李潤(rùn)霞，張磊，劉蘭吉，張立軍，白彥華，李榮德

Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg合金熱變形行為及其加工圖

李潤(rùn)霞，張磊，劉蘭吉，張立軍，白彥華，李榮德

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，沈陽(yáng)110870)

采用Gleebe-1500D熱壓縮模擬試驗(yàn)機(jī)在變形溫度350～500℃、應(yīng)變速率0.001～5s-1的條件下對(duì)Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg合金進(jìn)行熱壓縮實(shí)驗(yàn)，研究該合金在熱塑性變形下的流變應(yīng)力行為及其熱加工特性，研究結(jié)果表明:Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg合金為正應(yīng)變速率敏感材料;該合金可用Znenr-Hollomon參數(shù)雙曲正弦形式來(lái)描述高溫塑性變形時(shí)的流變應(yīng)力行為;合金平均熱變形激活能Q為308.61kJ/mol?；趧?dòng)態(tài)材料模型(DMM)建立了Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg合金的熱加工圖，并結(jié)合熱加工圖和顯微組織分析獲得了該合金較優(yōu)的熱變形工藝參數(shù):變形溫度為400～470℃，應(yīng)變速率為0.1s－1。

Al-Si-Cu-Mg合金;熱壓縮變形;流變應(yīng)力;加工圖

Al-Si系合金不僅具有良好的鑄造性能，而且具有優(yōu)良的耐磨性和耐腐蝕性，相對(duì)較高的導(dǎo)電性，較低的熱膨脹系數(shù)、密度和熱裂傾向等［1－3］。過(guò)共晶鋁硅合金的一個(gè)重要應(yīng)用是作為發(fā)動(dòng)機(jī)活塞合金使用［4～6］，活塞的工作條件十分惡劣，要求活塞合金具有良好的加工性、良好的耐磨性，良好的高溫強(qiáng)韌性和低熱膨脹系數(shù)。Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg過(guò)共晶鋁硅合金是代表性活塞合金，該合金的美國(guó)牌號(hào)為A390，并且自上世紀(jì)80年代起逐漸取代其它的鋁硅活塞合金。同時(shí)，該合金也存在許多問題，由于該合金的硅含量較大，合金中初晶硅的尺寸和數(shù)量也隨之增加，大塊板片狀的初晶硅導(dǎo)致材料的脆性增加，而且初晶硅的硬度較高，導(dǎo)致合金在切削過(guò)程中對(duì)刀具的磨損量較大，材料的加工性能也較差［7～9］。國(guó)內(nèi)外針對(duì)解決該問題的研究較多，萬(wàn)里等［10］研究了擠壓鑄造過(guò)共晶A390合金的組織與力學(xué)性能。何克準(zhǔn)等［11］研究了固溶處理對(duì)Al-15.5Si-4Cu-1Mg-1Ni-0.5Cr合金組織的影響。Zhang Xun等［12］研究了固溶熱處理對(duì)Al-16.9Si-4.5Cu-0.15Mg合金組織和性能的影響。綜上所述，國(guó)內(nèi)外到目前為止還未見對(duì)該合金熱變形行為的研究報(bào)道。

材料的熱變形行為是其微觀變形機(jī)制及變形過(guò)程中組織結(jié)構(gòu)演變的宏觀反映［13］，流變應(yīng)力是表征合金在熱變形過(guò)程中材料塑性變形性能的一個(gè)基本量，研究熱變形過(guò)程中的流變應(yīng)力以及熱變形條件對(duì)流變應(yīng)力的影響對(duì)制定合理的熱加工工藝有著重要的作用。合金的熱加工圖是變形溫度與應(yīng)變速率空間中的功率耗散圖與失穩(wěn)圖的疊加，利用加工圖可以分析材料在不同變形溫度和應(yīng)變速率的高溫變形機(jī)制，從而獲得熱加工的“安全區(qū)”和“不安全區(qū)”，達(dá)到控制組織演變，避免產(chǎn)生缺陷的優(yōu)化熱加工工藝的目的［14－16］。目前，基于動(dòng)態(tài)材料模型(DDM)的加工圖技術(shù)被廣泛應(yīng)用于表征材料的熱加工性能和設(shè)計(jì)材料的熱加工工藝。本研究通過(guò)在Gleeble-1500D熱模擬試驗(yàn)機(jī)上對(duì)Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg合金進(jìn)行熱壓縮實(shí)驗(yàn)研究其熱變形行為，建立了Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg合金熱變形的本構(gòu)方程和基于動(dòng)態(tài)材料模型(DDM)的加工圖，為此合金熱加工工藝的制定和優(yōu)化提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)以工業(yè)純鋁、純鎂、Al-26 Si，Al-50Cu(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為原料，經(jīng)電阻爐熔煉、澆注，制得所需的Al-17.5 Si-4 Cu-0.5 Mg合金鑄錠。然后，在鑄錠上用線切割截取8 mm×12 mm的圓柱形壓縮試樣。Al-17.5 Si-4 Cu-0.5Mg合金的顯微組織如圖1所示，主要是由大塊的初生硅相、板條狀的共晶硅相以及鋁基體組成，其中帶有尖銳棱角的初生硅相是造成該合金力學(xué)性能較低的主要原因。圖1中的初生硅相所占面積百分比為6.7%，其圓形度僅有0.22，等效圓直徑平均為12.37μm，最大塊的初生硅相的等效圓直徑高達(dá)28.74μm;共晶硅大部分成板條狀，均勻地分布在鋁基體中。

