基于動(dòng)態(tài)熱模擬試驗(yàn)技術(shù)的鋁合金熱變形分析

基于動(dòng)態(tài)熱模擬試驗(yàn)技術(shù)的鋁合金熱變形分析

廣泛應(yīng)用于食品、容器、建筑等領(lǐng)域。它的組織和管理已成為現(xiàn)代鋁生產(chǎn)的主要問題。由于鋁箔的厚度小,隱藏在坯料內(nèi)部的各種冶金缺陷,如夾渣、氣泡、外來雜質(zhì)、粗大第二相粒子、不均勻的毛料組織等,都將隨著產(chǎn)品厚度的減小而逐步暴露出來,對(duì)鋁箔軋制和產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生不良影響,如形成針孔或裂縫,嚴(yán)重時(shí)將使鋁箔斷裂或軋輥損壞,其中氧化夾雜物(Al2O3等)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有重要影響。然而在長(zhǎng)期的研究與生產(chǎn)實(shí)踐中,人們對(duì)先進(jìn)的熱軋?jiān)O(shè)備與控軋技術(shù)在提高鋁板材質(zhì)量上的作用給予了較多關(guān)注,卻往往忽視了鑄錠冶金質(zhì)量對(duì)熱軋產(chǎn)品質(zhì)量的影響,對(duì)二者之間本質(zhì)聯(lián)系的研究報(bào)道很少。在有關(guān)鋁材熱壓縮變形流變應(yīng)力的研究中,也僅是建立相應(yīng)材料流變應(yīng)力與Z參數(shù)的函數(shù)關(guān)系,對(duì)各個(gè)應(yīng)力方程中的熱變形材料特征常數(shù)與材料內(nèi)在質(zhì)量之間的關(guān)系很少進(jìn)行闡述,關(guān)于氧化夾雜物(Al2O3等)與1235合金(鋁箔坯料)的熱變形行為關(guān)系的探討更是鮮見。在前期研究基礎(chǔ)上,本課題通過采用不同的凈化方法獲得不同含雜量的鋁材,用多元回歸法求解經(jīng)不同凈化方法處理的1235鋁合金的熱變形材料常數(shù)(熱變形激活能等)并進(jìn)行比較分析,為該材料的實(shí)際軋制加工提供試驗(yàn)依據(jù)。1試材的制備采用5種不同的熔體凈化方法,分別簡(jiǎn)稱為未處理、常規(guī)熔劑、常規(guī)精煉、精煉過濾、高效凈化(其中未處理指未經(jīng)任何熔體凈化處理;常規(guī)熔劑指采用常規(guī)精煉劑處理鋁液;常規(guī)精煉指采用常規(guī)精煉劑并吹氬除氣處理鋁液;精煉過濾指采用常規(guī)精煉劑、吹氬除氣并用雙級(jí)過濾板過濾處理鋁液;高效凈化指采用自行開發(fā)的2號(hào)高效排雜熔劑凈化并除氣處理鋁液),制備出5種不同含雜量的1235鋁合金(合金的成分為:0.095%的Si、0.38%的Fe、0.002%的Cu、0.002%的Mn、0.0001%的Mg、0.015%的Ti、其余為Al)。澆注成75mm×55mm×20mm的金屬型鑄錠。采用熔劑沖洗法測(cè)定鋁材的含雜量。對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻化退火處理,退火溫度為560℃,保溫13min后空冷。從均勻化處理后的鋁坯料上取樣加工成10mm×12mm的熱壓縮試樣,試樣兩端面加工成小凹糟,以便儲(chǔ)存潤(rùn)滑劑。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試驗(yàn),試樣利用自身電阻進(jìn)行加熱,升溫速率為200K/min,變形前在設(shè)定溫度下保溫3min,試驗(yàn)溫度為300～500℃,應(yīng)變速率為0.01～50.00s-1,總壓縮壓下量為50%(真應(yīng)變?yōu)?.7),并用Geeble-1500的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)直接獲得載荷、位移、真應(yīng)力、真應(yīng)變及溫度等參數(shù)的實(shí)際變化值。熱壓縮結(jié)束時(shí),立即水淬以保留其高溫變形時(shí)的組織狀態(tài)。由于熱壓縮試樣存在“鼓肚”,根據(jù)文獻(xiàn)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證該試驗(yàn)的有效性(膨脹系數(shù)B均大于1.0,試驗(yàn)有效)。分離真應(yīng)力與真應(yīng)變數(shù)據(jù),繪制真應(yīng)力-真應(yīng)變(σ-ε)曲線,利用EXCEL軟件進(jìn)行回歸分析計(jì)算。2熱變形材料常數(shù)的傳統(tǒng)描述金屬材料熱變形過程中的流變應(yīng)力大小取決于變形溫度T、應(yīng)變速率﹒ε、應(yīng)變量ε及變形前的組織特性(如成分、晶粒尺寸和變形歷史等)。