段洪波,李 遠(yuǎn),楊 偉，魏 琨,李建平

(1.西安工業(yè)大學(xué) 材料與化工學(xué)院，西安 710021；2.內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司，包頭 014033)

活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)部件中結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境最?lèi)毫拥倪\(yùn)動(dòng)部件，同時(shí)承受著較高的高溫?zé)嶝?fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，要求材質(zhì)具有優(yōu)良的力學(xué)性能、物理性能和工藝成形性能[1-2]。Al-Si-Cu-Mg-Ni合金是一種輕質(zhì)低成本活塞材料，其具有鑄造性能好，比強(qiáng)度高，膨脹系數(shù)低，高溫穩(wěn)定性較好及疲勞性能好等特性，被大批量生產(chǎn)并應(yīng)用于大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)[3-4]。

Al-Si系鑄造合金變形時(shí)，由于脆性硅相易斷裂而使合金塑性差，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該系合金熱變形流變行為的研究較少。文獻(xiàn)[7]針對(duì)Al-15Si合金進(jìn)行了熱壓縮實(shí)驗(yàn)的研究，得到該合金應(yīng)變速率和變形溫度對(duì)流變應(yīng)力的影響規(guī)律，獲得了該二元合金的本構(gòu)方程；文獻(xiàn)[8]發(fā)現(xiàn)TiB2/Al-Si-Mg-Cu復(fù)合材料在高溫壓縮時(shí)存在穩(wěn)態(tài)流變特征，為正應(yīng)變速率敏感材料；文獻(xiàn)[9]研究了噴射成形過(guò)共晶鋁硅合金AlSix(x=18，25，35 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)w/%))的高溫壓縮變形行為，發(fā)現(xiàn)該合金在增加應(yīng)變速率及降低高溫壓縮的溫度時(shí)，流變應(yīng)力隨之增大，同時(shí)發(fā)現(xiàn)硅的含量越高，變形時(shí)的流變應(yīng)力越大。目前，Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金的研究主要集中在成型工藝、凝固控制、變質(zhì)處理、晶粒細(xì)化及熱處理工藝方面，通過(guò)這些研究來(lái)提高該合金高溫強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，但對(duì)其高溫流變行為的鮮有報(bào)道。因此，本文通過(guò)不同變形條件下的熱壓縮實(shí)驗(yàn)，研究在不同熱壓縮變形參數(shù)下Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金顯微組織以及流變應(yīng)力的變化規(guī)律，為進(jìn)一步改善該活塞材料的性能提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本文研究對(duì)象為共晶Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金，其成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)w/%)見(jiàn)表1。試樣經(jīng)500 ℃，6 h固溶處理后，水淬至室溫，隨后經(jīng)215 ℃時(shí)效處理3 h后空冷。將熱處理后的試樣加工成?10 mm×15 mm的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)壓縮試樣。

表1 Al-Si-Cu-Mg-Ni合金成分

采用DDL-50熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)加工好的試樣進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)。熱壓縮溫度為300，350，400，425 ℃，應(yīng)變速率為0.000 1，0.001，0.005 s-1。為了減少壓頭和試樣之間的摩擦導(dǎo)致試樣在變形過(guò)程中產(chǎn)生的不均勻變形，在圓柱的兩頭加工0.2 mm的凹槽，槽內(nèi)填充潤(rùn)滑劑石墨粉。升溫速率為5 ℃·s-1，變形前保溫5 min，壓縮變形控制在試樣高度的30%～40%之間，壓縮后的試樣立即進(jìn)行水淬保留熱壓縮變形后的組織。隨后，將相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪制在不同的變形溫度、不同的變形速率下該合金的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。采用Nicon300型光學(xué)顯微鏡和JEM-2010型透射電鏡觀察顯微組織形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 Al-Si-Cu-Mg-Ni合金高溫壓縮變形顯微組織分析

圖1為Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金熱壓縮變形前后顯微組織圖。由圖1(a)可以看出，合金在未壓縮狀態(tài)下的顯微組織中,初生Si顆粒數(shù)量較多且尺寸較大，介于40～50 μm之間，其中也可見(jiàn)少量尺寸較小的初生Si和共晶Si，以及富Ni和Fe相分布在基體中。由圖1(b)可以看出，當(dāng)應(yīng)變速率為0.001 s-1，變形溫度為300 ℃時(shí)，組織中各相尺寸細(xì)小，且因外力作用下呈一定方向性分布，初生Si相、粗大魚(yú)骨富Ni相及長(zhǎng)針狀和粗針狀鐵相等均發(fā)生不同程度的應(yīng)力性破碎，形成的細(xì)小顆粒在基體中數(shù)量較多且密集分布，表明合金發(fā)生了動(dòng)態(tài)回復(fù)。圖1(c)為應(yīng)變速率為0.001 s-1，變形溫度為400 ℃時(shí)合金顯微組織，由圖1(c)可以看出，魚(yú)骨富Ni相發(fā)生明顯變形，被外力壓彎，初生Si顆粒細(xì)小，呈現(xiàn)聚集現(xiàn)象，有再結(jié)晶的趨勢(shì)。

