Al-Cu-Mg-Ag合金的热变形加工图及其分析

曹素芳，潘清林，2，刘晓艳，陆智伦，何运斌，李文斌

(1.中南大学材料科学与工程学院，长沙410083;2.有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，长沙410083)

Al-Cu-Mg-Ag合金的热变形加工图及其分析

曹素芳1，潘清林1，2，刘晓艳1，陆智伦1，何运斌1，李文斌1

(1.中南大学材料科学与工程学院，长沙410083;2.有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，长沙410083)

为确定Al-Cu-Mg-Ag合金的热加工工艺制度提供理论依据以及便捷的途径，基于动态材料模型(DMM)理论和Ziegler失稳判据，采用Al-Cu-Mg-Ag合金的热变形实验数据，建立了热变形加工图，并利用加工图理论分析了该合金在热变形过程中的变形行为.结果表明：Al-Cu-Mg-Ag合金热变形时有2个失稳区域，一是变形温度为300～400℃、应变速率为0.1～10 s-1的区域，二是变形温度为450～500℃、应变速率为1.0～10 s-1的区域;该合金的热变形参数建议在变形温度350～450℃、应变速率0.001 s-1的范围内选取.

Al-Cu-Mg-Ag合金;加工图;热变形;动态材料模型;流变失稳

国防和航空工业的高速发展对耐热铝合金提出了更高要求，国内外学者先后在2014、2219、2519等合金的基础上，通过向合金中添加Ag、RE(稀土)等元素，研制出一种新型的耐热铝合金Al-Cu-Mg-Ag，该合金不仅具有较高的室温强度及耐损伤性能，而且在150～200℃下仍能保持较高强度和良好韧性［1］，因此，铝合金Al-Cu-Mg-Ag能够广泛地满足新一代高速飞行器、推进器等结构部件的要求.研究表明，热变形条件对Al-Cu-Mg-Ag合金的力学性能有显著影响［2-3］.热变形试验可获得不同条件下的流变应力连续数据，它们不仅能用于流变行为研究，而且可用于获得材料的加工图.加工图是变形温度与应变速率空间中的功率耗散图与失稳图的叠印，根据加工图可判别材料变形过程中的流变失稳区，还可根据非失稳区内最大功率耗散系数区与显微组织制定材料的最佳加工工艺制度(变形温度与应变速率)［4］.

本文采用加工图来研究Al-Cu-Mg-Ag合金高温变形特点及其组织变化规律，为确定Al-Cu-Mg-Ag合金的热加工工艺制度提供理论依据.

1 加工图理论基础

材料在加工过程中的力学行为可以采用包含流变应力(σ)、应变(ε)、应变速率(˙ε)和变形温度(t)的本构方程来描述.Prasad提出用动态材料模型(DMM)描述材料的变形行为［5］.根据动态材料学模型，材料的加工过程服从幂律方程

式中K和m均为常数.对于同种材料，不同的加工过程产生的变形量不同，所对应的K和m值也不一样.材料在加工过程中单位体积所吸收的总功率可以分为两部分:

式中:P(≡σ˙ε)为总功率，是2个互补函数的和;G为耗散量;J为耗散协变量.式(2)中2个积分式分别代表G和J.J与G的变化率构成了应变速率敏感指数(m)的定义，即

结合式(1)和式(2)，可以得到

金属材料热变形从热力学的观点看是一个不可逆变化过程(组织变化和热传递)［6］.结合不可逆热力学和大塑性流变连续介质力学［7-8］，可以证明:0＜m≤1.当材料为理想线性耗散时，m= 1，此时J达到最大值Jmax.功率耗散效率参变量η与尺寸无关，定义为η=由式(4)可知

η是一个量纲为1的参数，反映了材料热加工过程中的功率耗散特征，是ε、˙ε和t的函数，随应变速率和温度的变化便形成了功率耗散图.功率耗散图上的等值线表示与材料的微观结构演化相关的相对熵产生率［9］，即η值的变化对应着材料的微观组织的变化，因此，可用来控制材料在热加工后的显微组织.一般来说，高η值对应着最佳的加工性能区［10］.

