1、第18卷第4期 塑性工程学报 V0118 No42011年8月 JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERING Aug2011doi：103969jissn100720122011040063003铝合金热变形行为*(1福州大学材料科学与工程学院，福州350002) 陈贵清12 傅高升12 颜文煅12(2福建交通职业技术学院机械工程系，福州350007) 陈鸿玲1 程超增2 邹泽昌2摘要：采用不同熔体处理工艺获得3种不同冶金质量的3003铝合金，通过Gleeble一1500热模拟试验机对3003铝合金进行变形温度为300500，应变速率为001s_1lOs-1高温等温压缩实
2、验。结果表明，3003铝合金具有正的应变速率敏感性，热变形激活能Q与含杂量H星线性关系，经高效综合处理的3003铝合金热变形激活能最低为17462kJmol，有利于材料热塑性变形。采用加工硬化率计算不同熔体处理的3003铝合金的临界应变值，获得了经不同熔体处理的3003铝合金发生动态再结晶的临界条件。关键词：3003铝合金；熔体处理；热变形激活能；动态再结晶；临界应变中图分类号：TGl462十1 文献标识码：A 文章编号：1007-2012(2011)04-0028-06Research on hot deformation behavior of 3003 Al alloyCHEN Gui-
3、qin912 FU Gao-shen912 YAN Wen-duanl2 CHEN Hong-lin91 CHENG Chao-zenge ZOU Ze-chan92(1College of Materials Science and Engineering，Fuzhou University，Fuzhou 350002 China)(2Department of Mechanical Engineering，Fujian Communications Technology College。Fuzhou 350007 China)Abstract：3003 AI alloys with dif
4、ferent metallurgical quality were obtained by different melt-treatment methods，which were de-formed by isothermal compression in the range of deformation temperature 300500at strain rate 0Ols一110Os一1 withGleeble一1500 thermal simulatorThe results show that the material is sensitive to positive strain
5、 rate。the linear relationship be-tween the hot deformation activation energy Q and inclusion content H is Q=3562H+17158，and the activation energy of 3003A1 alloy prepared by high melt-treatment is the loweSt 17462kJmol一1 which is beneficial to the hot plastic deformation of mate-rialThe critical str
6、ain of 3003 A1 alloy prepared by different melt-treatment methods were calculated with WOrk hardening rate，and the critieal conditions to predict the dynamic recrystallization occurrence for the 3003 A1 alloys prepared by different melt-treatment methods were obtainedKey words：3003 Al alloy；melt-tre
