劉建波，寧愛林，劉順同

(邵陽學(xué)院 機械與能源工程系，湖南 邵陽，422000)

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BFe10-1-1銅合金的熱壓縮本構(gòu)方程

劉建波，寧愛林，劉順同

(邵陽學(xué)院 機械與能源工程系，湖南 邵陽，422000)

采用圓柱試樣在Gleeble-3500數(shù)控熱力模擬試驗機上對BFe10-1-1銅合金進行等溫壓縮變形試驗，研究了此合金在溫度850℃、900℃和950℃以及應(yīng)變速率0.01s-1、0.1s-1、1s-1和10s-1等不同變形條件下的熱力學(xué)行為.結(jié)果表明：高溫變形條件下，變形溫度、變形速率以及變形程度對該合金的流變應(yīng)力的影響顯著.流變應(yīng)力隨變形溫度的升高而變小，隨變形速率的增大而變大，且當變形超過臨界應(yīng)變時，金屬晶粒會發(fā)生明顯的動態(tài)再結(jié)晶.并由此構(gòu)建了該銅合金包含Arrhenius公式和Zener-Honllmon參數(shù)的流變應(yīng)力本構(gòu)方程.

BFe10-1-1銅合金；熱壓縮；流變應(yīng)力；本構(gòu)方程

BFe10-1-1合金，屬于Cu90Ni10銅鎳合金,對應(yīng)美國牌號C70600，與國際標準型號CuNi10Fe1Mn一樣[1]，是一種含鎳較少的結(jié)構(gòu)鐵白銅，優(yōu)異的抗腐蝕性能和抗污殺菌能力使得它在海洋工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛，如電站、海水淡化工廠、海洋鉆井平臺等行業(yè)中大量使用的冷凝器、加熱器和熱交換器[1-5]。在國內(nèi)，2005年以來白銅合金盤管生產(chǎn)技術(shù)已取得重大突破，并可用于批量生產(chǎn)；近年來我國逐步縮短了與世界先進國家技術(shù)的差距，已躋身于白銅生產(chǎn)加工的大國[5]。

同時，該合金具有良好的塑性和焊接性能，適合多種加工工藝生產(chǎn)以及各種型材的制備，管材的熱擠壓生產(chǎn)就是其應(yīng)用領(lǐng)域中的一個重要組成部分。該合金的再結(jié)晶溫度為600℃～700℃，易于進行熱軋、熱擠壓和熱鍛等熱加工方法，熱加工的溫度范圍一般選擇850℃～950℃，因此研究BFe10-1-1銅合金的熱變形力學(xué)行為對指導(dǎo)各應(yīng)用領(lǐng)域里的熱加工工藝制定與生產(chǎn)設(shè)備的選擇有著重要的參考價值[1,3,4]。

1 實驗

1.1 實驗材料與實驗設(shè)備

本實驗所采用的Cu-Ni-Fe合金牌號為BFe10-1-1，購于深圳市龍崗區(qū)三和興金屬材料行，原始出廠狀態(tài)為10的棒材，本次試驗經(jīng)過線切割下料準備后最終所用的試樣尺寸規(guī)格為812mm.原廠材質(zhì)報告中包含的力學(xué)性能參數(shù)為：抗拉強度b不小于275MPa，伸長率不小于28%，合金主要成分含量列于下表1中，初始晶粒尺寸約為50m.

本次熱壓縮實驗所采用的設(shè)備是Gleeble 3500熱模擬實驗機[4,5]，其它用到的實驗設(shè)備還有XJP-6A金相顯微鏡(最大放大倍數(shù)400)和XY-1200NT真空管式實驗爐.

表1 BFe10-1-1銅合金主要成分含量表Table 1 Chemical composition of BFe10-1-1 copper alloy

1.2 實驗方法與內(nèi)容

根據(jù)BFe10-1-1銅合金的常用的熱加工生產(chǎn)溫度，確定熱模擬試驗條件如下：變形溫度為850℃～950℃，真應(yīng)變速率為0.01～10s-1，壓縮真應(yīng)變?yōu)?.8～1.2.在金相組織觀察實驗中，腐蝕劑選用的是三氯化鐵的鹽酸水溶液[3,8]，具體的配比為FeCl3(10g)、HCl(30ml)、H2O(120ml)，腐蝕的時間約為30-50s.

