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1、热加工工艺2010年第39卷第06期材料热处理技术Material & Heat Treatment下半月出版Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金是以航空航天用材为背景研制并发展起来的一类铝合金材料,长期以来被广泛用于各种飞机机身、机翼梁、机舱壁板和火箭高强度结构件的制造，是世界各国航空航天工业中不可缺少的重要材料1。7055铝合金是Alcoa公司近年来开发出的一种高性能Al-Zn-Mg-Cu系铝合金， 通过T77处理(实质是回归再时效处理，RetrogressionandRe-aging，RRA)， 克服其在峰值时效状态抗应力腐蚀性能低的缺点， 并在Boeing777客机上获得应用2。 由于7
2、055合金中Zn、Mg、Cu等合金元素含量高，导致该合金成分偏析严重，铸坯难溶，共晶相多，易于形成热裂；粗大的结晶相颗粒成为应力集中和裂纹萌生之处，对铝合金的断裂韧性、疲劳性能和应力腐蚀开裂均有显著影响， 其热加工性能有待进一步改善3。 本文主要针对7055铝合金进行高温塑性变形的热模拟研究， 分析合金在不同变形条件下的热变形行为和显微组织变化情况，为这类材料的轧制、 挤压等热加工工艺的制定提供理论与实验依据。1实验材料与方法实验用合金是国内某铝加工企业提供的半连续工业铸锭，铸锭化学成分(质量分数，%)为：7.87Zn，2.16Mg，2.05Cu，0.12Zr，0.06Fe，0.04Si，0.
3、02Ti，1.2)时，稳态流变应力和应变速率之间的关系接近公式(3)。 而且常数、和n之间满足=/n。Zener和Hollomon的相关研究表明，材料在高温塑性变形时应变速率受热激活过程控制， 应力与应变速率的关系可用Zener-Hollomon参数表示5-6：1601208040真应力/MPa(a)觶=0.01s-1(b)觶=0.1s-1(c)觶=1s-100.20.40.60.8 00.20.40.60.8 00.20.40.60.8(d)1.41.51.61.71.8峰值应力 稳态流变应300350 400450300350400450300350400450图1热压缩变形合金真应力-真
4、应变曲线(a)、(b)、(c)及峰值应力、稳态流变应力与温度的关系(d) Fig.1 True stress-strain curves (a),(b),(c) of 7055 aluminum alloy at different strain rates and relation between peak stress, steady-state flow stress and temperature (d)真应变真应变真应变K-1/103K-10.1s-110-2s-11.0s-150热加工工艺2010年第39卷第06期材料热处理技术Material & Heat Treatment下半
5、月出版Z=觶exp(H RT)(5)一般认为， 在热加工的条件下激活焓H与变形激活能Q近似相等5，7-9，依据公式(4)及上式可得：Z=Asinh()n(6)lnZ=lnA+nlnsinh()(7)对公式(7)进行求解，即可得到同样可以用来描述合金稳态变形流变应力的Zener-Hollomon参数表达的本构方程：=(1/)ln(Z/A)1/n+(Z/A)2/n+11/2(8)对(4)式两边取自然对数，可以得到：ln觶=lnA+-Q RT+nlnsinh()(9)对上式求偏微分可得下式：Q=R坠ln觶 坠lnsinh()TTT坠lnsinh() 坠1/TTT 觶(10)将不同变形条件下的稳态流变
6、应力、 应变速率，绘制出ln觶-ln、ln觶-关系图可求得=/n1=0.01413。代入(9)式绘制ln觶-ln sinh()曲线，如图2(a)所示。 由图2可得n=4.900445。在相同应变速率的条件下，由(9)式可得稳态流变应力随温度的变化满足如下关系：lnsinh()=1/n(ln觶-lnA)+Q/nR T(11)将不同变形条件下的稳态流变应力代入(11)式，绘制相应的lnsinh()-1000/T关系图， 如图2(b)所示。可以看出，流变应力和温度T较好地符合(11)式的线性关系。 从而验证了7055铝合金高温塑性变形时流变应力与变形温度T之间满足Arrhenius关系，即可用包含A
7、rrhenius项的Z参数来描述，这也表明7055合金的热压缩变形是受热激活反应控制的。依据公式(7)求得不同变形条件下的Z值并绘制lnZ与lnsinh()关系曲线如图3所示，进行线性回归可求得结构因子A=5.78109。 由图3可发现，lnZ与在实验条件范围内线性相关性很高，这进一步表明7055铝合金高温塑性变形时流变应力、应变速率和温度之间可以用(4)式进行表征。 最后求得7055铝合金的 全 部 材 料 常 数 ： 变 形 激 活 能Q=137.6023kJ/mol；应力指数n=4.900445；应力水平参数=0.01413；结构因子A=5.78109。将材料常数Q、n、A代入公式(4)
8、、(8)即得7055铝合金高温变形的本构方程：=24.2131ln(Z/5.78109)1/4.900445+(Z/5.78109)2/4.900445+11/2其中Z=觶exp(137602.8/RT)(12)式(12)可用于计算材料实际热加工中稳态流变应力的大小，并可用于负荷计算、设备选型和其他具体加工工艺参数的选择和控制等， 对指导实际生产具有重要意义。2.3高温塑性变形过程中显微组织演变在变形过程中，7055铝合金的典型组织变化如图4所示(变形条件为温度400，应变速率1s-1)。 刚开始变形时合金的晶粒呈现为铸造后经均匀化退火的形貌，晶粒比较粗大，如图4(b)所示。 随变形的增加，合
