孫超強(qiáng)， 胡乃錚

（中信戴卡股份有限公司， 河北 秦皇島， 066011）

在現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中，許多鋁合金工件采用熱加工方法成型，特別是鋁合金輪轂用材的成型工藝。熱加工工藝不僅需要確定鋁合金在變形時的的最佳工藝參數(shù)，而且需要保證在該工藝條件下能夠獲得產(chǎn)品要求的組織與性能指標(biāo)，滿足不同工件的使用要求[1-2]。目前，通過對材料進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)進(jìn)行熱加工工藝的分析研究是一種最常用的手段[3-4]，通過對熱加工過程的物理模擬獲得材料在不同變形溫度、不同變形速率下的應(yīng)力與應(yīng)變之間的定量關(guān)系以及對材料微觀組織與力學(xué)性能之間的關(guān)系進(jìn)行分析研究，找出之間的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對鋁合金材料熱加工過程的定量分析。本文采用單軸壓縮方法系統(tǒng)研究了7A50鋁合金的熱變形行為，以期實(shí)現(xiàn)對7A50鋁合金材料熱加工過程的定量描述，進(jìn)而為優(yōu)化合金在實(shí)際車輪生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)提供理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用的7A50鋁合金成分為：Al-6Zn-2Cu-1.5Mg-0.12Zr，鑄態(tài)合金經(jīng)450℃保溫24 h固溶處理，固溶后的7A50鋁合金鑄錠不存在偏析現(xiàn)象，絕大部分一次析出相回熔到鋁基體中，晶粒尺寸約為50～150 μm呈等軸狀。

根據(jù)Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)的實(shí)驗(yàn)要求，將固溶態(tài)鋁合金坯錠加工成尺寸為Φ10 mm×15 mm的圓柱樣品進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件為選取5個變形溫度點(diǎn)，分別為 250，300，350，400，450 ℃；選取4 個應(yīng)變速率，分別為 0.01 s-1，0.1 s-1，1.0 s-1，10 s-1；壓下量選為60%。將熱壓縮變形后的樣品通過金相顯微鏡與透射電鏡分析合金變形組織。

2 結(jié)果與討論

2.1 7A50鋁合金的真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線

對7A50鋁合金熱壓縮后的應(yīng)力及應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析。在不同熱壓縮條件下，7A50鋁合金的流變規(guī)律基本相似，開始變形階段，變形應(yīng)力隨應(yīng)變量的增加極速增長，當(dāng)應(yīng)變量達(dá)到一定程度時，應(yīng)力增加速度開始變緩，當(dāng)應(yīng)變量超過一定程度后，變形應(yīng)力隨應(yīng)變量的增加開始出現(xiàn)下降趨勢隨后趨于平穩(wěn)。

不同變形條件下，其位錯積累速率不同。在較低變形溫度和較高應(yīng)變速率下（如250℃，10 s-1條件下），隨著應(yīng)變量增加，流變曲線仍處于下降趨勢，而且在高應(yīng)變速率條件下，即使在溫度較高時，加工后期的流變曲線仍然沒有明顯達(dá)到穩(wěn)態(tài)的趨勢，這一現(xiàn)象說明：在應(yīng)變速率較高的情況下，7A50鋁合金材料變形初期迅速積累了大量位錯，從而加工硬化現(xiàn)象明顯，隨著應(yīng)變量增強(qiáng)，才逐漸發(fā)生動態(tài)軟化，直到變形量達(dá)到60%的時候，材料組織仍未達(dá)到加工硬化與動態(tài)軟化的相互平衡。在應(yīng)變速率較低，變形溫度較高時（如450℃，0.01 s-1條件下），7A50合金在變形后期，材料組織同時發(fā)生了動態(tài)回復(fù)以及動態(tài)再結(jié)晶，并且這二者產(chǎn)生的材料軟化效果逐漸與加工硬化相抵消，這體現(xiàn)在該條件下的流變曲線在加工后期呈現(xiàn)平緩的趨勢。

通過對流變曲線特征的分析可見，在相同應(yīng)變速率下，變形溫度越高，7A50鋁合金的動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶就越充分，因而使得加工硬化與動態(tài)軟化能快速達(dá)到平衡，峰值應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)應(yīng)力也隨之減小。7A50鋁合金材料發(fā)生的動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶與加工溫度和加工時間均有關(guān)。應(yīng)變速率增加意味著變形時間的縮短，在短時間內(nèi)，合金材料發(fā)生塑性變形時，材料的位錯運(yùn)動和攀移來不及進(jìn)行，動態(tài)回復(fù)過程受到抑制，動態(tài)再結(jié)晶過程得到促進(jìn)。