為盡量降低摩擦對變形的影響，在做等溫壓縮實驗前，先將準備好的圓柱形試樣兩端加上涂有合適潤滑劑的石墨片，這樣可以有效避免產(chǎn)生嚴重的鼓形[14].接著再把處理好的試樣置于Gleeble 3500 熱力模擬試驗機上進行等溫熱壓縮試驗，整個4階段的實驗過程示意曲線如下圖1所示[9].

試樣以10℃/s的速度加熱到變形溫度，然后保溫210s，使試樣加熱均勻.然后再按照預(yù)定的要求進行等溫壓縮熱變形，真應(yīng)變?yōu)?.8(壓縮程度約為55%)或1.0或1.2，壓縮結(jié)束后立即進行惰性快速氣體冷卻，以保留高溫變形的微觀組織.真應(yīng)力、真應(yīng)變、壓力、溫度、位移、時間等實驗數(shù)據(jù)均由Gleeble 3500 熱模擬機計算機系統(tǒng)自動收集，其他導(dǎo)出數(shù)據(jù)利用 Origin 9.0軟件提取[6,7].最終得到BFe10-1-1銅合金熱壓縮變形的流變應(yīng)力曲線圖.

圖1 等溫熱壓縮實驗過程示意圖Fig.1 The schematic of isothermal compression experiment

2 結(jié)果與分析

2.1 金相組織分析

根據(jù)制定的實驗路線完成各條件下金相組織的觀察實驗，最終獲得的部分金相圖如圖2(真應(yīng)變均為0.8).在此說明，本實驗中的熱處理條件為把試樣加熱到目標溫度后保溫5分鐘，然后用水淬保持高溫組織.

圖2 實驗結(jié)果所獲得的金相組織圖：a表示950℃熱處理過的狀態(tài); b表示950℃時且應(yīng)變速率為1s-1熱壓縮后的狀態(tài); c表示合金出廠初始金相狀態(tài)Fig.2 Microstructure of the experiment in 950℃ heat treatment (a); isothermal compression of 950℃ at strain rate 1s-1 (b) and the original state of the copper alloy (c)

從圖2中可以看出，經(jīng)過950℃熱處理過的合金試樣組織發(fā)生了明顯的變化，內(nèi)部晶粒發(fā)生了長大，而且可以粗略統(tǒng)計獲得其平均晶粒尺寸由原來的50m左右變成了100m左右，一般晶粒長大了1～2倍.其次，在對比同一批熱處理過程中的三個溫度區(qū)別時，發(fā)現(xiàn)850℃、900℃和950℃熱處理后的金屬晶粒長大程度比較接近，由此說明BFe10-1-1銅合金晶粒在加熱長大過程中，當溫度達到其某一臨界點時，其他影響晶粒長大的因素就占主導(dǎo)地位而不再是溫度.

同時從此處的金相對比圖可以看出，BFe10-1-1銅合金的組織晶粒很多都發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，晶粒外形明顯規(guī)則成了類似的等軸狀.晶粒的大約平均直徑由初始加熱保溫狀態(tài)的100m變到了20～40m，約為原來晶粒狀態(tài)的三分之一大小.

2.2 流變應(yīng)力曲線

圖3 相同變形溫度下的真應(yīng)力應(yīng)變曲線比較圖(真應(yīng)變?yōu)?.8)Fig.3 True stress-strain curve under the same deformation temperature (True strain is 0.8)

從圖3中可以看出，在同一變形溫度和同等應(yīng)變程度的條件下，隨著應(yīng)變速率不斷變大，流變應(yīng)力升高顯著，同時這也說明BFe10-1-1銅合金具有正的應(yīng)變速率敏感指數(shù).且在熱壓縮變形初期也就是動態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變前，各變形條件下的曲線有非常明顯的屈服硬化現(xiàn)象.

