7075鋁合金熱變形時(shí)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒度演化模型

楊 棟，陳文琳，王少陽(yáng)，馬 勇，張金鵬，周 瑞，趙亞培，王欣芳

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009；2.成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，成都 610092)

7075鋁合金是一種典型的高強(qiáng)度變形鋁合金，屬于Al-Zn-Mg-Cu合金，具有較高的強(qiáng)度質(zhì)量比，在航空、航天、船舶、兵器工業(yè)中具有不可替代的地位，擁有極其廣泛的應(yīng)用前景。

7075鋁合金屬于高層錯(cuò)能金屬，在熱塑性變形過(guò)程中動(dòng)態(tài)回復(fù)強(qiáng)烈，位錯(cuò)密度難以升高，不易發(fā)生“形核?長(zhǎng)大”機(jī)制的非連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶(Discontinuous dynamic recrystallization, DDRX)。僅在變形溫度、速度較高的情況下，可能出現(xiàn)部分非連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，7075鋁合金熱變形時(shí)主要發(fā)生連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶(Continuous dynamic recrystallization, CDRX)[1?2]。連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是金屬變形時(shí)位錯(cuò)不斷向小角度晶界聚集，從而轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠼嵌染Ы?，形成新的?xì)小晶粒的過(guò)程。金屬晶粒度隨連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行而顯著減小，得到非常細(xì)小的晶粒組織，能夠顯著提高鋁合金材料的力學(xué)性能。因此，鋁及鋁合金的連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的意義，逐漸被研究學(xué)者所關(guān)注[3?5]。

近年來(lái)，金屬變形微觀組織預(yù)測(cè)和控制成為國(guó)際上材料科學(xué)領(lǐng)域的熱門(mén)研究方向，其根本就是對(duì)金屬變形組織演化規(guī)律的研究[6?10]。對(duì)于7075鋁合金熱變形中連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程的顯微組織演化規(guī)律是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[8?12]。李俊鵬等[10]研究溫度對(duì)7075鋁合金熱變形過(guò)程中的顯微組織演化的影響，在此基礎(chǔ)上，徐慶軍等[13]研究溫度和應(yīng)變速率對(duì) 7075鋁合金熱變形過(guò)程中力學(xué)性能及顯微組織的影響，王煜等[14]研究擠壓態(tài) 7075鋁合金高溫流變行為及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本構(gòu)模型。但他們主要是對(duì) 7075鋁合金熱變形微觀組織演化規(guī)律及本構(gòu)模型的研究，對(duì)于7075鋁合金熱變形時(shí)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒度演化模型的建立及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒度預(yù)報(bào)的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本文作者通過(guò)熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn)，對(duì)7075鋁合金在熱鐓粗過(guò)程中不同溫度、不同應(yīng)變速率、不同變形量條件下晶粒的顯微組織方面進(jìn)行研究，得到7075鋁合金熱變形動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒度演化模型。該研究主要通過(guò)兩個(gè)途徑：一是利用熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn)采用線性回歸的方法得到熱變形過(guò)程動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒度的演化模型；二是將該演化模型導(dǎo)入有限元軟件來(lái)預(yù)報(bào)熱變形過(guò)程中各部分晶粒度的演化趨勢(shì)，驗(yàn)證演化模型和有限元模型的正確性。

1 熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為7075鋁合金擠壓棒料，化學(xué)成分如表1所列，制得鐓粗試樣尺寸為d 10 mm×15 mm。為減輕材料的偏析，在460 ℃對(duì)所有試樣進(jìn)行5 h的均勻化處理。均勻化處理后立即淬火，得到的初始組織如圖1所示。可見(jiàn)，晶粒明顯沿?cái)D壓方向伸長(zhǎng)，呈“紡錘形”，垂直于擠壓方向，晶粒呈現(xiàn)等軸狀，用金相定量法測(cè)得其初始晶粒尺寸為40 μm。

