高溫壓縮下7075鋁合金的流變應(yīng)力行為

高溫壓縮下7075鋁合金的流變應(yīng)力行為

7075鋁合金具有良好的完整性，是航空航天領(lǐng)域廣泛使用的一種重型材料。為了進(jìn)一步提高該合金的綜合性能,充分挖掘其使用潛力以滿足航空航天工業(yè)的需求,從不同的側(cè)面對該合金進(jìn)行各種深入細(xì)致的研究,具有重要的實(shí)際意義。7075鋁合金在熱變形過程中流變應(yīng)力的大小是決定變形所需負(fù)荷及所需消耗能量的關(guān)鍵因素,在進(jìn)行工程計算時首先就應(yīng)確定材料變形的流變應(yīng)力。流變應(yīng)力σ的大小與變形溫度T、應(yīng)變速率ε˙ε˙及應(yīng)變量ε有關(guān),也與材料成分、晶粒尺寸、變形歷史等其它條件有關(guān)。通常忽略后者的影響,表達(dá)為σ=f(ε)?f(ε˙)?f(T)(1)σ=f(ε)?f(ε˙)?f(Τ)(1)上式的具體形式隨材料、變形方式等變化,定量的表達(dá)可用著名的Zener-hollomon參數(shù)、Arrhenius關(guān)系、Sah模型等。通過這些定量公式,可以解釋合金高溫變形的物理本質(zhì)。1車削試樣的車削方法實(shí)驗(yàn)所用材料為東北輕合金加工廠提供的d162mm的7075鋁合金鑄錠。從鑄錠上切取小塊試樣,車削成如圖1所示的壓縮試樣。熱壓變形在Gleeble-1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,壓縮時在試樣兩端填充石墨加機(jī)油作為潤滑劑。變形溫度分別為250,300,350,400,450℃,應(yīng)變速率為0.05,0.5,5,25s-1。2應(yīng)變速率對合金流變應(yīng)力的影響7075鋁合金高溫壓縮變形時隨變形溫度和應(yīng)變速率的變化所獲得的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖2所示。由圖2可見,7075鋁合金熱壓縮變形時,流變應(yīng)力的變化規(guī)律表現(xiàn)為:先隨應(yīng)變的增加迅速升高,出現(xiàn)一峰值后逐漸下降,并且在應(yīng)變速率一定時,隨變形溫度升高,該峰值點(diǎn)呈下降趨勢;穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力隨溫度的變化呈現(xiàn)出與峰值應(yīng)力相同的變化趨勢,并且當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定值時,穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力基本上保持不變而與真應(yīng)變無關(guān);此外,隨著溫度的升高,合金變形表現(xiàn)出越來越明顯的動態(tài)軟化現(xiàn)象;在變形溫度保持不變時,流變應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的提高而增大;在高應(yīng)變速率下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線表現(xiàn)出比低應(yīng)變速率下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線更加復(fù)雜曲折的現(xiàn)象。3分析與討論3.1z參數(shù)與流變應(yīng)力的關(guān)系Zener和Hollomon的有關(guān)研究證明,材料在高溫塑性變形時應(yīng)變速率受熱激活過程控制,應(yīng)力與應(yīng)變速率之間的關(guān)系可用一項(xiàng)Z參數(shù),即Zener-Hollomon參數(shù)表示:Z=ε˙Ζ=ε˙exp(ΔH/RT)(2)Z參數(shù)的物理含義為溫度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變速率因子,式中R為氣體常數(shù),ΔH為變形激活焓。有關(guān)研究表明,當(dāng)流變應(yīng)力高于50MPa時,可采用指數(shù)形式來描述流變應(yīng)力與Z參數(shù)之間的關(guān)系:Z=A?exp(βσ)(3)式中A和β是與應(yīng)變量有關(guān)的參數(shù)。由文獻(xiàn)可得,7075鋁合金的變形激活焓為ΔH=158432J·mol-1。將變形條件和結(jié)果代入公式(2),即可得到Z參數(shù)與流變應(yīng)力的關(guān)系曲線,如圖3所示。由圖3可見,lnZ與流變應(yīng)力σ呈直線關(guān)系,回歸相關(guān)系數(shù)為0.9725～0.9912。在不同的應(yīng)變量下,直線的斜率略有變化。