AA2195铝锂合金的热变形行为*

邓赞辉，李世清，吴 洋，王 彬，张志清,3，黄光杰

(1. 重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400044；2. 西南铝业(集团)有限责任公司，重庆 401326；3. 重庆西彭产业工业园区，重庆 401326)



AA2195铝锂合金的热变形行为*

邓赞辉1，李世清1，吴 洋1，王 彬2，张志清1,3，黄光杰1

(1. 重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400044；2. 西南铝业(集团)有限责任公司，重庆 401326；3. 重庆西彭产业工业园区，重庆 401326)

通过Gleeble-3500热模拟实验机上进行热压缩实验，研究了变形温度为400～500 ℃，应变速率为0.01～10 s-1时2195铝锂合金的热变形行为。通过金相显微镜研究了热变形中显微组织的演变。研究结果表明，该合金流变应力随变形温度的升高而降低，随应变速率的提高而增大。该合金流变应力可采用Zener-Hollomon参数来描述，在获得流变应力σ解析表达式中A=7.08018×1012s-1、α=β/n1=0.01473、n1=5.42929，其热变形激活能为Q=190.27 kJ/mol。 热加工图表明AA2195铝锂合金适宜加工区为400～430，442～473 ℃，应变速率为0.01～0.2 s-1以及温度范围为477～500 ℃，应变速率为0.01～0.3 s-1的区域。

2195铝锂合金；热变形；本构方程；微观组织；热加工图

0 引 言

铝锂合金是一种新型铝合金材料，其最大特点是密度低、强度高、比刚度高且具有良好的耐热性和抗腐蚀性。实验结果表明：在铝合金中加入1%的锂，可使合金密度降低3%，刚度提高6%，铝锂合金取代常规铝合金可减少结构质量10%～15%，提高刚度15%～20%[1-2]。其作为新一代结构材料，被认为是航空航天工业的理想材料。

从铝锂铜合金的相图可知，在2XXX铝合金中加入Li最终会形成T1相，T1相能强化2XXX合金的部分性能，比如强度、抗腐蚀性能与抗疲劳性能。但加入Li后合金的各向异性增大，目前导致各向异性的根本原因还不清楚，但很多研究表明其各向异性与织构有所联系[3-5]。目前2195铝锂合金在航空领域具有很大的应用前景而被广泛的研究。

关于2195铝锂合金的热压缩变形流变应力与变形温度、应变速率的关系近来受到研究者们的关注[6]，但是变形过程中显微组织的演变规律其与加工图关系研究尚未见公开报导。本文通过热压缩实验获得了2195铝合金的真应力-应变曲线来研究其高温流变应力行为，建立了能够准确描述该合金流变本构模型，研究了其在不同条件下微观组织结构特点并绘制了加工图，为2195合金在高温下的塑性成形工艺提供理论依据。

1 实 验

实验所用材料2195铝锂合金由西南铝提供。2195铝锂合金的名义成分如表1所示。

表1 2195铝合金化学成分(质量分数/%)

铸锭采用双极均匀化热处理工艺，均匀化工艺参数为440 ℃×16 h+490 ℃×20 h。线切割尺寸为Ø10 mm×H15 mm的试样。经均匀化后，微观组织均匀，形成了等轴晶粒，图1为均匀化后的金相组织。本文实验温度为400，420，440，460，480和500 ℃。应变速率为0.01，0.1，1和10 s-1，利用自身电阻进行加热，加热速度为5 ℃/s，变形前保温3 min。压缩过程中在试样两端凹槽内和压头上涂抹润滑剂，减小压头和试样之间接触摩擦力的影响。压缩变形后水淬，从压缩样中部切开，变形过程中计算机自动采集载荷、位移、温度等实验数据。