對(duì)均勻化處理后的7個(gè)試樣進(jìn)行不同溫度、應(yīng)變速率、變形程度的熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn)，在圓柱試樣兩端的淺槽內(nèi)充填潤(rùn)滑劑，并貼石墨片，以減少摩擦的影響。壓縮溫度分別為260、300、340 ℃，應(yīng)變速率分別為 0.05、0.1、0.5 s?1，真應(yīng)變?yōu)?0.4、1.2、2。壓縮過(guò)程中通過(guò)程序設(shè)定保持恒定應(yīng)變速率，溫度由熱模擬機(jī)的系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，保持基本恒定。試樣通過(guò)電阻直接加熱，加熱速度2 ℃/s，保溫時(shí)間3 min。

實(shí)驗(yàn)后將試樣迅速放入水中淬火以保留高溫組織，沿試樣鐓粗方向?qū)⑵淦是虚_(kāi)來(lái)，采用砂紙打磨?光面布金剛石粗拋?絨面布氧化鋁細(xì)拋?科勒腐蝕劑腐蝕進(jìn)行制樣，得到各試樣中心區(qū)域的金相組織如圖2所示，然后通過(guò)金相定量法對(duì)各試樣金相組織進(jìn)行晶粒度測(cè)量，如表2所列。

表1 7075鋁合金成分Table 1 Component of 7075 aluminium alloy (mass fraction,%)

圖1 7075鋁合金初始金相組織Fig.1 Initial metallographic microstructures of 7075 aluminum alloy∶ (a)Cross section; (b)Longitudinal section

表2 壓縮實(shí)驗(yàn)試樣中心區(qū)域變形參數(shù)表Table 2 Deformation parameters of central region after of sample compression experiments

2 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒度演化模型建立

根據(jù)GOURGET等[1]的研究，鋁合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織的晶粒尺寸隨應(yīng)變、應(yīng)變速率、溫度的變化可用基于唯象理論的指數(shù)模型進(jìn)行描述[15?16]：

式中：dCDRX為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后的平均晶粒度；d0為初始晶粒度；為應(yīng)變速率；ε為塑性應(yīng)變；R為摩爾氣體常數(shù)；T為溫度；a為系數(shù)項(xiàng)；Q為激活能；k、n、m、p為指數(shù)項(xiàng)，由于本實(shí)驗(yàn)只針對(duì)初始晶粒度 d0=40 μm的7075鋁合金，故n=0。

2.1 激活能的確定

鋁合金的熱變形晶粒演化是一種熱激活的過(guò)程，激活能反映了材料熱激活的難易程度。當(dāng)溫度升高，原子的熱振動(dòng)加劇，其遷移能力隨之升高，晶界的移動(dòng)速度也會(huì)提高，組織晶粒度也會(huì)相應(yīng)增大。因此，用于預(yù)報(bào)鋁合金熱變形組織晶粒度的指數(shù)模型中，其預(yù)報(bào)值dCDRX也與此有關(guān)。試樣2、4、5觀測(cè)區(qū)的應(yīng)變速率和應(yīng)變相同，因此，其晶粒度僅僅正比于[exp(Q/RT)]k，即

式中：dCDRX為連續(xù)性動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸；k為常系數(shù)；Q為激活能；T為變形時(shí)的絕對(duì)溫度。對(duì)式(2)兩邊取對(duì)數(shù)，得

對(duì)試樣2、4、5觀測(cè)區(qū)的變形參數(shù)按式(3)處理，可得圖3。根據(jù)兩數(shù)據(jù)點(diǎn)確定的直線，其斜率即為kQ/R，可求得 3.11-=kQ kJ/mol。

7075鋁合金的激活能為 140 kJ/mol[15]，可得k=0.068。

圖3 ln dCDRX—1/T擬合直線Fig.3 ln dCDRX—1/T fitting straight-line

2.2 應(yīng)變速率指數(shù)的確定

同理，當(dāng)變形溫度、應(yīng)變相同時(shí)，變形組織晶粒度正比于應(yīng)變速率的指數(shù)值m，即

對(duì)式(4)兩邊取對(duì)數(shù)，得

將試樣1、2、3觀測(cè)區(qū)的參數(shù)按式(5)進(jìn)行處理，可得圖4。根據(jù)圖4中三數(shù)據(jù)點(diǎn)確定的直線的斜率，可得m=?0.2。此結(jié)果與BUFFA等[17]在7075鋁合金摩擦攪拌焊組織晶粒度演化模型中的研究結(jié)果接近。