從圖3與圖4中各種對比曲線的分析可知：①在同一應(yīng)變速率和同等應(yīng)變量的條件下(特別是在應(yīng)變速率為1s-1時)，隨著變形溫度的升高，流變應(yīng)力大小都有比較明顯的降低.②在較高變形溫度(900℃以上)和較高應(yīng)變速率(10s-1)的條件下，BFe10-1-1銅合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)了明顯的波浪形，也就是常說的穩(wěn)態(tài)流變特征，這充分表明此合金在該變形條件發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，動態(tài)再結(jié)晶的軟化程度也隨著應(yīng)變速率的提高而變得更為明顯.

圖4 相同應(yīng)變速率下的真應(yīng)力應(yīng)變曲線圖(真應(yīng)變?yōu)?.8)Fig.4 True stress-strain curve at the same strain rate (True strain is 0.8)

2.3 本構(gòu)方程的構(gòu)建

與金屬的高溫蠕變類似，金屬的熱變形通常也是一個熱激活程[10,14].在大多數(shù)的高溫塑性變形過程當中，如果材料動態(tài)軟化表現(xiàn)得很明顯，即至少能抵消加工硬化的效果，那么就可以認為該材料在此熱加工變形過程時是應(yīng)變不敏感的；這樣在研究很多穩(wěn)態(tài)加工就可以不考慮變形程度(應(yīng)變量)的影響；也正因為這樣，應(yīng)變速率與流變應(yīng)力的關(guān)系可以更加具體地表達為(1)所示的方程[7]

(1)

而應(yīng)力函數(shù)f(σ)通常有三種形式分別如公式(2)中的(a)、(b)和(c)所示[3,4,7].

(2)

式中A1、A2、A、n1、n、β、α均為材料常數(shù).其中(a)為指數(shù)函數(shù)類型，更適用于低應(yīng)力水平也即一般的高溫低應(yīng)變速率條件，此變形過程的主導(dǎo)微觀機制是擴散；(b)為冪法則形式，更適用于高應(yīng)力水平也就是通常的低溫高應(yīng)變速率條件，該過程的變形主要是由位錯滑移控制；Sellars和Tegart等人總結(jié)了前面的(a)、(b)兩式并加以修正，就得到了一個更加普遍適用于熱變形各條件關(guān)系之間的公式(c)，其實就是一種包括變形激活能(Q)和溫度(T)的雙曲正弦修正型的Arrhenius模型[3,11,12,14]，且各項參數(shù)滿足關(guān)系式(3)

(3)

結(jié)合以上分析，根據(jù)所做實驗數(shù)據(jù)與二次分析、處理所得的各項參數(shù)值如表2所示.利用對數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)線性回歸等處理方法可求得各參數(shù)相關(guān)線性直線如圖5所示[3,7,11].變形激活能的求解表達式如(4)所示，最終所求各項參數(shù)值如表3所示，實驗流變應(yīng)力本構(gòu)方程結(jié)果如式(5)所示，轉(zhuǎn)換后的含Z參數(shù)表達式如式6所示[11-14].

(4)

表2 實驗數(shù)據(jù)所求各相關(guān)參數(shù)項的值Table 2 Parameter values of the relevant experimental data

表3 模型最終所求各項參數(shù)值Table 3 Parameter values of the relevant model

(5)

(6)

圖5 各相關(guān)參數(shù)值的回歸分析：(a)峰值應(yīng)力ln(σp/MPa)與應(yīng)變速率的關(guān)系; (b)峰值應(yīng)力(σp/MPa)與應(yīng)變速率的關(guān)系; (c)峰值應(yīng)力ln[sinh(ασ)]與應(yīng)變速率的關(guān)系; (d)峰值應(yīng)力ln[sinh(ασ)]與溫度(1/T)的關(guān)系Fig.5 Regression analysis of the relevant parameters:(a) the relationship between peak(b)the relationship between peak stress σp/MPabetween peak stress ln[sinh(ασ)]and strain ratestress ln[sinh(ασ)]and temperature 1/T

3 結(jié)論

綜合本次熱壓縮實驗研究可總結(jié)如下：①BFe10-1-1銅合金高溫塑性變形時存在穩(wěn)態(tài)流變特征，動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生是其組織演變的主要機理，變形程度、變形溫度以及變形速率都是其重要控制參數(shù).②合金在變形溫度在850℃，應(yīng)變速率在0.1s-1條件以上時均能發(fā)生動態(tài)軟化和再結(jié)晶現(xiàn)象.③由實驗數(shù)據(jù)計算所求的BFe10-1-1銅合金的變形激活能為194.02KJ/mol，且流變應(yīng)力模型為：

[1]劉平,任鳳章,賈淑果.銅合金及其應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[2]王文杰. 高性能先進艦船用合金材料的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J]. 材料導(dǎo)報, 2013, 27(7):98-105.