在Gleeble-1500D熱模擬機(jī)上進(jìn)行恒應(yīng)變速率等溫高溫?zé)釅嚎s實(shí)驗(yàn)。熱模擬試驗(yàn)的升溫速率為10℃/s，保溫時(shí)間為2min。試驗(yàn)的變形溫度分別為350、400、450和500℃;應(yīng)變速率為0.001，0.01，0.1，1和5s－1;總壓縮變形量為0.8(真應(yīng)變)。壓縮時(shí)在試樣的兩端貼上石墨紙潤(rùn)滑以減少試樣與壓頭之間的摩擦，避免出現(xiàn)腰鼓、側(cè)翻等不均勻變形現(xiàn)象。變形過(guò)程中采用應(yīng)變傳感器(橫向延伸計(jì))測(cè)定壓縮過(guò)程中的試樣直徑變化，利用熱模擬機(jī)提供的硬件分析功能，直接獲得真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，壓縮完成后試樣迅速水淬，以保留高溫變形組織。

圖1 Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg合金顯微組織Fig.1 Microstructure of Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg alloy

2 結(jié)果與分析

2.1真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

圖2為Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg合金在不同應(yīng)變速率下等溫壓縮條件下所獲得的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。在變形初期，流變應(yīng)力隨著應(yīng)變?cè)黾友杆偕仙练逯祽?yīng)力，為加工硬化階段;隨后，動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶引起合金中位錯(cuò)密度下降造成合金的軟化與變形引起的加工硬化相互抵消，流變應(yīng)力達(dá)到峰值后緩慢下降至穩(wěn)態(tài)。

圖2 不同應(yīng)變速率下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.2 True stress-strain curves at different strain rate(a)0.01s－1;(b)0.1s－1

Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg合金在變形溫度分別為400，4 50℃時(shí)的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖3所示。由圖3可知，在同一變形溫度下，材料的真應(yīng)力水平隨應(yīng)變速率的增大而增大，表明材料是正應(yīng)變速率敏感材料，這主要是因?yàn)閼?yīng)變速率越大，塑性變形進(jìn)行得越不充分，使彈性變形量增大，從而導(dǎo)致流變應(yīng)力增大［17］。當(dāng)應(yīng)變速率為1s－1時(shí)，應(yīng)變量到0.6之后，流變應(yīng)力再次上升，這是由于應(yīng)變速率較大，變形時(shí)間縮短，從而使塑性變形時(shí)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和攀移的發(fā)生和發(fā)展的時(shí)間不充分，影響動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的作用，軟化作用降低，使應(yīng)力水平上升。而應(yīng)變速率為5s－1時(shí)未出現(xiàn)此現(xiàn)象，是由于應(yīng)變速率過(guò)大，變形時(shí)間短，變形熱能較少的散失到周圍的介質(zhì)中，更多的保留在變形體中，隨著溫度的不斷上升，金屬的塑性也不斷隨之提升，從而使流變應(yīng)力大幅降低。

圖4為變形溫度、應(yīng)變速率對(duì)流變應(yīng)力(峰值)的影響，從圖4可以直觀地看到流變應(yīng)力隨著變形溫度的增加而降低，隨應(yīng)變速率的增加而增加，該流變應(yīng)力也為擬合直線計(jì)算本構(gòu)方程提供數(shù)據(jù)支持。

圖3 不同變形溫度下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.3 True stress—strain curves at different deformation temperature(a)400℃;(b)450℃