圖1 Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金熱壓縮變形前后的顯微組織

2.2 溫度對(duì)Al-Si-Cu-Mg-Ni合金高溫壓縮變形行為的影響

圖2為在一定應(yīng)變速率(0.001 s-1)，不同變形溫度下Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線及其流變應(yīng)力隨熱壓縮溫度峰值變化曲線。由圖2(a)可以看出，在變形的初始階段，流變應(yīng)力增大速度很快，當(dāng)應(yīng)變值達(dá)到0.05左右時(shí)，應(yīng)力達(dá)到峰值，隨后應(yīng)力緩慢下降，且下降幅度不大，合金的變形程穩(wěn)定狀態(tài)。從真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線可以看出該合金熱壓縮變形呈現(xiàn)出典型的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶特性，是合金在熱變形過(guò)程中加工硬化和動(dòng)態(tài)軟化同時(shí)進(jìn)行的結(jié)果。該曲線分為3個(gè)階段：① 初始階段：應(yīng)力直線上升，應(yīng)變硬化起主導(dǎo)作用，在應(yīng)力到達(dá)峰值前，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶已經(jīng)發(fā)生；② 過(guò)渡階段：由于發(fā)生了再結(jié)晶，軟化作用大于硬化作用，應(yīng)力逐漸降低；③ 穩(wěn)態(tài)階段：軟化作用與應(yīng)變硬化作用基本相當(dāng)，應(yīng)力也達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

由圖2(b)可以看出，隨溫度的升高，材料的流變應(yīng)力的整體水平降低，當(dāng)變形溫度為由300 ℃上升至425 ℃時(shí)，峰值應(yīng)力下降了113.14 MPa。這是由于溫度越高，在形變與高溫的作用下，原子的熱振動(dòng)增加，原子處于一個(gè)非平衡的狀態(tài)，晶界的“短路”擴(kuò)散使晶界之間的粘滯力下降，使相鄰晶粒易產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，合金流變應(yīng)力降低。隨著變形量的增加，應(yīng)力在到達(dá)峰值以后有不同程度地降低顯現(xiàn)，溫度為300 ℃時(shí)流變應(yīng)力下降趨勢(shì)明顯高于425 ℃。這是由于溫度越高，動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶獲得了更多的能量，原子擴(kuò)散導(dǎo)致位錯(cuò)攀移的運(yùn)動(dòng)能力提高，促進(jìn)了晶內(nèi)位錯(cuò)的重組，產(chǎn)生了“多變化”效應(yīng)的動(dòng)態(tài)回復(fù)和部分亞晶界合并的再結(jié)晶形核機(jī)制。

圖3為在一定應(yīng)變速率不同變形溫度下Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金的顯微組織結(jié)構(gòu)。由圖3(a)可以看出，當(dāng)應(yīng)變速率為0.001 s-1，變形溫度為300 ℃時(shí)，組織中出現(xiàn)大量的亞晶粒，亞晶粒之間存在具有一定位向差的小角度晶界。在300 ℃進(jìn)行壓縮時(shí)，主要變形機(jī)制為動(dòng)態(tài)回復(fù)，位錯(cuò)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，包括攀移和滑移，從高能態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍軕B(tài)的垂直位錯(cuò)墻。導(dǎo)致壓縮之前的小晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅縼喚Я?。在亞晶粒?nèi)部還能觀察到一些由于位錯(cuò)的相互糾纏形成的小的胞狀組織，是典型的動(dòng)態(tài)回復(fù)特征。由圖3(b)可以清晰地看到，當(dāng)應(yīng)變速率為0.001 s-1，變形溫度為425 ℃時(shí)，組織中的三叉晶界，三塊晶粒之間的夾角近似于120°，晶粒內(nèi)部存在位錯(cuò)。這是因?yàn)樽冃螠囟壬撸荧@得更多的能量，小角度晶界合并為大角度晶界。應(yīng)變產(chǎn)生的大量空位使位錯(cuò)攀移加速進(jìn)行，位錯(cuò)的相互抵消和重組更加徹底，亞晶逐漸形成大角度晶界，達(dá)到力學(xué)平衡，此時(shí)晶界清晰，晶粒位相差大，呈典型的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶特征。

