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        大型環(huán)形件用2219鋁合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為

        2021-09-01 00:56:22彭文飛陳鎮(zhèn)揚(yáng)
        機(jī)械工程材料 2021年8期
        關(guān)鍵詞:變形

        鄒 杰,彭文飛,陳鎮(zhèn)揚(yáng)

        (寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院,浙江省零件軋制成形技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,寧波 315211)

        0 引 言

        大型輕量化環(huán)形件是運(yùn)載火箭所需的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件,廣泛應(yīng)用在火箭艙段之間的過(guò)渡環(huán)、轉(zhuǎn)接框、連接框等部件上。隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展,大型輕量化環(huán)形件的性能要求越來(lái)越高,需要適應(yīng)重載、高沖擊、超低溫等惡劣的服役環(huán)境。2219鋁合金是一種新型鋁合金,具有優(yōu)異的耐腐蝕、耐高溫和低溫韌性等性能,可以滿足新一代運(yùn)載火箭對(duì)大型整體輕量化環(huán)形件材料的需求[1]。目前大型輕量化環(huán)形件的主要加工方法是軋制,即利用環(huán)軋?jiān)O(shè)備對(duì)環(huán)坯進(jìn)行連續(xù)加壓,使環(huán)坯不斷通過(guò)徑、軸向孔,以實(shí)現(xiàn)直徑擴(kuò)大和壁厚減小的要求。然而,2219鋁合金的熱成形窗口狹窄,顯微組織難以控制,極易出現(xiàn)粗晶和混晶缺陷;這種均勻性較差的顯微組織會(huì)導(dǎo)致力學(xué)性能降低。因此,亟需確定適合2219鋁合金加工的工藝窗口,以保證大型輕量化環(huán)形件組織的均勻性。

        目前有關(guān)2219鋁合金熱變形行為的研究較多,研究?jī)?nèi)容大多集中在2219鋁合金板在熱變形過(guò)程中的流變行為上。如:AN等[2]研究了預(yù)變形對(duì)2219鋁合金板形變熱處理后力學(xué)性能和顯微組織的影響;尹旭妮等[3]建立了2219鋁合金在熱變形過(guò)程中的穩(wěn)態(tài)蠕變本構(gòu)方程;黃元春等[4]研究了不同軋制工藝下2219鋁合金板的綜合力學(xué)性能;陳鎮(zhèn)揚(yáng)等[5]在2219鋁合金熱變形行為基礎(chǔ)上建立了其熱處理時(shí)的本構(gòu)方程和熱加工圖。在2219鋁合金熱變形過(guò)程中,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是其晶粒細(xì)化的主要因素[6];但目前有關(guān)2219鋁合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為的研究相對(duì)匱乏。并且,由于成形窗口狹窄,2219鋁合金在熱變形過(guò)程中容易發(fā)生開(kāi)裂和晶粒粗化而導(dǎo)致組織不均勻。因此,作者對(duì)2219鋁合金進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn),研究了其在熱變形過(guò)程中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為,通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析擬合,建立了其特征參數(shù)模型、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型和晶粒尺寸模型,獲得了2219鋁合金的最佳熱加工工藝參數(shù),擬為控制組織結(jié)構(gòu)、改善材料性能提供依據(jù)。

        1 試樣制備與試驗(yàn)方法

        試驗(yàn)材料為T87態(tài)2219鋁合金,化學(xué)成分見(jiàn)表1。將試驗(yàn)鋁合金按照航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB 7571-1997加工成尺寸為φ8 mm×12 mm的熱壓縮試樣[7]。

