苑 偉,潘一帆,郁 炎,2,李 沖,韓 廣,周振亞

(1.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七二五研究所,洛陽(yáng) 471023;2.海洋腐蝕與防護(hù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,洛陽(yáng) 471023)

0 引 言

B10銅鎳合金具有良好的耐海水腐蝕性能、耐海洋生物污損性能和加工性能,是艦船、海洋石油項(xiàng)目中海水管路系統(tǒng)用主要材料之一,多用于制作管路部件、熱交換器用換熱管等產(chǎn)品[1-2]。目前,國(guó)內(nèi)外的研究主要集中于B10銅鎳合金的耐腐蝕性能[3-5]、焊接性能[6-7]、熱變形行為[8-10]、管件成型數(shù)值模擬[11]等方面,有關(guān)該合金的冷變形行為沒(méi)有系統(tǒng)的文獻(xiàn)報(bào)道。研究材料的冷變形,首先要考慮的就是加工硬化問(wèn)題。加工硬化是指金屬材料在外力的作用下,隨著變形程度的增加,強(qiáng)度和硬度指標(biāo)都有所提高,但塑性、韌性有所下降的現(xiàn)象[12-14]。材料的加工硬化機(jī)制有位錯(cuò)強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化、第二相粒子強(qiáng)化和形變強(qiáng)化等,通常加工時(shí)會(huì)受到多種機(jī)制的共同影響。加工硬化理論主要包括林位錯(cuò)理論、割階理論、Hirsch理論和Seeger理論4種[15]。目前已有多個(gè)描述金屬材料變形行為的數(shù)學(xué)模型,常用的描述工程材料應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的方程為L(zhǎng)udwik模型,該模型中應(yīng)力與應(yīng)變的雙對(duì)數(shù)關(guān)系為線性關(guān)系,然而塑性變形中應(yīng)力與應(yīng)變的雙對(duì)數(shù)關(guān)系是非線性的。因此,為了更好描述材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,學(xué)者們提出了多個(gè)修正的數(shù)學(xué)模型。

選擇合適的本構(gòu)模型是研究材料變形行為的重要方法,為此,作者利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)B10銅鎳合金進(jìn)行室溫壓縮試驗(yàn),分析了壓縮過(guò)程中的顯微組織演變和加工硬化行為,并利用不同模型描述其真應(yīng)力-應(yīng)變曲線,確定了較適合模型。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為自行生產(chǎn)的退火態(tài)B10銅鎳合金棒材,規(guī)格為φ60 mm,實(shí)測(cè)化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為10.39Ni,1.66Fe,0.742Mn,0.001 1Pb,0.002 4S,0.003 1C,0.003 1Zn,0.001 6P,余Cu;其縱向顯微組織如圖1所示,可見(jiàn)試驗(yàn)合金由單相再結(jié)晶α組織、等軸晶組織和大量孿晶組成。

圖1 退火態(tài)B10銅鎳合金的顯微組織Fig.1 Microstructure of annealed B10 copper-nickel alloy: (a) at low magnification and (b) at high magnification

制取尺寸為φ10 mm×15 mm的壓縮試樣,使用INSTRON5985型250 kN萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫壓縮變形試驗(yàn),應(yīng)變速率為0.01 s-1。將壓縮變形至變形量分別為10%,20%,30%,40%,50%時(shí)的試樣沿軸向剖開(kāi)并進(jìn)行打磨拋光,按照GB/T 4340.1—2009,采用Wilson VH3300型顯微硬度計(jì)對(duì)其剖面進(jìn)行維氏硬度測(cè)試,載荷為4.9 N,測(cè)5個(gè)點(diǎn)取平均值。對(duì)其剖面進(jìn)行腐蝕,腐蝕液為3 g FeCl3+2 mL HCl+ 96 mL C2H5OH,采用ZEISS Observer.Z1m型光學(xué)顯微鏡和JEM2100型透射電鏡(TEM)觀察顯微組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖2可見(jiàn):當(dāng)壓縮變形量在10%～50%時(shí),B10銅鎳合金縱截面組織均為單相α組織,但變形量為10%時(shí)銅鎳合金的晶粒為均勻的等軸晶,與變形前相比沒(méi)有發(fā)生明顯變化,變形量增加到30%及以上時(shí)晶粒沿垂直于應(yīng)力的方向拉長(zhǎng),變形程度增加,晶粒內(nèi)部變形帶變密,呈平行或相互交錯(cuò)分布;變形量越大,晶粒變形程度越大,晶粒內(nèi)部變形帶的密度也越大。

