yàn)條件下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。由圖可知，合金的流變應(yīng)力變化趨勢(shì)基本一致，均呈現(xiàn)先上升再下降最終趨于平緩的特性，這是熱加工過(guò)程中材料的加工硬化和動(dòng)態(tài)軟化相互作用的結(jié)果。從真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線可以判斷ZL114A合金的軟化機(jī)制主要為動(dòng)態(tài)回復(fù)，符合鋁及鋁合金變形的一般規(guī)律。在變形開始階段，因位錯(cuò)密度增加而導(dǎo)致的加工硬化作用大于動(dòng)態(tài)回復(fù)而導(dǎo)致的加工軟化作用，因此隨著變形的進(jìn)行，流變應(yīng)力增加；當(dāng)應(yīng)變達(dá)到臨界應(yīng)變時(shí)，流變應(yīng)力達(dá)到最大值（即σp），之后加工硬化作用與流變軟化作用趨于一致，曲線出現(xiàn)近似水平階段。圖1（e）真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線表現(xiàn)為連續(xù)波動(dòng)特點(diǎn)，這是由于在應(yīng)變速率為10s-1時(shí)，動(dòng)態(tài)軟化和加工硬化的交替，使真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線出現(xiàn)連續(xù)起伏的波浪狀。

2.2 本構(gòu)方程的建立

合金的流變應(yīng)力本構(gòu)模型通常采用Sellars和Tegart提出的Arrhenius方程來(lái)表述，它具有指數(shù)型、冪函數(shù)型和雙曲正弦型3種形式[11-13]：

由式（4）、（5）可知，取各個(gè)變形條件下的峰值應(yīng)力，分別繪制ln-lnσ和ln-σ關(guān)系圖，并用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖2（a）和2（b）所示。取圖2（a）中各直線斜率平均值得n1=9.74，取圖2（b）中各直線斜率平均值得β=0.17，故α=β/n1=0.017454。

將、σp和α值代入式（6）中，進(jìn)行線性擬合分析得到ln-ln[sinh（ασ）]關(guān)系圖，如圖2（c）所示。取圖中各直線斜率的平均值，得n=7.2474。

在恒應(yīng)變速率條件下，假設(shè)一定溫度范圍內(nèi)Q值保持不變，根據(jù)式（3）可得：

式中A4，B均為常數(shù)。將不同條件下的σp代入式（7）中，進(jìn)行線性擬合得到ln[sinh（ασ）]-1/T關(guān)系圖，如圖2（d）所示。圖中各直線斜率平均值為B=4.1899。

Z參數(shù)也叫溫度補(bǔ)償應(yīng)變速率因子，它包含了熱變形過(guò)程中應(yīng)變速率和變形溫度兩個(gè)變量，將所求值代入式（9）中并作出lnZ-ln[sinh（ασ）]關(guān)系圖，用最小二乘法線性擬合后如圖3所示，相關(guān)系數(shù)大于0.99，線性關(guān)系吻合良好，表明ZL114A合金熱變形的流變應(yīng)力規(guī)律可以很好地用Z參數(shù)的雙曲正弦函數(shù)來(lái)表示。

2.3 應(yīng)變補(bǔ)償本構(gòu)方程

按照上述合金峰值應(yīng)力本構(gòu)方程的計(jì)算方法，考慮應(yīng)變對(duì)流動(dòng)應(yīng)力的影響[19-20]。本文為了更精確的預(yù)測(cè)ZL114A合金高溫變形行為以及流變應(yīng)力變化規(guī)律，在應(yīng)變0.05～0.65范圍內(nèi)，以0.1為步長(zhǎng)，計(jì)算了不同應(yīng)變量時(shí)材料常數(shù)α、Q、n和lnA的值，并通過(guò)5次多項(xiàng)式對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖4所示，各擬合系數(shù)如表2所示。

綜合前述內(nèi)容，可推導(dǎo)出在不同變形程度、變形溫度及應(yīng)變速率下，ZL114A合金的流變應(yīng)力計(jì)算公式，即考慮應(yīng)變對(duì)流變應(yīng)力的影響時(shí)，用Z參數(shù)表示的ZL114A合金高溫變形本構(gòu)關(guān)系模型如式（11）、（12）所示：

將引入了應(yīng)變?chǔ)诺牟牧蠀?shù)α、n、Q及l(fā)nA代入式（9）中，即可求出不同應(yīng)變下的流變應(yīng)力值，將引入應(yīng)變的流變應(yīng)力本構(gòu)方程計(jì)算的應(yīng)力值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。可以看出計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值相差較小，說(shuō)明本研究所建立的ZL114A合金本構(gòu)方程有較好的精度，可以用于實(shí)際鍛造過(guò)程的變形抗力計(jì)算以及作為有限元模擬的本構(gòu)方程。

3 結(jié) 論

1）ZL114A合金在本實(shí)驗(yàn)條件下，流變應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的增加、變形溫度的降低而增大，合金的軟化機(jī)制主要為動(dòng)態(tài)回復(fù)。