2.2 熱變形方程計(jì)算

材料熱變形過程中變形應(yīng)力、應(yīng)變速率以及變形溫度之間的函數(shù)關(guān)系可用以下三種模型表示，其關(guān)系表達(dá)式為：

低應(yīng)力水平時：

高應(yīng)力水平時：

普通形式：

式中：A1、A2、A、n1、n、β 均為材料常數(shù)；α 為應(yīng)力水平參數(shù)，MPa-1，其計(jì)算公式為 α＝β/n1；Q 為熱變形激活能；R為氣體常數(shù)；T為變形絕對溫度；ε˙為應(yīng)變速率；σ可以是曲線的峰值應(yīng)力、穩(wěn)態(tài)應(yīng)力或?qū)?yīng)于某一指定應(yīng)變時的流變應(yīng)力，本文研究取峰值應(yīng)力σp。

公式（1）和（2）兩邊取對數(shù)得到如下表達(dá)式：

將7A50鋁合金在不同變性條件下的峰值應(yīng)力帶入上兩式，得到 lnε˙－lnσ 和 lnε˙－σ 的關(guān)系如圖 1 所示。

圖1 7A50鋁合金峰值應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系

由 lnε˙－lnσ 和 lnε˙－σ 的關(guān)系圖的斜率平均值可以得到n1和β的數(shù)值，根據(jù)公式α＝β/n1可得應(yīng)力水平參數(shù) α＝0.010 8 MPa-1。

在所有應(yīng)力水平下，將關(guān)系式（3）兩邊取自然對數(shù)并整理后得：

在溫度恒定的條件下，將上式兩邊對應(yīng)變速率求偏導(dǎo)，得：

在變形速率恒定的條件下，將式（6）兩邊對1/T求偏導(dǎo)，得：

根據(jù)式（6）及流變曲線峰值應(yīng)力σp以及對應(yīng)的應(yīng)變速率和溫度值繪制7A50鋁合金熱變形峰值應(yīng)力與變形溫度和應(yīng)變速率的關(guān)系曲線圖。

同一應(yīng)變速率下，lnsinh（ασp）與 1/T 呈明顯的線性關(guān)系，隨著變形溫度的降低，熱變形峰值應(yīng)力逐漸增加；當(dāng)變形溫度一定時，lnsinh（ασp）與 lnε˙呈線性關(guān)系，隨著應(yīng)變速率的增加，峰值應(yīng)力也逐漸增加。根據(jù)上述公式（6）—（8），采用線性回歸的方式對流變應(yīng)力的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析。經(jīng)計(jì)算可得：7A50鋁合金材料的熱變形參數(shù)為：Q＝190.49 kJ/mol，n＝6.26，A＝1.69×1013。

由此，在溫度250～450℃之間，7A50鋁合金的本構(gòu)方程可定量描述為：

在熱變形過程中，材料的峰值應(yīng)力由變形溫度和應(yīng)變速率而決定。材料熱加工過程中的變形溫度和變形速率通常用Z參數(shù)來描述，其表達(dá)式為：

將求得的變形激活能Q帶入公式（10）可得Z參數(shù)，隨著Z值的增加，7A50鋁合金熱變形峰值應(yīng)力增加，并且lnsinh（ασp）與lnZ呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系。通過分析計(jì)算可得該線性相關(guān)性系數(shù)R2的值為0.993。結(jié)合公式（9）及（10）進(jìn)行求解，可得到 7A50合金材料再熱變形過程中的峰值應(yīng)力σp與Z參數(shù)的關(guān)系式：

公式（11）表明，在7A50合金熱變形過程中，提高變形溫度或者降低應(yīng)變速率都能夠使材料更容易發(fā)生動態(tài)軟化，即材料組織更容易發(fā)生回復(fù)或者再結(jié)晶。

3 結(jié)論

在變形溫度250～450℃、應(yīng)變速率0.01～10 s-1、最大真應(yīng)變均為0.6的條件下，采用等軸熱壓縮試驗(yàn)方法研究了7A50鋁合金的熱變形行為，所得結(jié)果如下：

1）熱變形過程中，7A50鋁合金的流變應(yīng)力受溫度和應(yīng)變速率的影響，隨變形溫度的升高和應(yīng)變速率的降低，流變應(yīng)力減小。

2）7A50鋁合金的熱變形激活能為192.45 kJ/mol，其熱變形方程分別為：

3）在大應(yīng)變量下（ε＝0.6），晶粒已經(jīng)充分發(fā)生動態(tài)回復(fù)，從而使得能量消耗效率η隨著溫度的升高和應(yīng)變速率的降低而增大，由此確定了7A50鋁合金的最佳熱加工條件為變形溫度350～400℃，應(yīng)變速率0.1 s-1。