由于組織特性的影響規(guī)律復(fù)雜,一般情況下只考慮熱變形條件的影響,故將流變應(yīng)力σ表達(dá)為:式(1)的具體形式隨材料及熱變形方式的不同而變化。Zener與Hollomon通過對(duì)鋼的高速拉伸試驗(yàn)研究,提出用一個(gè)包含T與﹒ε的參數(shù)Z來描述高溫流變應(yīng)力的新方法,即:在一定應(yīng)變量下,式(2)進(jìn)一步表達(dá)為:式中,Q為熱變形激活能,J/mol;R為氣體常數(shù)。在此基礎(chǔ)上,Sellars等人用修正了的包含熱變形激活能Q的Arrhenius方程來描述上述關(guān)系:于是:﹒ε=A[sinh(ασ)]n·exp(-Q/RT)(5)一般求解熱變形材料常數(shù)有作圖法、迭代法、多元回歸法等。傳統(tǒng)的作圖法在求解材料常數(shù)時(shí)較為繁瑣;從數(shù)學(xué)方法上來說,迭代法雖可獲得較精確的熱變形材料常數(shù)值,但需要編寫相應(yīng)的迭代程序以供其運(yùn)算,且該方法必須以作圖法的求解結(jié)果作為基礎(chǔ)。為此本研究采用多元回歸法直接求解熱變形材料常數(shù),簡(jiǎn)化求解過程。即對(duì)式(5)的兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù),可以獲得應(yīng)變速率與變形溫度和流變應(yīng)力的關(guān)系:即:將試驗(yàn)所獲取的穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力值(在每個(gè)變形條件下進(jìn)行熱壓縮變形的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線中各取200個(gè)穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力數(shù)據(jù))與其對(duì)應(yīng)的熱壓縮變形條件(應(yīng)變速率﹒ε、熱變形溫度T),按式(7)進(jìn)行多元線性回歸分析?；貧w后,采用F檢驗(yàn)法進(jìn)行回歸模型的顯著性檢驗(yàn),并在此基礎(chǔ)上,采用t統(tǒng)計(jì)量進(jìn)一步對(duì)回歸參數(shù)D1、D2、D3進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。通過上述檢驗(yàn)后,可獲得熱變形材料常數(shù)A、Q、n、α的求解結(jié)果:3試驗(yàn)結(jié)果3.1不同熔體凈化除雜效果表1為采用不同熔體凈化方法處理的1235鋁合金的含雜量測(cè)試結(jié)果。從表1可以看出,1235鋁合金在未處理?xiàng)l件下含雜量高達(dá)0.4154%,經(jīng)不同熔體凈化處理后,含雜量均有一定程度的降低,其中高效凈化處理后的含雜量為0.0510%,精煉過濾處理的含雜量為0.0828%,即經(jīng)高效凈化處理的1235鋁合金含雜量最低,其除雜率高達(dá)87.7%,比精煉過濾處理的除雜率高出7.5%。3.21不同變形溫度對(duì)流變應(yīng)力的影響圖1為經(jīng)不同凈化處理的1235鋁合金熱壓縮變形的真應(yīng)力-真應(yīng)變(σ-ε)曲線。由圖1可見,經(jīng)不同熔體凈化處理的1235鋁合金真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)一致。在各種熱壓縮變形條件下,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,加工硬化速率隨著壓下量的增大而減小;而在峰值后流變應(yīng)力隨壓下量的增大而降低,表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)軟化特征。軟化速率隨著壓下量的增大先增大后減小,最終趨于零。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,即加工硬化和動(dòng)態(tài)軟化達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡,表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)流變特征。對(duì)于同一凈化處理的1235鋁合金,變形溫度對(duì)流變應(yīng)力有顯著的影響。在同樣的應(yīng)變速率和壓下量條件下,隨著變形溫度的升高,流變應(yīng)力明顯減小。