[3]周佳.Cu-Ni-Fe合金熱變形行為及其空心錠“鐓粗-穿孔”擠壓管材數(shù)值模擬[D].長沙:中南大學(xué),2007.

[4]林高用,周佳,孫利平,等.BFe10-1-1銅合金熱壓縮流變應(yīng)力行為[J].材料科學(xué)與工藝,2009,(3):441-444.

[5]郭莉, 李耀群. 冷凝管生產(chǎn)技術(shù)[M].北京: 冶金工業(yè)出版社, 2007.

[6]胡克邁.Gleeble3500數(shù)控熱機模擬試驗系統(tǒng)[J].物理測試,2006,24(5):34-36.

[7]田偉,李紅斌,鄭明月,等.Gleeble3500熱模擬試驗構(gòu)建本構(gòu)方程的速率及溫度修正研究[J].兵器材料科學(xué)與工程,2014,(1):90-94.

[8]韓德偉,張建新.金相試樣制備與顯示技術(shù)[M].長沙:中南大學(xué)出版社,2005.

[9]Yanagida A,Yanagimoto J.A novel approach to determine the kinetics for dynamic recrystallization by using the flow curve[J].Journal of Materials Processing Technology,2004,151(1):33-38.

[10]劉楚明,劉子娟,朱秀榮,等.鎂及鎂合金動態(tài)再結(jié)晶研究進展[J].中國有色金屬學(xué)報,2006,16(1):1-12.

[11]蔡一鳴,李慧中,梁霄鵬,等.7039鋁合金高溫的熱變形行為[J].中國有色金屬學(xué)報,2008,18(10):1775-1780.

[12]Rokni M R,Zarei-Hanzaki A,Widener C A,et al.The Strain-Compensated Constitutive Equation for High Temperature Flow Behavior of an Al-Zn-Mg-Cu Alloy[J].Journal of Materials Engineering & Performance,2014,23(11):4002-4009.

[13]姚松,劉平,劉新寬,等.C19210銅合金熱變形行為的研究[J].上海有色金屬,2013,34(1):15-19.

[14]張紅鋼,張輝,彭大暑,等.KFC銅合金熱壓縮變形流變應(yīng)力[J].熱加工工藝,2002,11(3):3-5.

Constitutive equation of BFe10-1-1 copper alloy during hot compression

LIU Jianbo,NING Ailin,LIU Shuntong

(Department of Mechanical and Engergy Engineering,Shaoyang University,Shaoyang 422000,China)

Thermodynamic behavior of BFe10-1-1 copper alloy was investigated in isothermal compression experiment using cylindrical specimens on the Gleeble-3500 thermal simulation testing machine,deformation conditions of which go with temperature at 850℃,900℃ and 950℃ and strain rate of 0.01s-1、0.1s-1、1s-1and 10s-1.The results show that flow stress is affected significantly by the conditions of high temperature deformation,deformation temperature and strain rate.Flow stress decreases with the increasing deformation temperature and increases with the increasing deformation rate,and dynamic recrystallization of metal crystal will go obviously when the deformation strain exceeds a critical value.Flow stress constitutive equation of this copper alloy is constructed which contains the Arrhenius formula and Zener-Honllmon parameters.

BFe10-1-1 copper alloy;hot compression;flow stress;constitutive equation

1672-7010(2016)02-0095-07

2016-04-06

邵陽學(xué)院研究生科研創(chuàng)新項目(CX2015SY033)

劉建波(1991-)，男，邵陽學(xué)院2014級碩士研究生，從事金屬材料加工研究

寧愛林(1956-)，男，湖南邵東人，博士，教授，從事金屬材料強韌化研究；E-mail: nal57@163.com

TG319；TG146.1+1

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