7、atment；hot deformation activation energy；dynamic recrystallization；critical strain引 言3003铝合金属于AIMn系合金，具有良好的机械加工性能、抗蚀性能、散热性能以及密度小、强度高等特点，在容器箔、热交换器、飞机油箱、运输液体产品的槽罐、压力罐、化工设备等领域得*福建省自然科学基金资助项目(E0610004)；福建省教育厅A类科技资助项目(JA08249)。傅高升E-mail：fugaoshengfzueducn作者简介：陈贵清，男，1979年生，福建尤溪人，博士研究生，主要从事有色金属强韧化及合金热塑性变形研
8、究收稿I=1期：20110413；修订日期：201107-06到广泛应用1。3。采用铸轧+冷轧法生产3003铝合金板带箔，材料的动态再结晶(DRX)在热加工过程中起到了很重要的作用，因为动态再结晶通过细化晶粒而改善材料的加工性能E4-s。而动态再结晶发生的临界值是研究动态再结晶特征的重要指标。文献7对3003铝合金热变形流变应力特征进行了研究；文献8对经不同熔体处理的3003铝合金热变形流变应力行为进行了研究，而有关3003铝合金的不同冶金因素对材料热变形激活能和动态再结晶发生的临界值的影响鲜见报道。因此本文通过不同的熔体处理技术获得3种不同冶金因素的3003铝合金，采用热模拟实验方法，探讨铝
9、材的冶金因素与热变形激活能之间的关系，建立合金动态再结晶开始时的临界应变值f与Zener-Hollomon参数的定量关系，万方数据第4期 陈贵清等：3003铝合金热变形行为为研究3003铝合金热变形本构关系和热变形工艺提供理论依据。1材料及实验方法3003铝合金化学成分(质量分数，)为：058 Si，062 Fe，0068Cu，109Mn，003Mg，0006 Ti，0008 Zn，0007 Ni，余量Al。其制备工艺流程为，采用容量为60kg的F97116型石墨坩埚电阻炉进行熔炼。第1种工艺把材料重熔后直接浇铸，简称未处理(WTC)；第2种工艺按照一般工厂现有的铝熔炼操作流程进行，简称为常规
10、综合处理(NTC)；第3种工艺采用实验室自行研制的工艺进行，简称为高效综合处理(HTC)口。用金属型浇铸出110mmX 20mm70mm铸锭，采用熔剂冲洗法测定铝材的含杂量1，将铸锭进行温度510，保温20h均匀化退火。加工出尺寸为IJ0mm15mm、两端带有深02mm凹槽的试样。在Gleeble一1500热模拟机上进行恒应变速率等温热压缩实验，压缩过程中在圆柱试样两端的槽内填充润滑剂(70石墨+20机油+5硝酸三甲苯脂)，以减小摩擦对应力状态的影响。加热速度为1s，保温时间5min，总压缩应变量为07(真应变)。变形条件分别为，应变；一01s_。、温度T一300，350，400，450，50
11、0和温度T：400、应变e=001s，01s，ls，10s一，变形过程全部由计算机控制并自动采集有关数据。2结果与分析21不同熔体处理的30略铝合金夹杂物和晶粒组织表1为不同熔体处理的3003铝合金的晶粒尺寸和熔体净化效果，其铸态金相组织如图1所示。表1不同熔体处理的3003铝合金含杂和晶粒尺寸Tab1 Inclusion content and grain sie of 3003 AI a110y工艺 未处理 常规综合处理 高效综合处理含杂量 06801 03616 00967除杂率 47 86平均晶粒尺寸舯 131 92 78由表1和图1可以看出，未熔体处理的3003铝合金含杂量最大，晶粒
12、组织粗大，且大小分布不均；经不同熔体处理后，含杂量均有一定程度的降低；尤其经高效熔体处理后除杂率达到86，比常规图1不同熔体处理的3003铝合金铸态显微组织a)未处理；b)常规综台处理；c)高效综合处理Fig l Casting microstructttre of 3003 Al alloyin different conditions综合处理的除杂率高出39，晶粒平均尺寸降为78pm，表明高效综合处理工艺能够有效地提高3003铝合金的内部冶金质量，可以为后续的热塑性变形提供有利的条件。22真应力一真应变曲线试样在变形温度为400不同应变速率条件下的真应力一真应变曲线和在应变速率为01 s-
