1 引 言铝合金热形变过程中会同时发生形变硬化及形变软化。形变软化取决于形变过程中的动态 复原行为<1,2>,它包括动态回复和动态再结晶,主要是位错在热激活和外加应力作用下通过 攀移或交滑移发生相互合并、销毁和重组,使材料软化<3,4>。变形时的位错增殖及位错间的 相互作用导致形变硬化。根据金属塑性变形的理论,金属的流变应力是指材料在单向的变形条件得 以实现塑性变形的应力强度。因此在铝合金的塑性加工过程中,流变应力的大小决定了变形设备所 需符合及所需消耗能量的大小<5-10>。作者通过研究3104铝合金高温塑性变形时流变应 力和动态再结晶的影响因素,有助于了解该铝合金高温变形的物理本质,从而为制定和优化加工工 艺参数提供了理论依据,用以指导生产。2 试样制备与试验方法采用西南铝厂提供的3104铝合金热轧毛料,板厚23mm。化学成分(质量分数/%)为:1.0Mn,128Mg,0.22Cu,0.36Fe,0.19Si,其余为铝。从板坯上切取试料,车削成8mm×15mm的压缩试样。热压缩变形在Gleeble 1500热模拟机上进行,由计算机系统自动控制温度、位移、位移速度等变形条件,并采集真应力、真应变等数据,利用origin绘图软件绘制真应力 真应变曲线。试样的升温采用电阻加热,加热速率为10℃/s,为使压缩试样获得单向应力状态,采用试样两端贴石墨纸的方法消除接触面上的摩擦力。在Philips EM400透射电镜下进行微观组织观察及微取向测定,电镜试样按平行于轧制平面制备,首先进行 机械减薄至约100μm,然后采用40%CH3OH+50%HNO3+10%H2O溶液在- 25℃下进行双喷式电解进行最终减薄。·6·2005年2月Feb.20053 试验结果与 分析3.1 3104铝合金的流变应力行为由图1可知,材料的流变应力σ与主要变形温度T、应变速率ε及应变量ε有关,即:σ=f( ε)·f(T)·f(ε)(1)*G\0C\2.A(a) ε=0.005s-1?=G\0C\2.B(b) ε=0.035s-1 ?6G\0C\2.C(c) ε=0.07s-1$u慓\0C\2.D(d) ε=0.10s-1图1 3104铝合金热压缩变形的真应力 真应变Fig.1 Truestress straincurvesof3104aluminumalloysduringhotcom pressatdifferentstrainrates 3104铝合金热压缩变形时, 流变应力的变化规律为:先随应变的增加迅速升高,出现峰值后逐渐下降,并且在应变速率一定时 ,随着变形温度的升高,该峰值点呈下降趋势;稳态流变应力随着温度的变化呈现出与峰值应力相 同的变化趋势,并且当应变达到一定值时,温态流变应力基本上保持不变而与真应变无关。此外, 随着温度的升高,合金变形表现出来越来越明显的动态软化现象,在变形温度保持不变时,流变应 力随着应变速率的提高而增大。3.2 变形温度对流变应力的影响有关研究<7>表明,材料高 温塑性变形时应变速率受热激活过程控制。流变应力、应变速率和温度之间可用包含变形激活能Q项的双曲正旋形式的Arrhenius关系描述:ε=A
(2)式中 A、a、n为与温度无关的常数;R为气体常数。Zener和Hollomon的有关研究证明<8>,应力 应变速率之间的关系可用Z参数(Zener Hollomon参数)表示。Z参数的物理含义为温度补偿的应变速率因子。Z= εexp(ΔHRT)=A(3)式中 ΔH为变形激活焓。比较式2和式 3可以发现,两者是等同的(稳态变形时的激活能Q和变形激活焓ΔH相等)。在恒应变速率条件下变形时,假定一定温度范围ΔH保持不变,则从ZenerHollomon参数定义式可知:ln=2A+B·1000T(4) 有关研究<9>表明,当流变应力高于50MPa时,可采用指数形式求描述流变应力与Z参数之 间的关系:Z=Cexp(βσ)(5)式中 C和β是与应变量有关的参数。此时在恒应变速率 条件下变形时,假定一定温度范围ΔH保持不变,采用指数形式来描述流变应力与T参数之间的关 系,可得:BT-1=A2+β2σ(6)式中 B、A2、β2都是与温度无关的参数。310 4铝合金压缩变形稳态流变应力σ和温度T之间的实测关系见图2。线性回归分析表明,在恒应变速率条件下,σT关系符合上式关系,即流变应力与变形温度的倒数呈线形关系。这说明3104铝合金高温塑性变 形稳态流变应力可以采用Z参数的指数形式来描述,同时意味着3104铝合金热压缩变形是受热 激活过程控制的。·7·?蔊\0C\2.A(a) ε=0.2?