圖2 不同變形量下B10銅鎳合金的顯微組織Fig.2 Microstructures of B10 copper-nickel alloy under different deformation amounts: (a-c) at low magnification and (d-f) at high magnification

由圖3可見(jiàn):當(dāng)壓縮變形量為30%,50%時(shí),B10銅鎳合金中均存在高密度位錯(cuò),位錯(cuò)相互纏結(jié)形成位錯(cuò)胞或位錯(cuò)墻,并且壓縮變形量越大,孿晶的數(shù)量就越多。

圖3 不同變形量下B10銅鎳合金的TEM形貌Fig.3 TEM morphology of B10 copper-nickel alloy under different deformation amounts: (a, c) at low magnification and (b, d) at high magnification

2.2 壓縮變形行為

由圖4可以看出,B10銅鎳合金在室溫變形時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的加工硬化。在初始變形階段,應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加呈線性增大,斜率很大,此階段為彈性變形階段;隨應(yīng)變繼續(xù)增加,合金進(jìn)入塑性變形階段,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈拋物線型。

圖4 B10銅鎳合金的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線與加工硬化率曲線Fig.4 True stress-true strain curve and work hardening rate curve of B10 copper-nickel alloy

對(duì)真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線進(jìn)行一階求導(dǎo)即可得到加工硬化率。加工硬化率代表材料加工硬化的能力,其值越高說(shuō)明材料的應(yīng)力隨應(yīng)變變化的速率越快[16-18]。圖4中B10銅鎳合金的加工硬化曲線可分為3個(gè)階段:第一階段(真應(yīng)變小于0.02),加工硬化率隨著真應(yīng)變的增加迅速降低,此階段加工硬化率很高,在2 000 MPa以上;第二階段(真應(yīng)變?cè)?.02～0.3),加工硬化率隨著真應(yīng)變的增加繼續(xù)降低,但是相較于第一階段,下降速率變緩;第三階段(真應(yīng)變大于0.3),加工硬化率的下降速率進(jìn)一步放緩并且趨于穩(wěn)定,其值穩(wěn)定在300 MPa以下。在整個(gè)壓縮變形過(guò)程中,B10銅鎳合金的加工硬化率一直是正值,即真應(yīng)力一直呈增大趨勢(shì),合金抵抗變形的能力逐漸增強(qiáng)。

硬度是表征材料加工硬化的重要指標(biāo)[19]。由圖5可以看出:B10銅鎳合金的硬度隨變形量增加呈增大趨勢(shì),當(dāng)變形量為50%時(shí)合金的硬度是未變形合金的2倍,可見(jiàn)其加工硬化現(xiàn)象非常顯著;隨著變形量的增加,硬度的增加速率變緩,與加工硬化率的變化規(guī)律吻合。

圖5 B10銅鎳合金的硬度隨變形量的變化曲線Fig.5 Hardness vs deformation amount curve of B10 copper-nickel alloy