13、1不同变形温度条件下的真应力一真应变曲线如图2所示。由图2可见，经不同熔体处理的3003铝合金在同一变形温度条件下，流变应力随变形速率的增加而增加，说明合金在该实验条件下具有正的应变速率敏感性；在同一变形速率条件下，流变应力随变形温度的升高而降低。在变形温度100s_1的条件下，流变曲线出现锯齿状波动，具有不连续动态再结晶特征；在其万方数据30 塑性工程学报 第18卷萋蓑餐重杂氆悻矗山至、R目排重最毯憾重杂餐一皇杂留碱图2不同熔体处理的3003铝合金热压缩变形真应力一真应变曲线a)，b)未处理；c)，d)常规综合处理；e)，f)高效综合处理Fig2 Representative flow cu
14、rves of 3003 Al alloy in different conditions余条件下，当流变应力达到峰值后，流变曲线随着应变的增加而减小，具有动态再结晶软化特征；在相同热变形条件下，未处理的3003铝合金变形抗力最大，经高效综合处理的最低，且在不同变形条件下，流变应力的变化较为均匀。23经不同熔体处理的3003铝合金热变形激活能有关研究表明，对于许多铝合金可以采用双曲正弦模型描述其流变应力与变形温度和应变速率的关系-10-14，本文在研究稳态流变应力时也选用双曲正弦模型。假设稳态流变应力满足双曲正弦模型：吾=Asinh(aa)-”exp(一QRT) (1)式中A常数盯流变应力。【
15、=9fm，z应力指数Q变形激活能R气体常数在低应力条件下，式(1)可简化为幂指数关系：吾一A1矿eXp(一Q胛)，Otor12(3)Zener-Hollomon参数综合了材料热变形参数条件，Z参数表达式为：Zkexp(QRT) (4)将式(4)带入式(1)得ZAsinh(aa)“ (5)对式(1)两边取对数可以得到：万方数据第4期 陈贵清等：3003铝合金热变形行为 31lnZ=lnA一nlnsinh(aa)对式(1)两边取偏微分可得：(6) 24临界动态再结晶条件的比较，、 n广a ln(sinh(aa)1广a ln(sinh(aa)1q一“I 3(1T) I,l 3 In(k) It(7)
16、根据式(1)式(7)进行线性回归得到不同条件下的平均变形激活能为，未处理时Q=1954714mol，常规综合处理时Q=1852114mol，高效综合处理时Q=1746214tool，均大于纯铝的自扩散激活能(16514mol_1)，表明3003铝合金在变形过程中发生了动态再结晶，在上述条件下的变形主要由位错运动引起，所得结果与真应力一应变曲线形状反映的结果吻合。不同熔体处理的3003铝合金热变形激活能与含杂量之间的关系如图3所示。可以看出，激活能与含杂量呈正的线性关系。热变形激活能Q可用于表征材料热变形的难易程度，一般认为Q值越高，材料越不容易进行热塑性变形。塑性变形的实质是位错的运动与相互作
17、用，铝材中的各种冶金缺陷会影响材料热变形过程中位错的运动，也必将影响热变形激活能的大小1 5】。根据Shroh的计算L坶17，位错产生交滑移的激活能为Gb2d5(G表示剪切模量，b表示柏氏矢量，d表示扩展位错宽度)，可见扩展位错越宽，即层错能越小，就越不容易产生交滑移。3003铝合金中的氧化夹杂物(A1。02等)是阻碍变形的主要因素。未熔体处理的3003铝合金夹杂物含量最大，晶粒组织粗大且大小分布不均，对位错产生钉扎作用，限制热变形过程中位错的束集，增大扩展位错的宽度，使铝的层错能降低(见表1)。因而未熔体处理的3003铝合金热变形激活能最高，而经高效熔体综合处理的3003铝合金内部冶金质量得
18、到了显著改善，变形激活能降低，有利于热加工变形。图3不同熔体处理的3003铝合金含杂量与热变形激活能的关系Fig3 The relationship between inclusioncontent and activation energy动态再结晶临界应变e。可以通过观察合金变形后微观组织的金相确定。但该方法需要取出变形程度在临界应变附近的大量试样，观察其金相组织的变化，这显然不够切合实际。文献4提出了基于热力学不可逆原理的动力学临界条件，认为临界条件与(一别击)一盯曲线上的最小值(口为应变硬化速率)以及乒盯(或lnO-)曲线上的拐点相对应。以此确定的门槛应变值即为临界应变，对应的应力为临
19、界应力吼4120。材料动态再结晶的特征可以从加工硬化率和流变应力的关系分析。当应变速率与变形温度一定时，应力随应变的变化率称之为加工硬化率口21，曰=(出de)。r。应变硬化速率与流变应力(O-a)曲线可以更好地揭示变形过程中材料微观组织的变化，而且能够更准确地确定流变曲线的特征值22-23。当a(一00oa)oa一0时，所对应的流变应力是动态再结晶临界应力瓯19，可以直接从(dOda)一da曲线中得到盯。图4为试验用3003铝合金在变形温度为4000C，应变速率为01s_1时的(dOda)一da曲线，由(dOda)一出曲线的最低点确定不同温度和应变速率下的动态再结晶的临界应力d。，该值在真应