圖2 不同變形溫度相同應(yīng)變速率下活塞合金熱壓縮變形真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

圖3 不同變形溫度相同應(yīng)變速率下活塞合金熱壓縮變形后的顯微組織

2.3 應(yīng)變速率對(duì)Al-Si-Cu-Mg-Ni合金高溫壓縮變形行為的影響

圖4為400 ℃變形溫度不同應(yīng)變速率下Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金真應(yīng)力-真應(yīng)變及其流變應(yīng)力的峰值變化曲線。從圖4可以看到，與應(yīng)變速率為0.001 s-1、不同溫度下的熱壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的總體變化規(guī)律相比較，400 ℃變形溫度、不同應(yīng)變速率的曲線總的變化規(guī)律不大，基本相同。應(yīng)變速率由0.000 1 s-1升至0.005 s-1，峰值應(yīng)力由50.56 MPa增至75.32 MPa。當(dāng)應(yīng)變速率較大時(shí)，塑性變形來(lái)不及充分進(jìn)行，彈性變形部分增多。由于壓縮的時(shí)間較短，原子發(fā)生擴(kuò)散的時(shí)間不充分，加載應(yīng)力引起較大的應(yīng)力梯度，位錯(cuò)獲得了繁殖的驅(qū)動(dòng)力，大量增殖，合金未完全軟化，再結(jié)晶不充分，所以流變應(yīng)力增大；另一方面，應(yīng)變速率比較小時(shí)，發(fā)生了充分的動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，故流變應(yīng)力小[10-11]。

圖5為一定變形溫度不同應(yīng)變速率下Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金的顯微組織結(jié)構(gòu)。由圖5可以看出，當(dāng)變形溫度為400 ℃，應(yīng)變速率為0.005 s-1時(shí)，組織中可見(jiàn)大量的幾塊亞晶粒構(gòu)成的多邊形晶粒，且其尺寸較小，這是動(dòng)態(tài)回復(fù)的表現(xiàn)；當(dāng)變形溫度為400 ℃，應(yīng)變速率為0.001 s-1時(shí)，可見(jiàn)明顯的三叉晶界，晶粒增大明顯，晶界處有大量的位錯(cuò)纏結(jié)，晶粒內(nèi)部也存才大量位錯(cuò)，位錯(cuò)呈現(xiàn)向晶界處移動(dòng)的趨勢(shì)。這是由于變形時(shí)間充足，導(dǎo)致位向差較小的亞晶粒合并形成大角度晶粒，三叉晶界角度接近120°，有些晶界彎曲，不是很平直，但有繼續(xù)移動(dòng)使晶界變成平直的趨勢(shì)，呈現(xiàn)典型的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形態(tài)。

圖4 不同應(yīng)變速率相同變形溫度下活塞合金熱壓縮變形真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

圖5 相同變形溫度不同應(yīng)變速率下活塞合金熱壓縮變形后的顯微組織

2.4 Al-Si-Cu-Mg-Ni合金應(yīng)力-應(yīng)變速率本構(gòu)方程

低應(yīng)力水平：

(1)

高應(yīng)力水平：

(2)

所有應(yīng)力水平：

(3)

Sellars和Tegart提出并驗(yàn)證了熱壓縮條件通常可用溫度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變Zener-Hollomon參數(shù)Z[14-15]來(lái)描述：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

lnZ=lnA+nln[sinh(ασ)]

(9)

圖6 流變應(yīng)力σ與應(yīng)變速率的關(guān)系圖

圖7 流變應(yīng)力σ與應(yīng)變速率和變形溫度T的關(guān)系

圖8 流變應(yīng)力σ與Z參數(shù)的關(guān)系

3 結(jié) 論

1) Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金在高溫壓縮變形過(guò)程中存在動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象。在應(yīng)變速率一定時(shí)，流變應(yīng)力隨溫度的升高而減少；在熱變形溫度一定時(shí)，流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增大而增大。

2) 在熱壓縮過(guò)程中，Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金的顯微組織演變與變形速率和變形溫度緊密相連。當(dāng)變形溫度升高或應(yīng)變速率減小時(shí)，合金逐步從動(dòng)態(tài)回復(fù)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)再結(jié)晶，組織形貌由尺寸較小的亞晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)橥暾膩喚ЫY(jié)構(gòu)。