B10銅鎳合金是多晶體面心立方結(jié)構(gòu),當(dāng)受到外力作用時(shí),在初始階段多滑移系啟動(dòng)后,由于相交滑移系上位錯(cuò)的交互作用,產(chǎn)生大量位錯(cuò)并形成位錯(cuò)塞積或位錯(cuò)胞,導(dǎo)致流變應(yīng)力顯著提高,加工硬化率很高;當(dāng)流變應(yīng)力增大到一定程度后,滑移面上的位錯(cuò)通過(guò)交滑移繞過(guò)障礙,同時(shí)異號(hào)螺型位錯(cuò)通過(guò)交滑移彼此抵消,加工硬化作用降低,加工硬化率降低;隨著變形量繼續(xù)增大(30%～50%),位錯(cuò)不斷增殖并在晶界處塞積,塞積的位錯(cuò)群引起應(yīng)力集中,當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí),合金就以孿晶的形式進(jìn)行塑性變形,這在一定程度上緩和了加工硬化作用,加工硬化率繼續(xù)下降[20-21]。在塑性變形過(guò)程中,B10銅鎳合金由位錯(cuò)強(qiáng)化機(jī)制逐漸轉(zhuǎn)化為位錯(cuò)強(qiáng)化和變形孿晶的綜合強(qiáng)化機(jī)制。

2.3 本構(gòu)模型

Ludwik模型[22]的表達(dá)式為

σ=Kεn

(1)

式中:σ為真應(yīng)力;ε為真應(yīng)變;K為強(qiáng)度因子;n為加工硬化指數(shù)。

對(duì)式(1)取對(duì)數(shù)并進(jìn)行求導(dǎo),可得

(2)

當(dāng)材料發(fā)生變形時(shí),加工硬化指數(shù)不是一個(gè)常數(shù),而是與應(yīng)變相關(guān)的參數(shù)。為此,TIAN等[23]提出了適用于面心立方金屬的修正模型,如下:

σ=K1εn1+exp(K2+n2ε)

(3)

式中:K1,n1,K2,n2為材料常數(shù)。

宋仁伯等[24]提出了適用于奧氏體鋼的另一修正模型,如下:

σ=Kεm+nln ε

(4)

式中:m為材料常數(shù)。

利用1stOpt數(shù)據(jù)處理軟件中的Levenberg-Marquardt算法,分別采用式(1)、式(3)和式(4)對(duì)B10銅鎳合金的真應(yīng)力-真應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,擬合曲線見(jiàn)圖6,擬合參數(shù)及擬合曲線與實(shí)測(cè)曲線的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表1。由圖6和表1可以看出,式(4)的擬合相關(guān)系數(shù)最高,達(dá)到0.98,更適用于分析B10銅鎳合金的變形行為。

表1 不同公式擬合參數(shù)和相關(guān)系數(shù)

圖6 不同模型擬合得到B10銅鎳合金的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線與實(shí)測(cè)曲線的對(duì)比Fig.6 Comparison of different model simulated and measured true stress-true strain curves of B10 copper-nickel alloy: (a) equation 1; (b) equation 3 and (c) equation 4

3 結(jié) 論

(1) 未變形和壓縮至變形量為50%時(shí)B10銅鎳合金的組織均為單相α組織,同時(shí)存在孿晶結(jié)構(gòu);當(dāng)變形量增加到30%及以上時(shí),晶粒沿垂直于應(yīng)力的方向拉長(zhǎng),晶粒內(nèi)部出現(xiàn)變形條帶和高密度位錯(cuò),位錯(cuò)相互纏結(jié)形成位錯(cuò)胞或位錯(cuò)墻;變形量越大,晶粒內(nèi)部變形帶密度越大,孿晶數(shù)量越多。隨著變形量增加,B10銅鎳合金的塑性變形機(jī)制由位錯(cuò)強(qiáng)化機(jī)制逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲诲e(cuò)強(qiáng)化和變形孿晶的綜合強(qiáng)化機(jī)制。

(2) 在室溫壓縮過(guò)程中,B10銅鎳合金的真應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾佣龃?說(shuō)明試驗(yàn)合金發(fā)生了加工硬化;合金的加工硬化率隨著變形量增加而降低,降低速率逐漸變緩,最終穩(wěn)定在300 MPa以下;合金的硬度隨變形量增加而增大,但增大速率逐漸變緩。

(3) 采用σ=Kεm+nln ε模型可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)B10銅鎳合金的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線,與實(shí)測(cè)曲線的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.98。