2 结果与分析

2.1 流变应力

2195铝锂合金的真应力-真应变曲线如图2所示。由图2可知， 2195铝锂合金的真应力在变形初始阶段随变形程度的增加而升高，并迅速达到某一峰值，随后随着应变量的增大，真应力不再发生明显变化，呈现稳态流变的特征。应变速率为0.01 s-1与应变速率为0.1 s-1的合金温度在400，420和440 ℃时出现较明显的峰值，其余基本表现为达到峰值后应力保持稳态或略微下降后再保持稳态。高温热变形是加工硬化与动态软化的过程，热变形初期，随压缩的进行，位错密度急剧增加，表现为加工硬化强于动态软化，因此流变应力迅速增加。随着热变形的进行，动态软化程度增加，与加工硬化过程相互抵消甚至超过加工硬化，从而应力变化不明显或略微有所下降，图3为应力峰值的变化曲线。从图3可以看出，随变形温度的升高，峰值应力逐渐下降。

图1 2195铝锂合金均匀化后的金相组织

Fig 1 The initial ingot microstructure of 2195 alloy

图2 2195铝锂合金的相同应变速率不同温度下的真应力-真应变曲线

图3 2195铝锂合金的应力峰值曲线

Fig 3 The variation curves of 2195 alloy peak flow stress

2.2 本构方程

材料在高温塑性变形过程中的流变应力常用式(1)表达[7]

(1)

(2)

在此基础上，材料科学家利用热模拟技术建立了一系列金属高温塑性变形流变应力的数学关系模型，典型的有Sah模型[8]、Zuzin-Browman模型[9]以及含有Z参数的函数模型等。本文将采用Z参数模型对2195铝锂合金的流变应力行为进行研究。

流变应力与应变速率的关系用如下指数函数式[10-11]：

低应力水平时

(3)

高应力水平时

(4)

整个应力范围

(5)

在上述的基础上，Zener-Hollomon等在对钢的流变应力研究时，提出了温度补偿应变速率因子，即Zener-Hollomon参数。因此，式(5)可用材料的温度补偿应变速率因子Z参数来表示[12]如下

(6)

对式(6)进行变形可得

(7)

根据双曲正弦函数的定义，以及对上述式(7)变形可得

(8)

只要求出含有Z参数函数模型中的常数A、Q、α和n等，即可以根据公式对流变应力的大小进行计算，从而确定材料加工过程的必要参数，对后续的材料加工设备选取和加工参数制定提供一定的理论指导。

通过分析，就以Zener-Hollomon参数模型来建立2195铝锂合金高温塑性变形的本构方程。

由Z参数模型可知，2195铝锂合金的峰值应力可以采用指数关系、幂指数关系以及双曲正弦函数关系来表示[13-14]。表2为2195铝锂合金在不同变形条件下的峰值应力。

在低应力水平下，式3.5可近似的转化为如下幂指数指数形式

(9)

在高应力水平下，式(5)可以转变为如下指数形式

(10)

对式(9)和(10)两边同时取对数可得：

在低应力水平下

(11)

在高应力水平下

(12)

对所有应力水平有

(13)

将两种压缩方式下的各个变形条件下的峰值应力及相应的应变速率值代入上面三式，通过Origin导入数据绘制图形，根据最小二乘法原理分别进行一元线性回归处理，从而得到流变应力和应变速率之间的3个线性关系曲线图，如图4所示，这3个图形就是金属热加工过程中流变应力与应变速率的关系图。

表2 2195铝锂合金在不同变形条件下的峰值

Table 2 The peak stress of 2195 alloy at different conditions

ε·/s-1T/℃ 0.010.1110σp/MPaσp/MPaσp/MPaσp/MPa400668811514742051709313744040608612846032527511648028456510250025396190

图4 2195铝合金等温热压缩过程中的应变速率与峰值应力之间的关系曲线

Z=7.08×1012[sinh(0.01474σ)]4.4935

图5 2195铝合金等温热压缩过程中的峰值应力与变形温度之间的关系曲线

Fig 5 Relationship between temperature and peak stress in the isothermal deformation of 2195 alloy

