氧化夾雜對(duì)鋁合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為的影響

氧化夾雜對(duì)鋁合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為的影響

125鋁合金具有許多優(yōu)良的性能。鋁箔坯料1235鋁合金主要用于生產(chǎn)煙鋁箔、鋁箔器皿和鋁箔復(fù)合蒸煮袋等產(chǎn)品,產(chǎn)品具有無(wú)毒、衛(wèi)生、高柔軟性、防潮性等優(yōu)點(diǎn)。然而1235鋁箔的成品率很低,氧化夾雜對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量起了重要影響,然而目前研究針對(duì)氧化夾雜影響1235鋁合金熱變形行為以及所造成的缺陷尚少。金屬熱壓縮變形是一個(gè)加工硬化和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化同時(shí)存在并相互作用的復(fù)雜過程,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶開始和進(jìn)行時(shí),加工硬化并沒有停止。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)難以用定量金相法進(jìn)行測(cè)定。本文通過熱模擬試驗(yàn)與不同的熔體凈化處理,對(duì)1235鋁合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行研究,建立動(dòng)態(tài)再結(jié)晶數(shù)學(xué)模型,分析含雜量對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的影響規(guī)律,以期為進(jìn)一步研究熱塑性變形的數(shù)值模擬提供準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。1熱/力模擬實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)材料為鋁箔坯料1235鋁合金,主要成分如表1所列。對(duì)1235鋁合金進(jìn)行常規(guī)精煉處理與高效熔體凈化處理(熔劑沖洗法測(cè)得的含雜量見表2),對(duì)選取的鑄錠進(jìn)行均勻化退火處理。退火溫度為560℃,保溫時(shí)間為13h,空冷。從均勻化處理(560℃×13h)后的鋁箔坯料上切取樣品,加工成ue78810mm×12mm的圓柱形熱壓縮試樣。在Geeble-1500型動(dòng)態(tài)熱/力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行軸對(duì)稱等溫?zé)釅嚎s實(shí)驗(yàn)(變形量50%,變形溫度分別為300、350、400、450和500℃,應(yīng)變速率分別為0.01、0.1、1和10s-1)。在熱壓縮過程中實(shí)時(shí)采集溫度、位移、真應(yīng)力、真應(yīng)變等參數(shù)的實(shí)際變化值。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1熱加工過程中的應(yīng)力-應(yīng)變變化規(guī)律一般認(rèn)為對(duì)于鋁及其合金,由于其層錯(cuò)能高,位錯(cuò)不易擴(kuò)展,產(chǎn)生交滑移所需的激活能小,所以鋁合金在變形過程中位錯(cuò)易于束集而進(jìn)行交滑移。因此通常認(rèn)為鋁合金在熱變形過程中易于發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù),而不易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。但通過對(duì)1235鋁合金的試驗(yàn)所獲得的流變應(yīng)力曲線特征分析可見,在各種熱變形條件下均發(fā)生了一定程度的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。根據(jù)熱壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出熱壓縮過程中經(jīng)不同凈化處理1235鋁合金的應(yīng)力—應(yīng)變曲線,如圖1所示,圖1(a)、1(b)為未處理,1(c)、1(d)為經(jīng)常規(guī)精煉處理,1(e)、1(f)為經(jīng)高效凈化處理1235鋁合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖1可以看出,1235鋁合金在熱壓縮過程中,各流變應(yīng)力曲線上均存在應(yīng)力峰值,峰值前流變應(yīng)力隨應(yīng)變量的增加而增大,表現(xiàn)為加工硬化特征。加工硬化速率隨著變形量的增大而減小,而在峰值后流變應(yīng)力隨變形量的增大而降低,表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)軟化特征。隨著熱壓縮的繼續(xù)進(jìn)行,流變應(yīng)力隨應(yīng)變量的增大基本保持不變,表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)流變特征。此外,變形溫度越高,同一應(yīng)變值對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值越低,峰值應(yīng)力向應(yīng)變量減小的方向移動(dòng)(圖1a)。應(yīng)變速率越高,同一應(yīng)變值對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值則越高(圖1b)。故經(jīng)高效凈化處理1235鋁合金在熱壓縮變形過程中存在穩(wěn)態(tài)流變特征,流變應(yīng)力值高,有較好的塑韌性,熱加工性能好。流變應(yīng)力曲線上的峰值應(yīng)變?chǔ)舙可由應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變得到,而動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變?chǔ)與則可由εc=(0.6~0.85)εp計(jì)算得到。文中取εc=0.8εp。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶完成后的穩(wěn)態(tài)應(yīng)變?chǔ)舠采用加工硬化率θ與應(yīng)變?chǔ)诺年P(guān)系確定。由流變應(yīng)力-應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)可計(jì)算出對(duì)應(yīng)于各應(yīng)變的加工硬化率:在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型中,可以把θ第一次恢復(fù)到0值時(shí)的ε作為穩(wěn)態(tài)應(yīng)變?chǔ)舠。由此可以得到不同變形條件下的三個(gè)特征值:峰值應(yīng)變?chǔ)舙,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變?chǔ)與,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶完成后的穩(wěn)態(tài)應(yīng)變?chǔ)舠。2.2動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體中n和系數(shù)b的關(guān)系動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型一般采用Johnson-MehlAvrami(JMA)方程,即:其中,n和b為Avrami系數(shù)。Avrami系數(shù)n和系數(shù)b在不同的變形條件時(shí)不是一個(gè)常數(shù),而是與變形參數(shù)有關(guān)。