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1235合金是正應(yīng)變速率敏感材料。3.3穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力值與熱變形條件的回歸分析選取圖1中的穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力值,根據(jù)式(7)對(duì)1235鋁合金熱壓縮變形的穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力與對(duì)應(yīng)的應(yīng)變速率和熱變形溫度進(jìn)行多元線性回歸分析,結(jié)果見表2。從表2可見,對(duì)不同凈化處理的鋁箔坯料1235鋁合金,對(duì)式(7)采用穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力值的二元擬合模型所代表的變量(ln﹒ε與1/T、ln[sinh(ασ)])之間的關(guān)系是高度顯著的,即回歸模型通過了顯著性F檢驗(yàn)。而對(duì)于每一個(gè)自變量(1/T或ln[sinh(ασ)])對(duì)應(yīng)變量的影響是否顯著并未判斷,故還需對(duì)各個(gè)回歸參數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(t檢驗(yàn))。表3為穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力與熱變形條件二元回歸方程的回歸參數(shù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果。由表2、表3可見,在穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力與變形條件的二元回歸方程中,熱變形條件之間的線性關(guān)系是高度顯著的,且每一個(gè)自變量對(duì)因變量的影響也是高度顯著的,根據(jù)式(8)可以求得經(jīng)不同熔體凈化處理的鋁箔坯料(1235鋁合金)的熱變形材料常數(shù),結(jié)果見表4。4分析與討論4.1含雜量對(duì)材料常數(shù)的影響由表4可見,熔體凈化方法對(duì)熱變形材料常數(shù),尤其對(duì)熱變形激活能有顯著影響,亦即1235鋁合金中含雜量的高低直接影響到其熱變形激活能等材料常數(shù)。表現(xiàn)為未處理的熱變形激活能Q值最高,達(dá)195.16kJ/mol,精煉過濾的Q值為159.82kJ/mol(降低幅度18.1%),高效凈化處理的Q最低,僅149.51kJ/mol(降低幅度達(dá)23.4%)。4.21含雜量對(duì)合金熱變形激活能的影響由表1和表4可見,經(jīng)不同熔體凈化處理的1235鋁合金的含雜量存在明顯差別,其對(duì)應(yīng)的熱變形激活能也存在明顯差別。圖2為含雜量與熱變形激活能的關(guān)系,可見隨含雜量的增加,合金的熱變形激活能Q值逐漸增大,趨勢(shì)線的斜率為正值,呈一元線性關(guān)系?？蓪?duì)含雜量(H)與1235鋁合金熱變形激活能(Q)的關(guān)系進(jìn)行一元線性回歸分析?；貧w方程的計(jì)算結(jié)果為:其中回歸方程的線性相關(guān)系數(shù)r為0.9814,大于r0.01(3)=0.9587,即含雜量對(duì)熱變形激活能具有顯著的影響,該一元線性回歸方程是高度顯著的。4.3動(dòng)態(tài)軟化性能由表4可見,不同凈化處理對(duì)應(yīng)力水平參數(shù)α和應(yīng)力指數(shù)n也存在一定的影響。高效凈化處理后鋁材的α值最小(0.0300),未處理及其他常規(guī)處理α值均明顯大于高效凈化處理的值,且這4種處理的α值很接近,無明顯區(qū)別。說明鋁材的含雜量減少到一定程度后可使α值明顯減少。此外,高效凈化后鋁材的n值(6.4228)較未處理及精煉過濾的n值小,但比常規(guī)熔劑和常規(guī)精煉處理的n值大些,說明鋁材的含雜量對(duì)n值的影響規(guī)律不明顯。應(yīng)力水平參數(shù)α和應(yīng)力指數(shù)n均可用于表征鋁材在熱變形過程中的動(dòng)態(tài)軟化趨勢(shì),即α值越大或n值越小時(shí),動(dòng)態(tài)軟化效果越明顯。在這5種經(jīng)不同凈化處理的鋁材中,以高效凈化處理的組織性能最為理想,因而在同樣的熱變形條件下仍具有較高的應(yīng)力水平,動(dòng)態(tài)軟化程度有所減弱;未處理或常規(guī)熔劑處理等試樣中的含雜量較高且分布不均,鋁材中的冶金缺陷(如粗大夾雜或縮松、氣孔等)破壞了基體的連續(xù)性,在壓應(yīng)力條件下使材料內(nèi)應(yīng)力增大,產(chǎn)生應(yīng)力集中并萌生了局部裂紋,將從整體上降低材料性能。