Al-Cu-Mg-Ag合金热压缩变形的流变应力行为和显微组织

第卷第期中国有色金属学报年月19220092Vol.19No.2TheChineseJournalofNonferrousMetalsFeb.2009文章编号：1004-0609(2009)02-0201-07Al-Cu-Mg-Ag合金热压缩变形的流变应力行为和显微组织刘晓艳1，潘清林1,2，何运斌1，李文斌1，梁文杰1，尹志民1,2(1.中南大学材料科学与工程学院，长沙410083；2.中南大学有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，长沙410083)摘要：采用热模拟实验对Al-Cu-Mg-Ag耐热铝合金进行热压缩实验，研究合金在热压缩变形中的流变应力行为和变形组织。结果表明：Al-Cu-Mg-Ag耐热铝合金在热压缩变形中的流变应力随着温度的升高而减小，随着应变速率的增大而增大；该合金的热压缩变形流变应力行为可用双曲正弦形式的本构方程来描述，其变形激活能为196.27kJ/mol；在变形温度较高或应变速率较低的合金中发生部分再结晶，并且在合金组织中存在大量的位错和亚晶；随着温度的升高和应变速率的降低，合金中拉长的晶粒发生粗化，亚晶尺寸增大，位错密度减小，合金的主要软化机制逐步由动态回复转变为动态再结晶。关键词：Al-Cu-Mg-Ag合金；耐热铝合金；热压缩变形；流变应力中图分类号：TG146.21文献标识码：AFlowstressbehaviorandmicrostructureofAl-Cu-Mg-AgalloyduringhotcompressiondeformationLIUXiao-yan1,PANQing-lin1,2,HEYun-bin1,LIWen-bin1,LIANGWen-jie1,YINZhi-min1,2(1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China;2.TheKeyLaboratoryofNonferrousMaterialsScienceandEngineeringofMinistryofEducation,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)Abstract:Thebehavioroftheflowstressandthedeformationmicrostructureofheat-resistantaluminumalloyAl-Cu-Mg-Agduringhotcompressiondeformationwerestudiedbythermalsimulationtest.Theresultsshowthattheflowstressdecreaseswithincreasingdeformingtemperatureandincreaseswithincreasingstrainrate.Theflowstressofthealloyduringhotcompressiondeformationcanbedescribedbyconstitutiveequationinhyperbolicsinefunctionwithahotdeformationactivationenergyof196.27kJ/mol.Partialrecystallizationtakesplaceinthealloysdeformedatahightemperatureoratalowstrainrate,andlargenumberofdislocationsandsubgrainsareobservedinthealloy.Theelongatedgrainsobservedinthesamplescoarsenwithincreasingtemperatureanddecreasingstrainrate.Correspondingly,thesubgrainsizeincreasesandthedislocationdensitydecreases.Themainsoftenmechanismofthealloytransformsfromdynamicrecoverytodynamicrecrystallization.Keywords:Al-Cu-Mg-Agalloy;heat-resistantaluminumalloy;hotcompressiondeformation;flowstressAl-Cu-Mg-Ag合金是一种新型高温耐热铝合金材料。与现有的2×××系耐热铝合金相比，Al-Cu-Mg-Ag合金不仅具有较高的室温强度和耐损伤性能，还具有优良的高温性能。因此，Al-Cu-Mg-Ag新型合金有望满足超音速飞机的经济性要求及耐热性能要求，是超音速飞机备选材料的一个发展方向。基金项目：国防科工委军品配套研制资助项目(JPPT-115-2-948)收稿日期：2008-06-03；修订日期：2008-08-25通讯作者：潘清林，教授，博士；电话：[phone]；E-mail:[e-mail]中国有色金属学报2009年2月202目前，Al-Cu-Mg-Ag耐热铝合金的研究主要集中在合金成分设计[1−2]、热处理工艺[3]以及复合添加[4−6]等方面，对这类合金在热变形条件下的流变应力行为的研究相对较少。肖代红等[7]在研究Al-5.3Cu-0.8Mg-0.6Ag合金板材的超塑性时发现，合金在变形温度为500℃，应变速率为5×10−4s−1的条件下塑性最好，最大伸长率为320%，应变速率敏感系数达到0.58。余日成等[8]在研究Al-Cu-Mg-Ag耐热铝合金的热加工工艺时发现，在温度为470℃、变形量为50%的条件下热轧，轧出的板材效果最好，其室温抗拉强度达到470MPa，对应的伸长率达到8%~10%。