圖4 變形溫度、應(yīng)變速率對(duì)流變應(yīng)力(峰值)的影響Fig.4 Effect of deformation temperature and strain rate on flow stress

2.2本構(gòu)方程的建立

在熱變形過(guò)程中，材料的高溫流變應(yīng)力強(qiáng)烈的取決于變形溫度和應(yīng)變速率，通?？刹捎弥笖?shù)、冪指數(shù)以及雙曲正弦函數(shù)來(lái)描述穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力與變形溫度和應(yīng)變速率的關(guān)系［18～20］，其表達(dá)式如下:

式中:ε為應(yīng)變速率，s－1;Q為熱變形激活能，kJ/ mol;R為普適常量;T為熱變形溫度，℃，Z為Zener-Hollomon參數(shù)［21］，其物理意義是溫度補(bǔ)償?shù)淖冃嗡俾室蜃?，反映材料熱變形的難易程度，是材料在熱變形過(guò)程中重要的力學(xué)性能參數(shù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)值，并通過(guò)分析獲得本合金的材料參數(shù):Q=308.61 kJ/ mol;n=6.37;A=1.81×1019s－1;α=0.024MPa－1。從而得到本合金的本構(gòu)方程如下:

該方程適用于應(yīng)變速率為0.001～5s－1，溫度為350～500℃范圍內(nèi)Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg合金的流變應(yīng)力行為，為該合金的熱加工以及數(shù)值模擬提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2.3熱加工圖及其分析

2.3.1 加工圖的理論

按照DDM的觀點(diǎn)［21，22］，工件在熱變形過(guò)程中，變形過(guò)程外界輸入的能量被消耗在兩方面:一方面用于材料的塑性變形，另一方面用于材料顯微組織的變化，在給定的溫度和應(yīng)變下，材料的熱變形過(guò)程滿足動(dòng)態(tài)本構(gòu)方程:

式中:K為常數(shù);m為應(yīng)變速率敏感指數(shù);P為熱加工過(guò)程中的單位體積所吸收的總能量，能量耗散可分為2部分:耗散量G和耗散協(xié)量J，耗散量G表示材料發(fā)生塑性變形所消耗的能量，其中大部分轉(zhuǎn)化成為了熱量，小部分以晶體缺陷能的形式存儲(chǔ);耗散協(xié)量J表示材料變形過(guò)程中組織演化所消耗的能量。這兩種能量所占比例由材料的應(yīng)變速率敏感指數(shù)m決定，即:

對(duì)于理想的線性耗散來(lái)說(shuō):J具有最大值Jmax= P/2，通常把J/Jmax定義為耗散功率因子，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

η是一個(gè)無(wú)量綱的參數(shù)，它的物理意義是指材料熱變形過(guò)程中顯微組織變化所耗散的能量與線性耗散能量的比例關(guān)系，功率耗散系數(shù)能夠從本質(zhì)上描述工件在給定的溫度以及應(yīng)變速率范圍內(nèi)微觀組織變形機(jī)制，在應(yīng)變速率及變形溫度所構(gòu)成的二維平面內(nèi)繪出功率耗散因子的等值線圖，就構(gòu)成了材料的功率耗散圖

在T-lnε平面內(nèi)繪制η的等值曲線圖即為功率耗散圖。根據(jù)大應(yīng)變塑性流變的Prasad失穩(wěn)判據(jù)［23］

建立流變失穩(wěn)圖。將功率耗散圖與失穩(wěn)圖疊加，即可得到合金高溫塑性變形加工圖。

2.3.2 Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg合金加工圖

采用3次樣條函數(shù)擬合lnσ與lnε的關(guān)系，按式(6)計(jì)算m(表1)，再按式(7)計(jì)算η(表1)，按式(8)計(jì)算不同溫度和應(yīng)變速率下的判據(jù)值ξ(表1)，從而分別獲得應(yīng)變量為0.3和0.5時(shí)所對(duì)應(yīng)的加工圖如圖5所示。圖5中陰影部分為流變失穩(wěn)區(qū)域，等值線上的數(shù)字表示功率耗散系數(shù)。加工圖中局域存在功率耗散系數(shù)最大值，一般來(lái)說(shuō)，高功率耗散區(qū)對(duì)應(yīng)著材料的最佳加工性能區(qū)，但是加工失穩(wěn)區(qū)的功率消散效率也可能會(huì)較高，所以判斷合金加工性能的好壞需要結(jié)合顯微組織以及失穩(wěn)判據(jù)判斷。