2）確定了峰值應(yīng)力、變形溫度和應(yīng)變速率三者的關(guān)系，建立了峰值應(yīng)變本構(gòu)方程為=1.0936×1018[sinh（0.017454σ]7.2474exp（-252504.4/RT）。

3）在Arrhenius方程的基礎(chǔ)上，獲得了變形激活能和本構(gòu)方程中材料常數(shù)隨真應(yīng)變的變化規(guī)律，建立了ZL114A合金在不同實(shí)驗(yàn)條件下的雙曲正弦型本構(gòu)方程。計(jì)算得到的應(yīng)力值與熱模擬實(shí)驗(yàn)得到的應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比，吻合較好，該方程可以為實(shí)際鍛造過(guò)程提供理論依據(jù)。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1]JIANG Longtao， WU Gaohui， YANG Wenshu， et al. Effect of Heat Treatment on Microstructure and Dimensional Stability of ZL114A Aluminum Alloy [J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China， 2010， 20（11）： 2124.

[2]范耀強(qiáng). ZL114A合金熱處理工藝研究 [D]. 太原： 中北大學(xué)， 2015： 1-7.

[3]趙金鳳. 鑄造工藝對(duì)鋁合金組織及性能的影響 [J]. 鑄造技術(shù)， 2015，26（8）： 2091-2092.

[4]YANG Chingyi， LI Shenglong， LI Chengkuo， et al. Effects of Be and Fe on the Mechanical and Corrosion Behaviors of A357 alloys [J]. Materials Chemistry and Physics， 2005， 93（2/3）： 412.

[5]康福偉， 彌寧， 李晨， 等. 變質(zhì)及熔體處理對(duì)過(guò)共晶鋁硅合金組織的影響 [J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2013， 18（4）： 117-120.

[6]康福偉， 劉洪匯， 劉凱， 等. 精煉工藝對(duì)ZL114A合金組織及性能的影響 [J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2015， 20（6）： 9.

[7]饒曉曉. A356鑄造鋁合金熱處理強(qiáng)化工藝研究 [D]. 武漢： 華中科技大學(xué)， 2007： 8-9.

[8]范宋杰， 何國(guó)球， 劉曉山， 等. A356鋁合金力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu) [J]. 有色金屬， 2008， 60（4）： 5.

[9]MORADI M， NILI-AHMADABADI M， HEIDARIAN B. Improvement of Mechanical Properties of Al （A356）Cast Alloy Processed by ECAP with Different Heat Treatments[J]. International Journal of Material Forming， 2009， 2（1）： 85-88.

[10]HAGHSHENAS M， ZAREI-HANZAKI A， JAHAZI M. An Investigation to the Effect of Deformation-heat Treatment Cycle on the Eutectic Morphology and Mechanical Properties of a Thixocast A356 Alloy [J]. Materials Characterization， 2009， 60（8）： 817-823.

[11]LIAO Hengcheng， WU Yuna， ZHOU Kexin， et al. Hot Deformation Behavior and Processing Map of Al-Si-Mg Alloys Containing Different Amount of Silicon Based on Gleebe-3500 Hot Compression Simulation [J]. Materials and Design， 2015，65： 1091-1099.

[12]張雪敏， 曹福洋， 岳紅彥， 等. TC11鈦合金熱變形本構(gòu)方程的建立[J]. 稀有金屬材料與工程， 2013， 42（5）： 937-938.

[13]SELLARS C M， TEGART W J M. On the Mechanism of Hot Deformation [J]. Acta Metal， 1966， 14（9）：1136.

[14]周杰. 12Cr2Ni4A鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為及數(shù)值模擬 [D]. 哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)， 2015： 12-13.

[15]YANG X W， LAI Z H， ZHU J C， et al. Hot Compressive Deformation Behavior of the As-quenched A357 Aluminum Alloy [J]. Materials Science and Engineering B. 2012， 177（19）： 1721-1725.

[16]吳文祥， 孫德琴， 曹春艷， 等. 5083鋁合金熱壓縮變形流變應(yīng)力行為 [J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)， 2007， 17（10）： 1667-1668.

[17]史瑱. 4032鋁合金高溫變形行為及渦旋盤精密模鍛數(shù)值模擬 [D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2010： 5-6.

[18]馮銀成. 6061鋁合金熱變形及時(shí)效過(guò)程中的組織力學(xué)行為研究 [D]. 長(zhǎng)沙： 湖南大學(xué)， 2010： 6-8.

[19]張龍， 王強(qiáng)， 楊勇彪， 等. 鑄態(tài)稀土鎂合金熱變形應(yīng)變補(bǔ)償型本構(gòu)模型 [J]. 熱加工工藝， 2015， 44（18）： 131-134.

[20]LIN Y C， CHEN X M.A Critical Review of Experimental Results and Constitutive Description for Metals and Alloys in Hot Working [J]. Materials and Design， 2011， 32（4）： 1733-1759.

（編輯：溫澤宇）