铸态Zn—Al合金高温拉伸变形行为.pdf

第 1 7卷 第 5 期 2 0 1 0年 1 0月 塑性工程学报 J OURNAI OF P LAS TI CI TY E NGI NEERI NG Vo I ． 1 7 No ． 5 Oc t ． 2 0 1 0 铸态 Z n Al 合金高温拉伸变形行为 ‘ 北 京有 色 金属 研究总 院， 北 京 1 0 0 0 8 8 鸟 小萍 贺 j 金 J J - 宇 捷 许晓庆 查绳富 郭胜利 摘要在 S I N TE C H2 0 ／ G拉伸试验机 上对 Z n - Al l 0 一 C u 2锌合金进行等温拉伸实验 ，研究该合金在变形温度为 2 1 0 C3 O O C、应变速率为 o ． 0 0 1 s ～O ． 1 s 条件下的变形行为和拉伸力学性能。结果表明，峰值应力随温度升高 而降低，随应变速率的提高而增大。通过线性同归分析，得出流变应力 解析表达式，其 中A、n和 值分别为 6 ． 6 3 1 0 S 唧 。 、0 ． 0 1 0 8 MP a 和 4 ． 8 1 ，其热变形激活能 Q一1 5 0 ． 1 2 7 k J ／ mo l 。该合金在温度为 3 0 0 C、应变速率为 0 ． 0 0 1 s 时，出现超塑性趋势 。 关键词 铸态锌合金；峰值应力 ；拉伸 ；力学性能 中图分类号 TB 3 3 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 7 2 0 1 2 2 0 1 0 0 5 0 1 1 8 ～ 0 5 Re s e a r c h o f t e n s i l e d e f o r ma t i o n b e ha v i o r o f c a s t Zn Al a l l o y XU Xi a o q i n g I J De - f u GUO S h e n g l i W U Xi a o p i n g HE J i n - y u HU J i e G e n e r a l R e s e a r c h I n s t i t u t e f o r N o n f e r r o u s Me t a l s ，B e ij i n g 1 0 0 8 8 C h i n a Ab s t r a c t Th e t e n s i l e d e f o r ma t i o n b e h a v i o r a n d p r o p e r t i e s o f Z n - Al l 0 一 Cu 2 a l l o y we r e s t u d i e d b y i s o t h e r ma l t e n s i l e e x p e r i me n t a t 2 1 0 ℃ ～ 3 O 0 ℃ a n d s t r a i n r a t e 0 ． 0 0 1 S 一 ～ 0 ． 1 S wi t h s i mu l a t e d ma c h i n e ．Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e p e a k s t r e s s i n c r e a s e s wi t h s t r a i n r a t e i n c r e a s i n g a n d d e c r e a s e s wi t h d e f o r ma t i o n t e mp e r a t u r e i n c r e a s i n g ．Th e v a l u e s o f A， a n d n i n t h e a n a l y t i c a l e x p r e s s i o n s o f f l o w s t r e s s a r e f i t t e d t o b e 6 ． 6 31 0 。 S 一 、0 ． 0 1 0 8 MPa a n d 4 ． 8 1 b y l i n e a r r e g r e s s i o n a n a l y s i s a n d o p t i mi z a t i o n c a l e u l a t i o n ．Th e h o t d e f o r ma t i o n a c t i v a t i o n e n e r g y o f Z n - 1 0 A1 一 C u a l l o y s d u r i n g h o t d e f o r ma t i o n i s 1 5 0 ． 1 2 7 k J ／ mo 1 ．Th e s u p e r p l a s t i c i t y t r e n d o f t h e a l l o y i s o c c u r r e d a t 3 0 0 C a n d s t r a i n r a t e 0 ． 0 0 1 s ～． Ke y wo r d s c a s t Z n - Al l 0 一 Cu 2 a l l o y ；p e a k s t r e s s ；t e n s i l e ；me c h a n i c a l p r o p e r t i e s 引 言 随着现代新兴工业 的不断出现，对材料的种类、 性能等要求越来越高 ，研制出新材料 已成为当前 国 内、国际竞争的首选 。铜资源的严重短缺是制约我 国国民经济发展 的一个重要问题 ，迫切需求开发 出 铜合金的替代材料以保障国家资源安全 j 。我国锌 资源储量相对丰富 ，所 以国内不少企业正在积极地 开发可以替代黄铜的锌合金 。有关学者对 Z A2 7及 锌铝基富锌合金进行了系列的研究[ 2一 ，但是 目前还 *十一五国家科技支撑计划资助项 目 2 0 0 9 B AE 7 1 B 0 3 。 