圖5a，b是Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg合金分別在應(yīng)變量為0.3，0.5時(shí)的加工圖，其中陰影部分為加工失穩(wěn)區(qū)，等值線上的數(shù)字為功率耗散因子。從圖5a，b中可以看出，該合金的加工失穩(wěn)區(qū)覆蓋了該加工圖應(yīng)變速率較高的部分，從而可以說(shuō)明該合金在該合金在高應(yīng)變速率下很有可能發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，所以該合金不適用于高應(yīng)變速率的熱加工;對(duì)比5圖a，b，隨著應(yīng)變量的增加，加工失穩(wěn)區(qū)變化不大，但是有著向低應(yīng)變速率擴(kuò)展的趨勢(shì)，但是擴(kuò)展的幅度并不大，因此，本研究以應(yīng)變量為0.5時(shí)的加工圖進(jìn)行分析。從圖6的應(yīng)變量為0.5時(shí)得三維功率耗散圖可以看出在加工圖中只有一個(gè)功率耗散因子峰值區(qū)以及兩個(gè)功率耗散因子谷區(qū)。根據(jù)功率耗散因子和失穩(wěn)區(qū)的特點(diǎn)，可將加工圖分成四個(gè)區(qū)域，如圖7所示:A區(qū)為耗散因子峰值區(qū)，溫度為440～500℃，應(yīng)變速率為0.01～0.15s－1;B區(qū)為加工圖右下角的耗散因子谷區(qū)，溫度為440～500℃，應(yīng)變速率為0.001～0.01s－1;C區(qū)溫度為350～440℃，應(yīng)變速率為0.001～0.15s－1;D區(qū)為耗散因子谷區(qū)與加工失穩(wěn)區(qū)復(fù)合區(qū)，溫度為350～500℃，應(yīng)變速率為0.001～5s－1。

表1 Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg合金在ε=0.5時(shí)的加工圖數(shù)據(jù)Table.1 Processing map dates of Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg alloy atε=0.5

圖5 不同真應(yīng)變時(shí)Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg合金的加工圖Fig.5 Processing maps of Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg alloy at different true strains(a)ε=0.3;(b)ε=0.5

圖6 應(yīng)變?yōu)?.5時(shí)Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg合金三維功率耗散圖Fig.6 Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg alloy 3D maps of power dissipation atε=0.5

圖7 應(yīng)變量為0.5時(shí)Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg合金加工圖的分區(qū)示意圖Fig.7 The partition sketch map for processing map of Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg alloy at strain of 0.5

A區(qū)為功率消耗因子峰值區(qū)，峰值效率為32%，較應(yīng)變?yōu)?.3時(shí)的峰值效率29%有所提高，但是我們通過(guò)加工圖可以發(fā)現(xiàn)，失穩(wěn)區(qū)在較應(yīng)變?yōu)?.3時(shí)也有所擴(kuò)大，向該區(qū)高溫部分?jǐn)U展，說(shuō)明該峰值區(qū)的高溫部分加工性能并不突出，甚至惡劣。在該區(qū)域的低溫部分，峰值效率高，而且并沒有被失穩(wěn)區(qū)所覆蓋，說(shuō)明該變形條件下的合金可能具有較好的熱加工性能。

B區(qū)為功率消耗因子谷區(qū)，在圖6中可以看到該區(qū)域耗散因子急劇下降，等值線相當(dāng)密級(jí)，這說(shuō)明耗散因子在此區(qū)域變化比較劇烈，同時(shí)耗散因子數(shù)值也比較小，說(shuō)明該區(qū)域合金熱加工性能較差。

C區(qū)為其他區(qū)域，該區(qū)域加工圖的等值線比較稀疏，這說(shuō)明此區(qū)域的功率耗散因子比較均勻，該區(qū)域的耗散因子在整個(gè)加工圖中處于中間的位置，在該區(qū)域的高溫高應(yīng)變速率部分，耗散因子接近峰值，但是在該區(qū)域的低溫低應(yīng)變速率部分，耗散因子接近谷值。但是，該區(qū)域沒有被加工失穩(wěn)區(qū)覆蓋，說(shuō)明該區(qū)域的熱加工性能相對(duì)良好。