20、力一真应变曲线上所对应的应变，即为临界应变c。由图4可以获得不同条件下的临界应变值，如表2所示。从表2可以看出，在相同熔体处理工艺条件下，临界应变随着应变速率的增加和变形温度的降低而增加，这是因为动态再结晶过程与时间有关，提高应变速率，即相应地缩短了变形时间，从而使坦性变形时位错运动和位错攀移的发生和发展进行的不充分，从而影响到动态再结晶的形核数量和晶粒长大速度，不利于动态再结晶的软化作用，使得动态再结晶软化和应变硬化达到平衡的临界应变量增大。另一方面，温度升高，促进了位错的交滑移、攀移和亚晶的形成、合并，动态再结晶就越容易发生，从而使动态再结晶的临界应变量减小z4-263。在相同热变形条件下
21、，经不同熔体处理的3003铝合金发生动态再结晶临界应变均随着Z参数的增大而增大，未处理的临界应变值最大，高效综合处理的临界应变值最小，常规综合处理的临界应变值次之。由于动态再结晶是一个热激活的过程，经高效综合处理的3003铝合金热变形激活能最低，当发生局部变形时，就会有较多的滑移系得以启动，从而使金属吸收较多的变形能，达到发生动态再结晶所需的驱动力；同时，所形成的高密度位错区，万方数据32 塑性工程学报 第18卷流变应力MPaa流变应力MPaC流变应力MPae流变应力MPab流变应力MPad流变应力MPaf图4不同变形条件下的应变硬化速率与流变应力的关系曲线a)，b)未处理I c)，d)常规综
22、合处理；e)，f)高效综合处理Fig4 The relationship between strain hardening rate and the flow stress in different conditions使得合金动态再结晶形核率增大，材料的动态再结晶临界应变降低，最终导致动态再结晶的发生。表2 3003铝合金在不同熔体处理工艺条件下的临界应变值。福建交通职业技术学院机械工程系,福州 350007)， 陈鸿玲,CHEN Hong-ling(福州大学材料科学与工程学院,福州,350002)， 程超增,邹泽昌,CHENG Chao-zeng,ZOU Ze-chang(福建交通职业技术
23、学院机械工程系,福州,350007)刊名： 塑性工程学报英文刊名： Journal of Plasticity Engineering年，卷(期)： 2011,18(4)被引用次数： 9次参考文献(26条)1.霍庆利,何树民,张晶,勾国军,杨兴玲 3003-O铝合金深冲带材退火制度的研究期刊论文-轻合金加工技术 2007(10)2.杨余良,张安乐,张芳 铸轧3003板坯深加工时晶粒组织的控制期刊论文-铝加工 2008(4)3.J Lacaze;S Tierce;M C Lafont Study of the microstructure resulting from brazed alumin
24、ium materials used in heatexchangers 20054.E.I.POLIAK;J.J.JONAS A ONE-PARAMETER APPROACH TO DETERMINING THE CRITICAL CONDITIONS FOR THE INITIATION OFDYNAMIC RECRYSTALLIZATION外文期刊 1996(1)5.Stewart GR;Jonas JJ;Montheillet F Kinetics and critical conditions for the initiation of dynamicrecrystallizatio
25、n in 304 stainless steel外文期刊 2004(9)6.赵欣,张奎,李兴刚,李永军,何庆彪,孙建锋 Mg-Y-Nd-Gd-Zr合金动态再结晶实验研究期刊论文-稀有金属 2008(5)7.吴文祥,孙德勤,张辉,曹春艳,王战锋 3003铝合金热变形流变应力特征期刊论文-热加工工艺 2007(6)8.程超增,傅高升,陈鸿玲,林叶云,颜文煅,陈贵清 熔体处理对3003铝合金高温流变应力行为的影响期刊论文-机电技术 2009(z3)9.傅高升,陈文哲,钱匡武 高效铝熔体综合处理技术及其效果期刊论文-中国有色金属学报 2002(2)10.傅高升 罐用铝材的冶金质量与变形行为研究学位论文