        表1 2219鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

        在Gleeble-3500型熱模擬機(jī)上,將試樣以10 ℃·s-1的速率加熱至預(yù)先設(shè)定的變形溫度,保溫3 min后,再按照設(shè)定好的應(yīng)變速率均勻壓縮試樣,壓縮變形量均為60%,壓縮完立即水冷。熱變形溫度分別為330,360,390,420,450 ℃,應(yīng)變速率分別為0.01,0.1,1,10 s-1,在不同變形溫度和不同應(yīng)變速率組合下對(duì)試樣進(jìn)行單道次熱壓縮。在熱壓縮后的試樣上線切割出金相試樣,通過(guò)鑲嵌機(jī)鑲樣、研磨、拋光,用組成為1.0 mL HF+2.0 mL HCl+3.5 mL HNO3+95.0 mL H2O的溶液腐蝕4050 s后,置于HIROX型光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織,采用截線法計(jì)算變形溫度在330~390 ℃下的再結(jié)晶晶粒尺寸。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

        由圖1可以看出:在不同變形條件下,2219鋁合金的真應(yīng)力均呈現(xiàn)出快速上升再略微下降后趨于平穩(wěn)的變化趨勢(shì);在相同的應(yīng)變速率下,2219鋁合金的真應(yīng)力隨著溫度的升高而降低,這是因?yàn)闇囟壬咴龃罅瞬牧系臒峒せ钅芘c晶核長(zhǎng)大速率,使得動(dòng)態(tài)再結(jié)晶能夠充分發(fā)生,進(jìn)而導(dǎo)致軟化機(jī)制作用增強(qiáng),真應(yīng)力降低[8];在相同的變形溫度下,2219鋁合金的真應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的增加而增大,這是因?yàn)楦邞?yīng)變速率下材料單位壓縮應(yīng)變時(shí)間較短,材料內(nèi)部的位錯(cuò)密度增加,加工硬化也隨之增強(qiáng),同時(shí)時(shí)間越短,材料的塑性變形進(jìn)行得越不充分,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化時(shí)間越短,最終真應(yīng)力增加[9]。

        圖1 不同變形溫度、不同應(yīng)變速率下2219鋁合金的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.1 True stress-true strain curves of 2219 aluminum alloy at different deformation temperatures and different strain rates

        2.2 熱變形特征參數(shù)

        動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生可以通過(guò)材料的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線是否存在峰值來(lái)判斷。但是,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為一般出現(xiàn)在達(dá)到峰值應(yīng)力之前,通過(guò)觀察真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線難以確定發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變。通用工程模型將臨界應(yīng)變定義為0.7倍的峰值應(yīng)變(峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變)[10],Sellars經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蛯⑴R界應(yīng)變定義為0.6~0.8倍的峰值應(yīng)變[11]。但是,在一定的變形條件下,真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線中的峰并不明顯,無(wú)法通過(guò)峰值應(yīng)變確定臨界應(yīng)變,而擬合曲線與實(shí)際曲線存在一定的偏差,這種偏差會(huì)影響到最終臨界應(yīng)變的確定。為此,作者采用P-J法[12]來(lái)確定臨界應(yīng)力,從而確定臨界應(yīng)變。根據(jù)P-J法,加工硬化率和真應(yīng)力曲線(θ-σ曲線)上的拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為臨界應(yīng)力。將試驗(yàn)測(cè)得的真應(yīng)力對(duì)真應(yīng)變求導(dǎo)得到θ,并繪制θ-σ曲線。由圖2可知,θ隨著σ的增大而減小。利用高等數(shù)學(xué)求拐點(diǎn)的思路,對(duì)θ-σ曲線求一階導(dǎo)數(shù)并繪制dθ/dσ-σ曲線,如圖3所示,該曲線拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為臨界應(yīng)力;再由真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線,確定該臨界應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變,即為臨界應(yīng)變。

        圖2 不同變形溫度、不同應(yīng)變速率下2219鋁合金的θ-σ關(guān)系曲線Fig.2 θ-σ curves of 2219 aluminum alloy at different deformation temperatures and different strain rates

        由圖3可以看出:在變形溫度不變的前提下,隨著應(yīng)變速率的增大,2219鋁合金發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)力增大,即低應(yīng)變速率更有利于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生;在應(yīng)變速率不變的前提下,隨著變形溫度升高,2219鋁合金發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)力降低,即高變形溫度更有利于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。