材料动态模型的连续失稳判据是基于ZIEGLER［11］提出的塑性流变变为不稳定的条件，这一判据是根据不可逆热力学极值原理建立的:

式中D(˙ε)是给定温度条件下的耗散函数，是材料本构变形行为具有的特征.根据动态材料模型，D(˙ε)等于耗散协变量J，结合式(3)，得到Ziegler失稳判据:

把参数ξ(˙ε)作为温度和应变速率的函数作图，在负值区域会出现流变失稳，这样的图被称作为失稳图.

根据加工图可以确定加工的安全区和流变失稳区.安全区在微观机制上与动态再结晶、动态回复和超塑性有关［12］.在材料的安全加工区，η值越大表明材料内在可加工性越好.

2 Al-Cu-Mg-Ag合金加工图及其分析

采用Al-5.3Cu-0.8Mg-0.5Ag-0.3Mn-0.15Zr(质量分数/%)合金为研究对象.压缩试验在Gleeble-1500热模拟机上进行，通过自动控制系统在预设的温度和应变速率下进行恒温、恒应变速率压缩.实验变形速率为0.001、0.01、0.1、1、10 s-1，变形温度为 340、380、420、460、500℃，总压缩量为60%.压缩实验完成后立即对试样进行水淬，以保留合金压缩变形后的变形组织.

对合金的热变形实验数据进行分析，根据合金在同一应变、不同应变速率和变形温度下的流变应力绘制出不同温度下Al-Cu-Mg-Ag合金对数应力ln σ与对数应变速率ln˙ε间的关系(见图1).由图1可见，在温度和应变不变的情况下，ln σ与ln˙ε近似为线性关系，因此，可从采用动态材料模型中的计算方法计算加工图，并且能够准确地确定加工图中的流变失稳区域.

在给定应变和变形温度的条件下，为保证m值的精度，采用多项式拟合lg σ与lg˙ε的函数关系:

式中a1、a2、a3和a4均为常数.再由式(3)可得

将lg˙ε值代入式(9)即可获得相应应变速率敏感指数m的值，再将m值代入式(5)就可以计算出不同变形温度和应变速率下Al-Cu-Mg-Ag合热变形时的能量耗散效率值η.在由t和lg˙ε所构成的平面内绘制出等功率耗散效率η值的轮廓曲线图(见图2)，即功率耗散图.功率耗散图实际代表热加工变形过程中的显微组织变化率，因此又被称作“显微组织轨迹”.加工图中局部区域存在功率耗散效率最大值，代表特殊的显微组织机制或流变失稳机制.功率耗散图中高功率耗散区定义为具有最佳加工性能区，然而由于楔形裂纹破坏机制通常也对应高功率耗散效率，因此分析加工图需要进一步的显微组织佐证［13-14］.

图1 Al－Cu－Mg－Ag合金的对数应力与对数应变关系

将式(9)代入式(7)能够得到参数ξ(˙ε)的表达式:

在由t和lg˙ε构成的平面内绘制出ξ(˙ε)＜0的区域，在该区域内变形会出现流变失稳，如图2所示.图2为Al-Cu-Mg-Ag合金热变形时应变为0.3和0.5的加工图，其中A区域为流变失稳区，B区域为变形安全区.从图2可以发现，应变为0.3和0.5的加工图基本相似，但是变形量大时其流变失稳区域较大，因此，下面主要分析应变0.5时的加工图分布.