26、 200011.J.R. Cho;W.B. Bae;W.J. Hwang A study on the hot-deformation behavior and dynamic recrystallization of Al-5 wt.percent Mg alloy外文期刊 2001(1/3)12.E Cerri;S S pigarelli;S E Evangelista Hot deformation and processing maps of a particulate-reinforced 6061+20 A12 03 composite 2002(1-2)13.F Bardi;M
27、Cabibbo;E Evangelista An analysis of hot deformation of an AI-Cu-Mg alloy produced by powdermetallurgy 2003(1-2)14.郭强,严红革,陈振华,张辉 铸态AZ80镁合金高温热变形行为研究期刊论文-塑性工程学报 2006(5)15.傅高升,颜文煅,陈鸿玲,陈贵清,马斌 净化方法对1235铝合金热变形材料常数的影响期刊论文-特种铸造及有色合金 2009(7)16.J J Jonas;C M Sellars;W J Mcg Strength and structure under hot wo
28、rking conditions 1969(14)17.汪大年 金属塑性成型理论 198418.黄光杰,钱宝华,汪凌云,J.J.Jonas AZ31镁合金初始动态再结晶的临界条件研究期刊论文-稀有金属材料与工程 2007(12)19.S.-I. Kim;Y.-C. Yoo Prediction of dynamic recrystallisation behaviour of AISI type 4140 medium carbon steel外文期刊 2002(2)20.A. MANONUKUL;F. P. E. DUNNE INITIATION OF DYNAMIC RECRYSTALLI
29、ZATION UNDER INHOMOGENEOUS STRESS STATES IN PURECOPPER外文期刊 1999(17)21.黄光胜,汪凌云,黄光杰,卢志文,宋美娟 AZ31镁合金高温本构方程期刊论文-金属成形工艺 2004(2)22.张康,张奎,李兴刚,李永军,张凯,马鸣龙 AZ80镁合金热变形行为研究期刊论文-特种铸造及有色合金 2009(5)23.曹金荣,刘正东,程世长,杨钢,谢建新 应变速率和变形温度对T122耐热钢流变应力和临界动态再结晶行为的影响期刊论文-金属学报 2007(1)24.M M Myshlyaev;H J Mcqueen;A Mwembela Twinn
30、ing,dynamic recovery and recrystallization in hot worked Mg-Al-Znalloy 200225.A Mwembela;E B Konopleva;H J Mcqueen Microstructural development in Mg alloy AZ31 during hotworking 199726.王少楠,唐国翌,傅万堂,吕知清,官磊 铸态AZ61镁合金热压缩变形组织变化期刊论文-材料热处理学报 2009(5)引证文献(4条)1.傅高升,陈贵清 3003铝合金热变形机制及其加工图期刊论文-材料热处理学报 2013(02)2.
31、陶莎,王延辉,闫志勇 3003铝合金连续挤压管材的微观组织对其力学性能的影响期刊论文-轻金属 2013(01)3.刘文义,黄光杰,张志清,林林,刘庆 AA7085铝合金动态再结晶临界条件研究期刊论文-功能材料 2013(22)4.李冬勤,徐磊,黄兴民,戴光泽 7A04铝合金动态再结晶的临界应变研究期刊论文-材料工程 2013(04)引用本文格式：陈贵清.傅高升.颜文煅.陈鸿玲.程超增.邹泽昌.CHEN Gui-qing.FU Gao-sheng.YAN Wen-duan.CHEN Hong-ling.CHENG Chao-zeng.ZOU Ze-chang 3003铝合金热变形行为期刊论文-塑性工程学报 2011(4)