禛\0C\2.B(b) ε=0.4图2 变形温度与流变应力的相关性Fig.2 Relationshipofd eformingtemperatureandflowstress从微观解释来说,产生上 述相关性的主要原因在于,随着变形温度的提高,铝合金金属原子动能增加,原子振动的振幅增大 ,使位错和空位的活动性提高、滑移系增多,从而改善晶粒之间的协调性,并导致金属塑性增加, 金属的强度降低,在高温下发生动态回复与动态再结晶,使金属发生了一定的软化。随着温度的升 高,晶间切变应力显著降低,晶间滑移量增大,此外,由于晶间滑移的作用,将能减弱相邻晶粒间 由于不均匀变形所引起的应力集中。这些都将促使3104铝合金在高温下塑性的增加,从而使流 变应力降低。3.3 应变速率对流变应力的影响由文献<11>可知,此铝合金的变形激活焓Δ H=156kJmol-1。将变形条件和结果代入式3,即可得到Z参数与流变应力的关系曲线 (图3)。由此图可见,lnZ与流变应力σ呈直线关系,回归的相关系数为0.978～0.9 91。在不同的应变量下,直线的斜率略有变化。这种关系表明,实测数据符合式3,即该合金的 Z参数可以表示为流变应力的指数形式。由式3可得:σ=1αln{(ZQ)1n+<(2A) 2N+1>12}(7) 由图4可见,应变速率越高,流变应力越大,流变应力的增加率随温 度而变化,温度越低,增加率越高,温度越高,增加率越低。产生此情况的主要原因?蔊\0C \2.C(a) ε=0.2?繥\0C\2.D(b) ε=0.4图3 流变应力与Z参数的关系曲线Fig.3 RelationshipofflowstressandZenerHollomonparameter是应变速率高时,将会对金属的形变储能有一定的提高作用, 会使材料的温度效应增大并进而使金属的温度升高,而温度升高可以促使变形过程中位错的重新调 整,有利于位错的合并和位错密度的降低,并且由于温度的升高,可以促进回复和再结晶,这些! ?颎\0C\2.E(a) ε=0.2'J錑\0C\2.F(b) ε=0.4图4 应变 速率与流变应力的相关性Fig.4 Relationshipofstrainratean dflowstress·8·作用都能使3104铝合金流变应力降低。3.4 流变应力与动 态再结晶由图5可知,试样未进行热压缩时试样中存在较为粗大的晶粒,且晶粒沿轧向发生一定的 拉长。在350℃进行热压缩时,试样中残余位错较多,再结?擥\0C\2.A(a) 未压缩"汫\0C\2.B(b) 350℃o汫\0C\2.C(c) 400℃%?€G\0C\2.D(d) 450℃图5 3104 铝合金在0.035s-1不同温度下热压缩50%后的TEM形貌Fig.5 TEMmicr ographsofthespecimensof3104Alalloysdeformed bycompressat0.035s-1to50%(a)undeformed (b)3 50℃ (c)400℃ (d)450℃晶的晶粒较小,试样发生了动态再结晶,且处于初始阶 段。在400℃进行热压缩时,试样中存在细小晶粒,已有明显的动态再结晶发生。当450℃进 行热压缩时,试样已经完全再结晶,且晶粒尺寸较大。在热变形过程中,在较高形变温度下,只有 加大形变速率,抑制位错交滑移,才能使位错塞积量达到动态再结晶形核所需的形变储能。而在较 低形变温度下,降低形变速率,使得有充足的时间进行动态再结晶。图5b中晶粒内位错密度较高 ,单组位错形成平行排列的位错墙,这是多边形化的重要特征,多边形化过程的出现意味着亚晶的 形成,亚晶界上出现了扭折和台阶,表明了亚晶处于运动状态,由此断定动态再结晶的发生。同时 在足够高的温度和低应变速率下,位错通过交滑移和攀移使滑移面上的位错塞积得以释放,通过位 错攀移形成亚晶界;亚晶界进一步吸收点阵位错并发生迁移,此时亚晶界上的位错密度逐渐增大, 亚晶界两侧晶粒的位向差逐渐增大,当位向差达到某一临界值时就转变为大角度晶界,晶界处聚集 了大量缺陷,热变形中剧烈的剪切变形增加了这部分金属的畸变能,提高了金属内的位错密度,为 亚晶合并长大形核准备了能量条件,由此引起了动态再结晶的发生。4 结 论(1)3104铝 合金高温压缩变形中存在稳态流变变形特征,稳态流变应力随变形温度升高而降低,随应变速率的 升高而增大。(2)流变应力随变形温度的升高而降低,应变速率越高,流变应力的值越大,而流变应力的增加率则随温度的变化而变化,温度越高,增加率越低。(3)在低形变温度(350℃)和低形变速率(0035s-1)下,产生动态再结晶。3104铝合金的流变应力行为与动态再结晶@胡卓超$东北大学材料与冶金学院金属材料研究所!辽宁沈阳110004
@张德芬$东北大学材料与冶金学院金属材料研究所!辽宁沈阳110004
@黄涛$东北大学材料与冶金学院金属材料研究所!辽宁沈阳1
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