图2 Al－Cu－Mg－Ag合金的加工图

从图2(b)可以发现有2个失稳区，一是温度为300～400℃、应变速率为0.1～10 s-1的区域，图3(a)为变形温度340℃、应变速率10 s-1时的SEM照片，可以看出此变形条件下组织发生局部流动，出现了严重的不均匀变形，这主要是因为在变形温度很低、应变速率较高时，变形在很短的时间内完成，大量的塑性功转变成热，在很短的时间内变形热来不及散失，造成局部温度升高，从而产生局部流动［15］;另一个是温度为450～500℃、应变速率为1.0～10 s-1的区域，图3(b)为变形温度500℃、应变速率10 s-1时的SEM照片，此变形条件下，试样出现了裂纹.因此，在这2个区域内的加工条件不适合Al-Cu-Mg-Ag合金进行热加工.

图3 不同变形条件下Al－Cu－Mg－Ag合金的SEM照片

图4 不同变形条件下Al－Cu－Mg－Ag合金的显微组织

图4为应变速率0.001 s-1时不同温度条件下Al-Cu-Mg-Ag合金的显微组织.在低温区(＜350℃)，随着应变速率的增加，功率耗散系数先逐渐增大，在应变速率0.01 s-1、温度300℃时功耗系数达到峰值26%，随后又逐渐减小，可以看出在整个低温区域功率耗散系数都比较低而且显微组织分布也不均匀，因此该区域并非最佳加工性能区.在中温区(350～450℃)，随着应变速率的增加功率耗散系数先逐渐减小，在应变速率0.001 s-1、温度420℃时功耗系数达到峰值34%，其对应的显微组织如图4(a)所示，其晶粒比较细小.在高温区(450～500℃)，最大耗散效率出现在500℃，应变速率为0.001 s-1，最大值达到38%，其对应的显微组织如图4(b)所示，可以看出，在该变形条件下，Al-Cu-Mg-Ag合金发生了动态再结晶，但是其晶粒尺寸明显增大.

从上面的分析可知，Al-Cu-Mg-Ag合金在温度300～500℃、应变速率0.001～10 s-1变形时会出现2个失稳区域.在350℃以上具有很好的塑性.但由于高温区变形时形成的组织粗大，对其力学性能产生影响，而中温区变形的组织细小，因此中温区是该合金的适宜的热变形区，可以进行热锻、热挤压等变形.

3 结论

1)基于动态材料模型和Ziegler失稳判据建立的加工图能够准确直观地反映材料在不同变形条件下的组织演变规律，为材料的热变形工艺提供了更便捷有效的工具.

2)Al-Cu-Mg-Ag合金进行热变形时有2个失稳区域:一是变形温度为300～400℃、应变速率为0.1～10 s-1的区域;二是变形温度为450～500℃、应变速率为1.0～10 s-1的区域.

3)在350℃以上Al-Cu-Mg-Ag合金具有很好的塑性，该合金的热变形参数建议在变形温度350～450℃，应变速率为0.001 s-1的范围内选取.

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The thermal deformation processing maps and their analysis of Al－Cu－Mg－Ag alloy

CAO Su-fang1，PAN Qing-lin1，2，LIU Xiao-yan1，LU Zhi-lun1，HE Yun-bin1，LI Wen-bin1
(1.School of Materials Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083，China;2.The Key Laboratory of Nonferrous Materials Science and Engineering of Ministry of Education，Changsha 410083，China)

To provide theoretical foundation and convenient way for the determination of thermal processing technology of Al-Cu-Mg-Ag alloy，the processing maps of this alloy were obtained from the thermal deformation experiment data，based on the dynamic material model(DMM)and Ziegler instability criterion，and the hot deformation behavior was characterized by the analysis of the processing maps.The results show that there are two unstable regions at 300～400℃ and 0.1～10 s-1and at 450～500℃ and 1.0～10 s-1.The temperature of 350～450℃ and the strain rate of 0.001 s-1are recommended.

Al-Cu-Mg-Ag alloy;processing maps;thermal deformation;dynamic material mode;flow instability

TG146 文献标志码：A 文章编号：1005-0299(2011)02-0126-04

2009-12-08.

曹素芳(1986-)，男，硕士研究生;

潘清林(1964-)，男，教授，博士生导师.

潘清林，E-mail:pql@mail.csu.edu.cn.

(编辑 程利冬)