這種關(guān)系表明,實(shí)測數(shù)據(jù)符合式(3),即該合金的Z參數(shù)可表示為流變應(yīng)力的指數(shù)形式。當(dāng)溫度不變時,由式(2)和(3)可得lnε˙=lnA1+βlnε˙=lnA1+βσ(4)其中l(wèi)nA1=lnA+ΔH/(RT)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以繪制出流變應(yīng)力與應(yīng)變速率之間的關(guān)系曲線,如圖4所示。通過線性回歸分析證明,回歸相關(guān)系數(shù)等于0.9436～0.9765,表明σ-ε˙ε˙關(guān)系符合式(4)所示關(guān)系,即7075鋁合金高溫壓縮變形時的應(yīng)力-應(yīng)變速率關(guān)系滿足指數(shù)形式。這種關(guān)系可以用于描述該合金各溫度下應(yīng)變速率與穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力和峰值應(yīng)力的關(guān)系,從而可為通過控制應(yīng)變速率來控制熱加工的應(yīng)力水平和力能參數(shù)提供理論依據(jù)。3.2流變應(yīng)力與z參數(shù)之間的關(guān)系從圖2的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線可知,溫度變化對合金的流變應(yīng)力大小有直接的影響。在恒應(yīng)變速率條件下變形時,假定在一定的溫度范圍內(nèi)ΔH保持不變,采用指數(shù)形式來描述流變應(yīng)力與Z參數(shù)之間的關(guān)系,于是由式(2)和(3)可得BT-1=A2+β2σ(5)式中B,A2,β2都是與溫度無關(guān)的系數(shù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制流變應(yīng)力與變形溫度之間的關(guān)系曲線,如圖5所示。線性回歸分析表明,在恒應(yīng)變速率條件下,σ-T關(guān)系符合式(5)所示關(guān)系,即流變應(yīng)力與變形溫度的倒數(shù)呈線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.9765～0.9948,說明該合金可以采用Z參數(shù)的指數(shù)形式來描述高溫變形時的流變應(yīng)力行為。3.3應(yīng)變速率對合金變形組織的影響上述分析表明,7075鋁合金高溫壓縮變形時的流變應(yīng)力強(qiáng)烈地取決于應(yīng)變速率和變形溫度,可采用Zener-Hollomon參數(shù)的指數(shù)形式來描述其流變應(yīng)力行為。7075鋁合金的塑性變形流變應(yīng)力行為是與變形體內(nèi)的位錯組態(tài)密切相關(guān)的。變形初期,需較高的能量來啟動位錯;流變應(yīng)力達(dá)到峰值之后,開始進(jìn)入穩(wěn)態(tài)變形,流變應(yīng)力基本保持不變。此時,合金變形的實(shí)質(zhì)為位錯的增殖和位錯間由于相互作用而引起的相互銷毀和重組之間達(dá)到動態(tài)平衡,合金變形組織中的亞晶平均大小、亞晶間平均取向差以及平衡位錯密度均保持基本不變,合金中發(fā)生“重復(fù)多邊形化”,表現(xiàn)出強(qiáng)烈的動態(tài)回復(fù)行為。變形條件,尤其是應(yīng)變速率、應(yīng)變量和變形溫度決定了合金的組織演變過程和流變應(yīng)力行為,而如前所述,這種變形條件可用方程(2)和(3)所示的Z參數(shù)來表示。因此可見,合金變形組織與Z參數(shù)之間也應(yīng)該存在一定的對應(yīng)關(guān)系,利用這種關(guān)系可為合金變形組織的預(yù)測、控制和優(yōu)化提供依據(jù)。此外,從圖2所示的實(shí)測曲線可見,當(dāng)應(yīng)變速率較高時(25s-1),出現(xiàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線在變形初始階段表現(xiàn)出強(qiáng)烈的鋸齒形波動隨后逐漸趨于平穩(wěn)的奇異現(xiàn)象。一般認(rèn)為,金屬在應(yīng)變速率較低時,因發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶,應(yīng)力-應(yīng)變曲線會發(fā)生這種波動現(xiàn)象,但本實(shí)驗(yàn)卻是在高速變形下出現(xiàn)這種現(xiàn)象。這可能是因?yàn)?075鋁合金在高應(yīng)變速率下發(fā)生了不連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶,也可能是變形熱效應(yīng)或別的原因造成的。因此,對這種奇異現(xiàn)象的物理本質(zhì),