通过上述实验，获得的2195铝锂合金圆柱样的变形激活能为190.27 kJ/mol，高于纯铝的自扩散激活能(165 kJ/mol)，与韩冬峰等[6]报道的2195铝锂合金的变形激活能(250.45 kJ/mol)相比偏低。可能原因有以下几个方面：(1) 本文所用升温速率为5 ℃/s，而文献所用升温速率为1 ℃/s。升温速率较高，材料在加热过程中合金元素扩散时间较短，扩散没那么充分，而合金元素与位错的交互作用使得位错运动的阻力增大，因此本实验材料流变应力降低；(2) 变形工艺参数。本实验所用变形温度的最低温度为400 ℃，而文献所用最低温度为360 ℃。由上述计算可以看出变形温度越高，材料变形所需的激活能越小，因此使得本文所获得的激活能值较低。

图6 2195铝锂合金lnZ-ln[sinh(ασ)]lnZ-ln[sinh(ασ)]的lnZ-ln[sinh(ασ)]关系曲线

Fig 6 Relationship between lnZ-ln[sinh(ασ)]lnZ-ln[sinh(ασ)]of 2195 alloy

2.3 显微组织

在热变形过程中，铝合金内部同时发生加工硬化和动态软化两个过程，材料的高温变形行为是其微观变形机制及变形过程中组织结构演变的宏观反映。图7为2195铝锂合金应变速率为0.01 s-1，变形温度为400，420，440，460，480和500 ℃时试样的光学显微组织。

图7 应变速率在0.01 s-1时2195铝锂合金等温热压缩后不同变形温度微观组织

图7(a)、(b)所示，在0.01 s-1的应变速率，变形温度分别为400和420 ℃的晶粒均保持拉长纤带状形态，晶粒宽度减小，认为2195铝合金在这此条件下仅发生了回复。当变形温度升高到440与460 ℃时，部分晶界呈锯齿状，并伴随着微小的等轴再结晶晶粒(图7(c)、(d)画圈区域内)，表明2195铝锂合金在在此状态下开始发生动态再结晶。当变形温度升高到480与500 ℃时，动态再结晶特征更加明显，再结晶晶粒增大，数量明显增多[12]。图8为不同应变速率下480 ℃时2195铝锂合金的显微组织演变，可见压缩样在0.01，0.1和1 s-1应变速率下变形时，晶界出现了等轴状的动态再结晶小晶粒(如图8(b)画圈区域内)，说明2195铝锂合金圆柱样在480 ℃时低应变速率下发生了动态再结晶，高应变速率(10 s-1)下无动态再结晶现象，与Z参数对比，随着应变速率的降低，动态再结晶晶粒数目以及尺寸都逐渐增大。

图8 变形温度在480 ℃时2195铝合金等温热压缩后不同应变速率的微观组织

2.4 热加工图

加工图为金属材料加工工艺设计的一种必要手段，用来评价材料加工性能优劣。图9为2195铝锂合金分别在0.3，0.5，0.7下的加工图。

图9 真应变分别为0.3时的功率耗散图、失稳图、加工图及0.5与0.7时的加工图

Fig 9 The power dissipation, instability and processing map at strain of 0.3, processing map at stain of 0.5 and 0.7 of 2195 alloy

通过加工图可以分析材料不同变形条件下的变形特点，并获得 “安全加工”以及“非安全加工”的区域，优化工艺参数，避免缺陷的产生。加工图的建立过程中，应变速率敏感因子m、功率耗散系数η以及失稳系数ξ是加工图建立所需的重要参数，通过η与应变速率与变形温度关系做出功率耗散图，通过ξ与应变速率与变形温度关系做出失稳图。而功率耗散因子和失稳判据都是由应变速率敏感因子m决定的，因此建立热加工图中关键参数为应变速率敏感因子m[16-19]。

从图9可以看出，加工图随着真应变的增加，安全加工区域逐渐减少，流变失稳区逐渐增大，但是基本不存在流变失稳区转变为安全加工区的现象，因此我们可以把真应变为0.7的加工图作为整体热加工图。从图可以看出试样的安全加工区域为应变速率在0.01～0.2 s-1之间，温度在400～430 ℃之间的倾斜河流条状区域与442～473 ℃之间椭圆区域；以及应变速率在0.01～0.3 s-1之间，温度在477～500 ℃之间类三角形的区域。