粗大的夾雜物也可成為再結(jié)晶形核基底,但由于含量較少且分布不均勻,故對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化的實(shí)際促進(jìn)作用不大。因此,未處理或常規(guī)熔劑處理的試樣在熱變形過程中所表現(xiàn)出的較明顯的動(dòng)態(tài)軟化曲線特征及計(jì)算所得的較大α值可部分認(rèn)為是由于冶金缺陷的作用,使材料在達(dá)到峰值應(yīng)變后即可能由于應(yīng)力集中等原因產(chǎn)生微裂紋,從而導(dǎo)致在軟化階段隨溫度的提高、流變應(yīng)力的降低幅度有所增大。4.4熱變形激活能q的作用及性質(zhì)鋁材的熱變形是一個(gè)熱激活過程。位錯(cuò)的交滑移與攀移是形成位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的最重要的熱激活機(jī)制。傳統(tǒng)的熱激活理論認(rèn)為,位錯(cuò)在克服能壘(即障礙物)的過程中要借助于自身的熱激活運(yùn)動(dòng),當(dāng)外力不足以使位錯(cuò)越過能壘時(shí),可借助自身的熱起伏輔助其越過,且外力越大,所需的熱起伏就越小,因此熱激活能就成為外力的函數(shù),并隨外力的增大而減小。但最近一些研究者開展的一系列試驗(yàn)卻與這一理論相矛盾,即激活能并非力的函數(shù),而是溫度的函數(shù),且隨溫度的降低而降低。文獻(xiàn)進(jìn)一步表明,熱變形激活能是一個(gè)取決于T和ε或σ而接近于自擴(kuò)散激活能的量,但該情況僅適用于低應(yīng)變速率且只出現(xiàn)動(dòng)態(tài)回復(fù)的場(chǎng)合。由于熱變形過程中流變應(yīng)力(或外加載荷)的大小可通過調(diào)整T或﹒ε得以實(shí)現(xiàn),結(jié)合對(duì)1235鋁合金的鑄態(tài)組織研究及本試驗(yàn)中的σ-ε曲線特征,可以認(rèn)為,熱變形激活能Q與高溫流變應(yīng)力一樣,是一個(gè)取決于熱變形條件(T、﹒ε、ε)及材料組織結(jié)構(gòu)的物理量。熱變形激活能Q可用于表征材料熱變形的難易程度,一般認(rèn)為,Q值越高,材料越不容易進(jìn)行熱塑性變形。塑性變形的實(shí)質(zhì)是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)與相互作用,鋁材中的各種冶金缺陷會(huì)影響材料熱變形過程中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),也必將影響熱變形激活能的大小。鋁箔坯料1235鋁合金中的氧化夾雜物(Al2O3等)是阻礙變形的主要因素,少數(shù)的(AlFe)和(AlFeSi)第二相也同樣影響材料的變形。根據(jù)Shroh的計(jì)算,位錯(cuò)產(chǎn)生交滑移的激活能為Gb2d/5(G表示剪切模量,b表示柏氏矢量,d表示擴(kuò)展位錯(cuò)寬度),可見擴(kuò)展位錯(cuò)越寬,即層錯(cuò)能越小,就越不容易產(chǎn)生交滑移。由于1235鋁合金中的合金元素Fe、Si和夾雜物對(duì)位錯(cuò)有釘扎作用,可以限制位錯(cuò)的束集,增大擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度,使鋁的層錯(cuò)能降低。因此,含雜量越少,材料的熱變形激活能越低,材料變形所需的能量就越低,就越容易變形。高效凈化處理有效地改善了1235鋁合金的內(nèi)在冶金質(zhì)量,明顯降低該合金的含雜量,故使其高溫塑性變形的激活能明顯降低,有利于熱加工變形。5熱變形激活能(1)熔體凈化處理效果對(duì)1235鋁合金的熱變形材料常數(shù)、尤其是熱變形激活能有顯著的影響。凈化處理的效果越好,含雜量就越低,合金的熱變形激活能Q值也就越低,材料越容易變形。經(jīng)高效凈化處理的1235鋁合金的含雜量最低,其熱變形激活能Q值最低(149.51kJ/mol),更易進(jìn)行熱塑性變形。(2)含雜量(H)與1235鋁合金熱變形激活能(Q)存在著一元線性關(guān)系,其一元線性回歸方程為:Q=114.02H+147.34,該回歸方程是高度顯著的。(3)應(yīng)力水平參數(shù)α和應(yīng)力指數(shù)n值可用于表征鋁材在熱變形過程中的應(yīng)力軟化趨勢(shì),即α越大或n越小時(shí),動(dòng)態(tài)軟化效果越明顯。未處理或常規(guī)熔劑處理的試樣在熱變形過程中所表現(xiàn)出來的較為明顯