        圖3 不同變形溫度、不同應(yīng)變速率下2219鋁合金的dθ/dσ-σ關(guān)系曲線Fig.3 dθ/dσ-σ curves of 2219 aluminum alloy at different deformation temperatures and different strain rates

        當(dāng)加工硬化率第一次減小為0時(shí),所對(duì)應(yīng)的真應(yīng)力即峰值應(yīng)力。因此,對(duì)于在某些變形條件下峰不明顯的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線,可根據(jù)其θ-σ曲線確定峰值應(yīng)力,再在真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線上得到該峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變。在dθ/dσ-σ曲線上,dθ/dσ首次從負(fù)值增大為0時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為穩(wěn)態(tài)應(yīng)力,據(jù)此,可以獲得不同變形條件下的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力,再通過(guò)真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線獲得穩(wěn)態(tài)應(yīng)變。

        表2 不同變形條件下2219鋁合金的特征參數(shù)

        2.3 熱變形特征參數(shù)模型

        在材料熱變形過(guò)程中,變形溫度和應(yīng)變速率對(duì)最終成品的顯微組織和質(zhì)量有著很大的影響;通過(guò)確定合理的特征參數(shù)與變形溫度和應(yīng)變速率的定量關(guān)系,可以為實(shí)際生產(chǎn)工藝制定提供一定的參考。Z參數(shù)(Zener-Hollonmon參數(shù))的物理意義是溫度補(bǔ)償?shù)淖冃嗡俾室蜃?,反映的是材料在熱加工過(guò)程中的變形難易程度[13],其表達(dá)式[7]為

        (1)

        式中:Q為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶熱激活能,J·mol-1;T為熱力學(xué)溫度,K;R為氣體常數(shù),J·mol·K-1。

        特征參數(shù)(峰值應(yīng)力、臨界應(yīng)力、穩(wěn)態(tài)應(yīng)力)與Z參數(shù)的關(guān)系[14]如下:

        C=AZB

        (2)

        式中:C為特征參數(shù);A,B均為常數(shù)。

        式(2)兩邊取對(duì)數(shù),得

        lnC=lnA+BlnZ

        (3)

        利用式(3)對(duì)σp,σc或σss與Z進(jìn)行線性擬合,擬合結(jié)果見(jiàn)圖4,擬合關(guān)系式如下:

        圖4 2219鋁合金的熱變形特征參數(shù)與Z參數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between thermal deformation characteristic parameter and Z parameter of 2219 aluminum alloy:(a) relationship of ln σp-ln Z;(b) relationship of ln σc-ln Z and (c) relationship of ln σss-ln Z

        σp=0.103 38Z0.045 29

        (4)

        σc=0.090 87Z0.045 36

        (5)

        σss=0.097 12Z0.045 32

        (6)

        臨界應(yīng)變與峰值應(yīng)變之間存在一定關(guān)系[15],與之類似,臨界應(yīng)力與峰值應(yīng)力間也遵循一定的關(guān)系,如下所示:

        εc=k1εp

        (7)

        σc=k2σp

        (8)

        式中:k1,k2為材料常數(shù)。

        分別采用式(7)和式(8)對(duì)臨界應(yīng)變-峰值應(yīng)變和臨界應(yīng)力-峰值應(yīng)力進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果見(jiàn)圖5,擬合關(guān)系式分別為

        圖5 2219鋁合金的εc-εp和σc-σp關(guān)系Fig.5 εc-εp (a) and σc-σp (b) relationship of 2219 aluminum alloy

        εc=0.8εp

        (9)

        σc=0.9σp

        (10)

        2.4 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型

        采用修正的Avrami方程[16]來(lái)描述2219鋁合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)隨應(yīng)變的變化規(guī)律,該方程表達(dá)式為

        (11)

        式中:XDRX為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù);k,n為材料常數(shù);ε為真應(yīng)變。