圖4 ln dCDRX—合直線Fig.4 ln dCDRX—fitting straight-line

2.3 應(yīng)變指數(shù)的確定

7075鋁合金熱塑性變形組織晶粒度隨應(yīng)變值ε增加而明顯減低，根據(jù)GOURDET研究結(jié)果，在鋁合金塑性變形開(kāi)始后其組織晶粒度隨應(yīng)變急劇降低，并在較大應(yīng)變值時(shí)穩(wěn)定在某一值附近。同樣，使用指數(shù)關(guān)系式可以描述此過(guò)程：

當(dāng)應(yīng)變速率、變形溫度相同時(shí)，對(duì)式(1)兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)可得

同樣，將試樣2、6、7觀測(cè)區(qū)參數(shù)按式(7)處理，對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)采用線性擬合可得圖5。根據(jù)圖中直線斜率，可求得

圖5 ln dCDRX—εln擬合直線Fig.5 ln dCDRX—εln fitting straight-line

將上述k、Q、m、n及各觀測(cè)區(qū)參數(shù)代入式(1)，求得150≈a。綜上所述，可得7075鋁合金熱塑性變形組織晶粒度的演化模型為

3 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒度演化模型驗(yàn)證

采用有限元軟件進(jìn)行模擬，試樣的幾何模型按鐓粗實(shí)驗(yàn)試樣的尺寸建立，為提高計(jì)算效率，采用軸對(duì)稱平面有限元模型。變形溫度、變形量與變形速率與實(shí)驗(yàn)條件一致。試樣初始晶粒尺寸為40 μm，將上述連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸演化模型嵌入有限元軟件，對(duì)熱壓縮過(guò)程組織晶粒尺寸進(jìn)行預(yù)報(bào)，所建立的有限元模型如圖6所示。

圖6 有限元模型Fig.6 Finite element model

采用如圖6所示的有限元模型對(duì)不同條件下(條件按照表2所列的條件)熱壓縮過(guò)程組織晶粒尺寸進(jìn)行預(yù)報(bào)，結(jié)果如圖7所示。試驗(yàn)后試樣中心處金相圖所測(cè)得的晶粒尺寸與有限元軟件預(yù)測(cè)的晶粒尺寸比較如表3所列。

表3 觀測(cè)區(qū)晶粒度實(shí)測(cè)值與預(yù)報(bào)值對(duì)比Table 3 Comparison of measured grain size and predicted grain size in observation area

從表3可以看出，測(cè)得的晶粒尺寸與有限元預(yù)報(bào)結(jié)果非常接近，相對(duì)誤差在5.5%以內(nèi)。說(shuō)明利用建立的 7075鋁合金熱變形時(shí)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒度演化模型能夠?qū)胗邢拊浖袑?shí)現(xiàn)晶粒度預(yù)報(bào)的功能。同時(shí)，該有限元模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè) 7075鋁合金熱塑性變形的組織晶粒度的變化趨勢(shì)，并能在一定誤差范圍內(nèi)給出晶粒尺寸的估計(jì)值，驗(yàn)證該演化模型的正確性。

圖7 不同條件下有限元軟件晶粒度預(yù)報(bào)值Fig.7 Predicted grain size by FEM under different conditions

4 結(jié)論

1)通過(guò)熱模擬壓縮試驗(yàn)、金相分析、數(shù)據(jù)處理，求出用于描述 7075鋁合金熱變形時(shí)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒度演化模型：

2)將該動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒度演化模型導(dǎo)入有限元軟件中能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)測(cè)熱模擬壓縮試驗(yàn)條件下試樣中心區(qū)域的晶粒度的功能。

3)使用該模型預(yù)報(bào)的晶粒尺寸與試驗(yàn)結(jié)果非常接近，誤差最大不超過(guò)5.5%，驗(yàn)證該演化模型的正確性，說(shuō)明該演化模型可以較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)7075鋁合金熱變形時(shí)的組織晶粒度的變化趨勢(shì)，并能在較小誤差范圍內(nèi)給出晶粒尺寸的預(yù)報(bào)值。

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