因此，研究该类合金在高温变形时的流变应力变化规律，建立有关的流变应力模型，可为该类材料的热加工工艺提供理论与实验依据。为此，本文作者对Al-Cu-Mg-Ag耐热铝合金进行热压缩实验，研究该合金在热变形条件下的流变应力行为及微观组织的变化。1实验1.1实验材料实验所采用的原材料为工业纯铝、纯镁和纯银以及A1-Cu、A1-Mn和A1-Zr中间合金。采用铸锭冶金方法制备Al-5.3Cu-0.8Mg-0.5Ag-0.3Mn-0.15Zr(质量分数，%)合金铸锭。铸锭于500℃均匀化处理24h，然后切取小块试样，加工成d10mm×15mm的圆柱形压缩试样。为了减小试样与压头之间的摩擦，压缩试样两端各加工出厚度为0.2mm的凹槽，在压缩过程中，将槽内均匀填充润滑剂。1.2实验方法压缩实验在Gleeble-1500热力模拟实验机上进行。应变速率为0.001、0.01、0.1、1.0和10s−1，变形温度为340、380、420、460和500℃，总压缩变形量为60%。利用自身电阻进行加热，加热速率为1℃/s，变形前保温5min。压缩实验结束后立即对试样进行水淬处理，以保留合金压缩结束后的变形组织。1.3微观组织观察将试样沿压缩方向切开，采用金相显微镜和透射电镜观察合金的微观组织。金相显微分析在POLYVER-MET金相显微镜上进行。透射电镜样品经机械预减薄后双喷穿孔而成。电解液为硝酸+甲醇(体比为1׃3)，温度低于−20℃。TEM组织观察在TECNAIG积220电镜上进行，加速电压为200kV。2实验结果2.1合金热压缩变形的真应力－真应变曲线图1所示为Al-Cu-Mg-Ag耐热铝合金在高温压缩变形时的真应力－真应变曲线。在热变形初期，流变应力随应变的增加而迅速增大至峰值。在相同应变速率下，随变形温度的升高，峰值应力明显下降；在相同变形温度下，随应变速率的增加，峰值应力升高，说明Al-Cu-Mg-Ag耐热铝合金在该试验条件下具有正的应变速率敏感性。金属和合金的热变形是一个受热激活控制的过程，其流变行为可用应变速率、温度T和流变应力σ之间的关系来描述。对不同热加工数据的研究表明，、T和σ之间的数学关系表达式主要有以下3种情况ε&ε&[9−12]。低应力水平(ασ＜1.2)时：])/(exp[11RTQAn−=σε&(1)高应力水平(ασ＞1.2)时：)]/(exp[)exp(2RTQA−=βσε&(2)整个应力范围：)](/exp[)][sinh(RTQAn−=ασε&(3)式中A、A1、A2、n1、n、α和β均为与温度无关的常数，α、β和应力指数n之间满足α=β/n；R为摩尔气体常数；T为变形温度；Q为变形激活能；σ为流变应力。ZENER等[13]于1944年提出并验证了应变速率和度的关系可用一项参数Z表示为温nARTQZ)][sinh()]/(exp[ασε==&(4)图2所示为本实验条件下的峰值应力σ与应变速率、变形温度和参数Z与流变应力之间的关系曲线。可以看出lnsinh(ασ)与ln、Tε&−1和lnZ满足线性关系。由式(1)~(4)及图2可以得出Al-Cu-Mg-Ag的几个参数值和Q值，结果列于表1。表1Al-Cu-Mg-Ag合金的参数及Q值Table1ParametersandQvalueofAl-Cu-Mg-AgalloyA/s−1α/MPa−1nQ/(kJ·mol−1)1.89×10130.011597.2945196.27第19卷第2期刘晓艳，等：Al-Cu-Mg-Ag合金热压缩变形的流变应力行为和显微组织203图1Al-Cu-Mg-Ag耐热铝合金热压缩变形的真应力—真应变曲线Fig.1Truestress—truestraincurvesofheat-resistantaluminumalloyAl-Cu-Mg-Agduringhotcompressiondeformation:(a)ε&=0.001s−1;(b)ε&=0.01s−1;(c)ε&=0.1s−1;(d)ε&=1.0s−1;(e)ε&=10s−1由表1可知，Al-Cu-Mg-Ag耐热铝合金的变形激活能为196.27kJ/mol。将表1中各参数代入式(3)，可得Al-Cu-Mg-Ag耐热铝合金的热压缩变形时的流变本构方程：⋅×=2945.713)]59011.0[sinh(1089.1σε&)]/(270196exp[RT−(5)2.2合金的热压缩变形组织图3所示为不同变形条件下合金的金相显微组织。由图3可知，在合金组织中均存在沿垂直于压缩方向拉长的变形晶粒，部分合金中出现再结晶晶粒，合金变形组织随着变形条件的改变而发生改变。在变形温度为420℃，应变速率为0.1s−1的合金组织中只有拉长的变形晶粒(见图3(b))。随着应变速率的减小，晶粒发生粗化，当应变速率减小到0.001s−1时，合金组织中出现少量细小的再结晶晶粒(见图3(a))；同样是在应变速率为0.1s−1的条件下，随着变形温度的升高，中国有色金属学报2009年2月204图2lnsinh(ασ)与lnε&、T−1和lnZ的关系Fig.2Relationshipsamonglnsinh(ασ),ln(ε&),T−1andlnZ:(a)lnsinh(ασ)vslnε&;(b)lnsinh(ασ)vsT−1;(c)lnsinh(ασ)vslnZ图3在不同热变形条件下合金的金相显微组织Fig.3Opticalmicrostructuresofspecimenscompressedunderdifferentconditions:(a)t=420℃,=0.001sε&−1;(b)t=420℃,=0.1sε&−1;(c)t=500℃,=0.001sε&−1;(d)t=500℃,=0.1sε&−119卷第2期刘晓艳，等：Al-Cu-Mg-Ag合金热压缩变形的流变应力行为和显微组织第205拉长的变形晶粒也发生粗化，当温度升高到500℃时，合金组织中也出现少量细小的再结晶晶粒(见图3(d))。这表明在应变速率较小和变形温度较高的条件下，合金发生部分动态再结晶，并且再结晶晶