9、金的晶粒开始沿变形方向被拉长。合金中未溶28242016-1.0-0.50.00.51.01.5 lnsinh()lnZ图3流变应力与Z参数的关系 Fig.3 Relation between flow stress and Z parameter=0.01413mm2N-1H=137.6023 kJmol-1T=300T=350T=400T=45010-1-2-3-4-5-6-1.2-0.8 -0.40.00.40.81.20.62.0 lnsinh()ln觶图2应变速率与流变应力、流变应力与变形温度的关系Fig.2 Relation between lnsinh() and ln觶, ln
10、 sinh() and 1000/T觶=10-2s-1觶=0.1s-1觶=1.0s-11.20.80.40.0-0.4-0.8-1.21.31.41.51.61.71.8 1/T/103K-1lnsinh()(b)=0.01413mm2N-1(a)=0.01413mm2N-151Hot Working Technology2010, Vol.39,No.06材料热处理技术Material & Heat Treatment2010年3月200m200m200m200m(a)铸态(b)=0.1(c)=0.5(d)=0.7图4热压缩过程Al-7.9Zn-2.2Mg-2.1Cu-0.12Zr合金典型显
11、微组织 Fig.4Microstructure of the alloy during hot compression at 400for strain rate of 1s-1的粗大第二相被破碎，显微组织形貌显现为明显的变形流线，如图4(c)所示 。 随着变形程度增加，原来粗大的晶粒被进一步拉长， 而在晶粒之间局部变形量大的区域， 在未再结晶的变形大晶粒的晶界夹角处及晶内出现少量的非常细小的再结晶等轴晶粒，如图4(d)所示，此时显微组织呈现出变形的大晶粒和动态再结晶的小晶粒共存的现象。3讨论结合图1中真应力-真应变关系曲线， 随温度和应变速率变化，7055铝合金的流变应力发生显著的变化。 应
12、变速率是影响合金热变形流变应力的一个重要因素。 从图1(a)、(b)、(c)均可看出，在同一变形温度下,材料的真应力水平随应变速率的增大而增大，表明材料是正应变速率敏感材料5。 这主要是因为应变速率越大,合金高温塑性变形时单位应变的变形时间缩短，位错产生及运动的数目增加，而与此同时由动态回复(苛刻条件下极少量的局部再结晶)产生的动态软化时间缩短，塑性变形进行得不充分，从而提高了合金变形的临界切应力， 导致流变应力增大。 变形温度也是影响流变应力的一个重要因素。 由图1(a)、(b)、(c)亦可看到，在同一应变速率条件下，真应力水平随温度的升高而降低。 因为随温度升高，合金热激活的作用增强，导致
13、原子间的临界切应力减弱，此外由主要包括位错的交滑移和与自扩散有关的攀移的动态回复过程及少量动态再结晶引起的软化程度也随温度的升高而增大，致使合金的应力水平降低。合金在变形过程中表现出明显的阶段性， 主要是由于7055铝合金的高温塑性变形流变行为与变形合金内位错的产生、 运动及位错组态密切相关。变形初期主要的软化机制是交滑移， 需要较高的能量来启动位错， 而由交滑移引起的软化不足以克服位错密度增加带来的硬化， 导致流变应力随变形量的增加迅速上升。 在流变应力达到峰值后合金将进入稳态变形阶段,流变应力基本保持不变，其变形的物理实质是加工硬化和动态回复软化之间形成的动态平衡。 此时，位错增殖和由于位
14、错间相互作用而引起的位错相互销毁与重组之间达到平衡， 合金变形组织中的亚晶平均大小、 亚晶间平均取向差以及平衡位错密度均保持基本不变，合金中发生“重复多边形化”，表现出强烈的动态回复行为4，8。7055铝合金在实验条件范围内以动态回复机制为主并伴随有极少量的动态再结晶晶粒出现。 这与该合金并不算高的变形激活能密切相关。 由图5来看，7055铝合金高温塑性变形激活能与多晶纯铝的自扩散激活能即其他大多数铝合金的变形激活能基本相当4。 由于7055铝合金中合金元素含量很高，除初始固溶强化效果外，还与基体金属及其他溶质原子结合形成各种弥散强化相，如(MgZn2)、S(Al2CuMg)、T(Al2Zn3
15、Mg2)等9-10。这些第二相粒子会在金属塑性变形过程中阻碍位错运动， 从而使位错发生交滑移和攀移所需的能量提高， 由此提高合金动态回复的激活能。 特别是7055铝合金中加入Zr后形成的Al3Zr粒子，严重阻碍位错和晶界的运动，将大大提高该合金的软化激活能。 同时在均热后的1601501401301201105506006507007501.0s-110-2s-10.1s-1T/KQ/(kJmol-1)图5不同应变速率下变形激活能与温度的关系 Fig.5 Apparent activation energy of the alloy as function of temperature at
16、different strain rates52热加工工艺2010年第39卷第06期材料热处理技术Material & Heat Treatment下半月出版(上接第48页)斜率后， 可以计算出Zr47.5Cu44.5Al8样品的晶化激活能(Ex)以及晶化峰值激活能(Ep)。由于拟合的曲线在Y轴上的截距在数值上应等于E/R，而R为常数，所以截距越大，晶化激活能E也越大。 从图6可看出，a(Al)=8%的非晶合金样品的晶化激活能明显大于其它样品的晶化激活能，进而也说明a(Al)=8%样品的热稳定性最高。3结论(1)由甩带法制备的样品经检测全部为非晶态。(2)由DSC分析可知，当a(Al)=8%时，样品非晶化程度最高，并且其晶化激活能最大，稳定性最强。参考文献:1赵晓芬，