Johnson-Mehl-Avrami方程應(yīng)寫為:式中f—?jiǎng)討B(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù),%;b和n—變形參數(shù)Z的函數(shù)。假定達(dá)到臨界應(yīng)變?chǔ)與時(shí),再結(jié)晶分?jǐn)?shù)為0.5%,穩(wěn)態(tài)應(yīng)變?chǔ)舠對(duì)應(yīng)的再結(jié)晶分?jǐn)?shù)為99%,則由式(3)中可求出:由式(4)和式(5)可化簡(jiǎn)得:對(duì)于一定的變形條件可以求出方程(3)的系數(shù)n(Z)、b(Z),見表3。2.3預(yù)報(bào)值與所測(cè)值的比較動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)Xdyn與變形條件的關(guān)系一般采用Avrami方程來(lái)表示,即:式中k,m-取決于變形材料的常數(shù);εc-動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變;εp-峰值應(yīng)變。用回歸統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS對(duì)式(8)進(jìn)行非線性回歸,得到方程式(8)的系數(shù)見表4。根據(jù)得到的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方程和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)公式進(jìn)行計(jì)算,將求得的數(shù)據(jù)繪出經(jīng)不同處理1235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)的實(shí)測(cè)值和預(yù)報(bào)值的比較見圖2。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)式非線性回歸得到的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.92,相關(guān)性較高。由圖2可知,經(jīng)高效凈化處理1235鋁合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的實(shí)測(cè)值和預(yù)報(bào)值十分相近且曲線特征一致,曲線的形狀呈“S”形。隨著變形溫度的升高(見圖2a、2b和2c),曲線向左移動(dòng)且斜率增大。此時(shí),1235鋁合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變減小,能較快地發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)增大。在較高的應(yīng)變速率條件下,材料內(nèi)部的再結(jié)晶晶粒沒有充分的時(shí)間形核和長(zhǎng)大,在同等變形條件下的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較低(見圖2b和2d)。比較經(jīng)不同凈化處理1235鋁合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)曲線,如圖3所示。由圖可知,1235鋁合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的實(shí)測(cè)值和預(yù)報(bào)值曲線特征基本一致,即3種不同含雜量的1235鋁合金在相同熱變形條件(6)ε=0.1s-1,t=400℃)下,真應(yīng)變小于0.1時(shí)幾乎同時(shí)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。隨著應(yīng)變的增加,再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)呈“S”形曲線上升,在同一真應(yīng)變下,未處理的1235鋁合金表現(xiàn)出較大的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù),經(jīng)高效凈化處理的則最低。因此,在一定熱變形條件下,含雜量越高,熱壓縮時(shí)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的速度加快,較快地完成晶粒的重組與組織的演變,含雜量越低,發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的速度較慢。當(dāng)真應(yīng)變大于0.45時(shí),動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)十分接近,此時(shí)的組織演化緩慢。2.4晶體結(jié)構(gòu)及尺寸圖4為經(jīng)不同凈化處理1235鋁合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),1235鋁合金熱變形過程中發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的現(xiàn)象明顯。在熱變形條件(ε6)=0.1s-1,t=400℃)下,形成的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織中,未處理的再結(jié)晶晶粒粗大,分布不均勻,存在個(gè)別粗大的大晶粒。經(jīng)高效處理的1235鋁合金再結(jié)晶晶粒細(xì)小且均勻。1235鋁合金的不溶性?shī)A雜物主要是Al2O3,試驗(yàn)中采用截線法測(cè)得的三種不同凈化處理1235鋁合金的氧化夾雜的平均尺寸分別為未處理54.6μm,常規(guī)精煉37.0μm和高效凈化24.0μm。較大的夾雜物周圍位錯(cuò)密度很低,位錯(cuò)束集形成了清晰平直的大角度晶界,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行得比較完全。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶包括形核和長(zhǎng)大兩部分。在熱變形過程中,氧化夾雜使晶格變形而形成晶格畸變,釋放出的晶格畸變能使變形儲(chǔ)存能較大,為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核提供了有利的能量條件。對(duì)于未經(jīng)凈化處理的1235鋁合金,雜質(zhì)含量高、尺寸大,則形核部位少,長(zhǎng)大速率大,故再結(jié)晶晶粒尺寸大。而對(duì)于經(jīng)凈化處理的合金,一方面雜質(zhì)含量變少,另一方面雜質(zhì)的尺寸變小,分布均勻,對(duì)變形及位錯(cuò)的滑移同樣存在阻礙作用,則再結(jié)晶的形核部位增多,而相對(duì)而言長(zhǎng)大速率較小,因此經(jīng)凈化處理的1235鋁合金的再結(jié)晶晶粒尺寸小。研究表明,再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方程可以間接反映出1235鋁合金熱壓縮過程的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為,氧化夾雜對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為的影響明顯。3動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的工藝計(jì)算1)1235鋁合金在各種熱變形條件下均發(fā)生了一定程度的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的實(shí)測(cè)值和預(yù)報(bào)值十分相近,由非線性回歸得到的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0