2195铝锂合金圆柱体单向压缩的整体加工图中的安全区域和流变失稳取的微观组织如图10所示。图10(a)、(c)为拉长的纤维状组织，晶粒表面粗糙，有细小空洞等现象，属于失稳态特征组织，且样品的功率耗散系数都低于27%。图10(b)、(d)中安全区域内的微观组织具有明显的动态再结晶特征。虽然图10(b)、(d)显示的样品的微观组织也呈拉长的变形晶粒，但是同时沿拉长晶粒晶界处明显出现了微小的动态再结晶小晶粒，且样品的功率耗散系数为均大于31%。整体来看，安全区域的功率耗散系数都比流变失稳区的耗散系数大。这是因为功率耗散系数的大小反映显微组织改变所用功率与输入总功率的比值，其值越大，说明显微组织越容易改变，当达到一定值时，就会发生动态再结晶。

图10 不同变形条件下流变失稳和安全区域中的微观组织照片

3 结 论

(1) 2195铝锂合金真应力-应变曲线表明，流变应力随变形温度的降低、应变速率的增加而提高，在达到峰值应力后，材料由加工硬化阶段进入稳态变形阶段，高温软化机制有动态回复与动态再结晶。

(2) 采用Zener-Hollomon参数的双曲正弦函数来描述2195铝合金高温流变应力，A=7.08018×1012s-1、α=0.01473、n1=5.42929，Q=190.27 kJ/mol。

(3) 2195铝锂合金在热变形过程中的金相分析表明，在420 ℃以下呈现动态回复特征，在440 ℃以上以动态再结晶为主要特征；应变速率低于1 s-1时才有明显的动态再结晶现象，且应变速率越低，温度越高，动态再结晶越明显。

(4) 2195铝锂合金安全加工区域为应变速率在0.01～0.2 s-1之间，温度在400～430 ℃之间的倾斜河流条状区域与442～473 ℃之间椭圆区域；以及应变速率在0.01～0.3 s-1之间，温度在477～500 ℃之间类三角形的区域。

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Hot deformation behavior of AA2195 alloy during isothermal compression at elevated temperature

DENG Zanhui1，LI Shiqing1，WU Yang1，WANG Bin2，ZHANG Zhiqing1，HUANG Guangjie1

(1. College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China；2. Southwest Aluminum (Group) Co., Ltd,Chongqing 401326, China；3. Chongqing Xipeng Aluminum Industrial Park, Chongqing 401326,China)

The hot deformation behavior of 2195 aluminium-lithium alloy during hot compression deformation was studied with the temperature range from 400 to 500 ℃, and the strain rate range from 0. 001 to 10 s-1by isothermal compression test at Gleeble-3500 thermal mechanical simulator. The microstructure evolution of samples were characterized using the optical microscopy (OM). Processing maps at various strain for 2195 alloy were developed using dynamic materials model (DMM) theory. The results show that the flow stress affected by temperature and strain rate, it decreases with increasing temperature, increases with increasing strain rate. The flow stress of 2195 alloy during high temperature deformation can be expressed by a Zener-Hollomon parameter. The values ofA, a andn1in the analytical expressions of flow stress (σ) are fitted to be 7.08018×1012s1, 0.01473 and 5.42929. The hot deformation activation energy of 2195 alloy during hot deformation is 190.27 kJ/mol. The optimum hog-working condition for AA2195 aluminum alloy is determined to be in the temperature range of 400-430 ℃, 442-475 ℃ under strain rates of 0.01-0.2 s-1and 477-500 ℃ under strain rates of 0.01-0.3 s-1.

AA2195 aluminum-lithium alloy; heat deformation; constitutive equations; microstructure; processing map

1001-9731(2016)11-11061-07

国家高技术研究和发展计划(863计划)资助项目(2013AA032401)

2015-09-13

2016-04-08 通讯作者：张志清，E-mail: zqzhang@cqu.edu.cn

邓赞辉 (1989-)，男，湖南邵阳人，在读硕士，师承张志清副教授，从事铝合金研究。

TG146.21

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.11.012