D區(qū)為功率耗散因子谷區(qū)和加工失穩(wěn)區(qū)的復(fù)合區(qū)域，在圖5中可以看到，該區(qū)域耗散因子急劇下降，并且基本全部被加工失穩(wěn)區(qū)覆蓋，說(shuō)明該區(qū)域熱加工性能極差，極容易出現(xiàn)加工失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖8為不同熱壓縮條件下Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg合金的顯微組織。圖8a顯示A區(qū)的顯微組織，可以看出顯微組織均勻，初生硅呈現(xiàn)細(xì)小顆粒狀;圖8b為B區(qū)的顯微組織，其中部分基體組織發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，第二相有團(tuán)聚現(xiàn)象，初生硅呈棱角明顯的粗大顆粒狀;圖8c為C區(qū)中的典型組織，其基體組織仍保持形變組織狀態(tài)，初生硅呈粗大多邊狀;圖8d為合金在較高應(yīng)變速率下的變形組織，可以看出初生硅呈明顯的碎小多邊顆粒狀。初生硅相在不同區(qū)域所呈現(xiàn)的典型形貌，反映了初生硅在該區(qū)域破碎的難易程度、再分布程度等，這些都受變形速率以及與基體協(xié)同變形等的直接影響，進(jìn)而影響合金的熱變形行為。初生硅在變形過(guò)程中的破碎行為及其與基體協(xié)同變形規(guī)律還有待深入研究。

通過(guò)對(duì)Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg合金熱加工圖的分析和顯微組織的佐證，可以知道該合金在溫度為400～470℃，應(yīng)變速率為0.1s－1時(shí)進(jìn)行熱擠、熱軋、熱鍛等熱變形工藝是比較合理的。

圖8 不同熱壓縮條件下Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg合金的顯微組織(a)450℃，0.01s－1(A區(qū)); (b)500℃，0.001s－1(B區(qū));(c)350℃，0.01s－1(C區(qū));(d)500℃，5s－1(D區(qū))Fig.8 Microstructures of Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg alloy at different hot compression conditions (a)450℃，0.01s－1(Area A);(b)500℃，0.001s－1(Area B); (c)350℃，0.01s－1(Area C);(d)500℃，5s－1(Area D)

3 結(jié)論

(1)Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg合金高溫塑性變形時(shí)的流變應(yīng)力強(qiáng)烈取決于應(yīng)變速率和變形溫度。在同一應(yīng)變速率下，流變應(yīng)力隨著變形溫度的上升而減小;在同一變形溫度下，流變應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的提高而增加，屬于正應(yīng)變速率敏感材料。Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg合金的平均熱變形激活能Q為308.61kJ/mol。

(2)Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg合金在熱變形中存在一個(gè)功率耗散因子峰區(qū)，峰值效率為32%;失穩(wěn)區(qū)域主要集中在高應(yīng)變速率區(qū)，說(shuō)明該合金不適合大應(yīng)變速率變形，同時(shí)失穩(wěn)區(qū)域隨著應(yīng)變量的增大。

(3)結(jié)合熱加工圖以及顯微組織分析得出Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg合金較優(yōu)的熱變形工藝參數(shù):變形溫度為400～470℃，應(yīng)變速率為0.1s－1。

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Hot Deformation Behavior and Processing Maps of Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg Alloys

LI Run-xia，ZHANG Lei，LIU Lan-ji，ZHANG Li-jun，BAI Yan-hua，LI Rong-de
(School of Materials Science and Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

Hot compression tests of Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg alloy were carried out at350－500℃and strain rates of0.001－5s－1on a hot-simulation machine Gleeble-1500D to study the hot deformation behavior and hot working property.Results show that the Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg alloy is a positive strain rate sensitive material;the flow stress of this alloy can be described by the hyperbolic sine equation during high temperature deformation;the average thermal deformation activation energy Q is calculated to be 308.61kJ/mol.The processing maps were calculated on the basis of the dynamic materials model(DMM).The optimum processing parameters are determined by combining processing maps and microstructure evolution analysis.The deformation temperature are in the range from 400℃to 470℃and the strain rate is around 0.1s－1.

Al-Si-Cu-Mg alloy;hot compression deformation;flow stress;processing maps

10.11868/j.issn.1005-5053.2015.1.005

TG301

A

1005-5053(2015)01-0025-08

2014-07-14;

2014-11-20

國(guó)家自然科學(xué)基金(50971092);遼寧省自然科學(xué)基金(201202166);沈陽(yáng)市人才資源開發(fā)專項(xiàng)資金(201327013)

李潤(rùn)霞(1971—)，女，博士，教授，主要研究方向?yàn)殇X合金固態(tài)相變研究，(E-mail)runxiali@163.com