        式(11)兩邊取自然對(duì)數(shù),得

        (12)

        XDRX可通過(guò)真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線求解,表達(dá)式如下:

        (13)

        由式(13)可以求得相同變形條件下不同σ對(duì)應(yīng)的XDRX。將不同σ對(duì)應(yīng)的XDRX和ε,以及εp和εc分別代入ln[-ln(1-XDRX)]和ln[(ε-εc)/εp]并進(jìn)行線性回歸,得到lnk和n的值,不同條件下取平均,最終得到n為1.752 4,k為0.127;則建立的2219鋁合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型為

        (14)

        由式(14)作出不同熱變形條件下XDRX與ε的關(guān)系曲線,如圖6所示,可見(jiàn)相同變形量下,隨著應(yīng)變速率的增大或變形溫度的升高,XDRX先增大后減小,當(dāng)應(yīng)變速率為0.1 s-1、溫度為360 ℃時(shí)XDRX最大。

        圖6 2219鋁合金在不同變形條件下的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)與應(yīng)變的關(guān)系曲線Fig.6 Curves of dynamic recrystallization volume fraction vs strain of 2219 aluminum alloy under different deformation conditions

        2.5 再結(jié)晶晶粒尺寸模型

        由于在變形溫度高于390 ℃下2219鋁合金未發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,故不觀察其顯微組織,也不計(jì)算其晶粒尺寸。由圖7和表3可以看出:在溫度不高于390 ℃、不同應(yīng)變速率下變形后2219鋁合金的晶粒呈等軸狀,明顯發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶;再結(jié)晶晶粒尺寸隨著變形溫度的升高或應(yīng)變速率的減小而增大。

        圖7 不同變形條件下變形后2219鋁合金的顯微組織Fig.7 Microstructure of 2219 aluminum alloy after deformation under different deformation conditions

        再結(jié)晶晶粒尺寸模型選擇以變形溫度和應(yīng)變速率這兩個(gè)參數(shù)表示,其表達(dá)式[17]為

        (15)

        式中:DDRX為再結(jié)晶晶粒尺寸;P1,P2為材料常數(shù)。

        式(15)兩邊取對(duì)數(shù),得

        (16)

        圖8 2219鋁合金再結(jié)晶晶粒尺寸與熱變形條件的關(guān)系Fig.8 Relationship between recrystallized grain size and hot deformation condition of 2219 aluminum alloy: (a) relationship of ln and (b) relationship of

        表3 不同變形條件下2219鋁合金的再結(jié)晶晶粒尺寸和原始晶粒尺寸

        (17)

        由圖9可知,實(shí)測(cè)再結(jié)晶晶粒尺寸與式(17)計(jì)算所得再結(jié)晶晶粒尺寸基本分布在y=x直線上,計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95。這證明建立的再結(jié)晶晶粒尺寸模型具有一定的可靠性。

        圖9 2219鋁合金再結(jié)晶晶粒尺寸實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比Fig.9 Comparison of measured value and calculated value ofrecrystallized grain size of 2219 aluminum alloy

        3 結(jié) 論

        (1) 2219鋁合金在低應(yīng)變速率和高變形溫度下變形時(shí),峰值應(yīng)力較明顯,更易于發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,且動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒粗大。

        (2) 基于P-J法確定了臨界特征參數(shù)與峰值特征參數(shù),建立了以Z參數(shù)表示的熱變形特征參數(shù)模型。

        (3) 采用改進(jìn)的Avrami方程建立了2219鋁合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型;由動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型可知,在一定變形量下隨著應(yīng)變速率的增大或變形溫度的升高,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)先增大后減小,當(dāng)應(yīng)變速率為0.1 s-1、溫度為360 ℃時(shí),動(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度最高。

        (4) 建立了以變形溫度、應(yīng)變速率表示的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸模型,其預(yù)測(cè)精度較高,線性相關(guān)系數(shù)達(dá)0.95。

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