许晓庆E - ma i l x u x i a o q i n g l 0 0 1 1 6 3 ． c o rn 作者简介许晓庆，女，1 9 8 8年生，辽宁人，硕士研究 生 ，从事难变形金属成形工艺研究 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 1 3 鲜见对 Z n - Al l 0 一 C u 2合金的力学性能进行研究 的报 道 。本文对铸态 Z n Al l 0 一 C u 2锌合金的塑性变形行 为及其拉伸力学性能进行 了初步 的研究，以期为合 理制定锌合金 的工艺参数提供理论指导。 1 实验方法 实 验采用 的材料 为宁波 博威集 团提供 的铸态 Z n - Al l 0 Cu 2锌合金 ，将 铸锭加工 成直径 为 6 mm， 标距为 3 0 mm 的试 样。将 加工完成 的试样 在 S I N T E C H2 0 ／ G拉伸试验机上进行等温拉伸实验 ，升温 速度为 3 oc ／ s ，拉伸温度范围为 2 1 0 ℃～3 0 0 ℃，应 变速率范 围为 0 ． 0 0 1 s ～0 ． 1 s 圳 。 。拉伸实验 的真应 力一 应变曲线，是在假定试样变形时其体积不变的前 提下从载荷一 位移曲线上计算而得。试样发生断裂后 迅速冷却到室温。 第 5 期 许 晓庆 等 铸态 Z n - Al 合金高温拉伸变形行为 1 1 9 2 实验结果及讨论 2 ． 1 本构方程的建立 图 1为根据试验机 自动采集 的载荷一 位移 曲线 ， 得到的锌合金在不 同温度下 的真应力一 真应变 曲线 。 由图 1 可知，锌合金 的流变应力对 变形 温度和应变 速率都很敏感 ，真应力一 真应变曲线的形状与变形温 度和应变速率有关E 。在同样 的应变速率 下，随变 形温度的升高 ，软化率增加 ，合金的流变应力降低 ； 在同样 的变形温度下 ，合金 的流变应力 随应变速率 的增加而升高。 本文在 Ar r h e n i u s 本 构方程模 型 的基础上[ 5 。 ] ， 综合考虑各待定系数与等效应力之间的关 系，建立 Q，A，1 “l 和O g 与等效应力 的函数关系式 ，计算所用 的数据为真应力一 应变数值 。 低应力水平 e Al o 1 e x p 一 Q ／ R T 1 高应力水平 ￡一 A2 e x p e x p ～ Q／ RT 2 对所有应力值 eA[ s i n h a 1 o e x p 一Q ／ R T 3 式中 应变速率／ s Q变形激活, ／ J ／ mo l ，与材料有关 流变应力／ MP a 扎 应力指数 丁绝对温度／ K R气体常数 ，R 8 ． 3 1 4 J ／ too l K A与材料有关 的常数 其 中卢 一a 对式 1 取对数 l n ￡ i n A1 l l n a Q ／ R T 4 对式 4 求偏导 aI n 一 1 aI n 5 对式 5 进行整理 a l n ⋯ 1 一 为求出 ／ 7 ． 值 ，做峰值应力在低应力水平 即温 度为 2 4 0 ℃， 2 7 0 ℃ ， 3 0 0 ℃ 时的 l n 一 i n 关系 图，如 图 2 所示。 由图 2中的曲线可以看 出，不 同温度时的 l n 一 l n a曲线的斜率接近 ，即 值基本不 随温度变化 。 通 过一 元 线 性 回归分 析 ，并 取其 平 均 值 得 一 5 ． 7 5 4 ，其线性相关度均在 0 ． 9 9以上 。 图 1 锌合金不同温度、不同应变速率下的 真应力一 应变曲线 a 2 1 0 ℃ ；b 2 4 0 ℃ ；c 2 7 0 ℃ ；d 3 0 0 ℃ Fi g ． 1 Tr u e s t r e s s s t r a i n c u r v e s o f z i n c a l l o y a t e a c h t e mp e r a t u r e a n d s t r a i n r a t e 对式 2 取对数 l n 一 l n A。 一 Q／ R T 7 1 2 O 塑性工程学报 第 1 7卷 d 图 2 锌合金 l n l n a关系曲线 Fi g ． 2 Re l a t i o n s h i p b e t we e n l ne l nc r o f z i n c a l l o y 对式 7 求偏导 a l n 一a 8 对式 8 进行整理 9 做不 同温度条件下 的 l n s 一 关系图，此时为高 应 力 水 平 时 的 应 力 ，即 温 度 为 2 1 0 ℃ 、2 4 0 ℃ 、 2 7 0 ℃时的峰值应力进行计算 ，如图 3所示 。 图 3 锌合金 l n s 一 关系曲线 Fi g ． 3 Re l a t i o n s h i p b e t we e n l n ～ 口 o f z i n c a l l o y 由图 3中的曲线 可看 出，不 同温度 时的 i n 一 曲线斜率接近 ，即 值不随温度变化 ，由于 值 与 温度无关 ，因此 值也与温度无关。通过一元线性 回归分析，取平均值得到 一0 ． 0 6 2 3 ，且其线性 相 关度均在 0 ． 9 9以上 。 由 、卢 值可求出a 一 ／ n 一0 ． 0 1 0 8 对式 3 取对数 I n } 一 l n An l n E s i n h a a ]一Q／ RT 1 O 即 一 O l ne 1 1 为求 值 ，做 l n E s i n h a a 一 l n 关系图，如图 4 所示 。 通过对图 4数据进行一元线性 回归求得平均值 ， ’ 盘 图 4 锌合金 l n E s i n h a a ] 一 I n k 关系曲线 F i g ． 4 Re l a t i o n s h i p b e t w e e n l n E s i n h a a ] 一 I n } o f z i n c a l l o y 即 一4 ． 8 1 ，其线性相关度均在 0 ． 9 9以上。 对式 1 0 求偏导 d l n E s i n h a a ] 一- - d i ／ T 1 2 对式 1 2 进行整理 Q R 1 3 做不同应变速率下 的 l n E s i n h a a ] 一 1 0 0 0 ／ T的 关系图，如图 5 所示。 1 ． 7 O 1 ． 7 5 1 ． 8 0 1 ． 8 5 1 ． 9 0 1 ． 9 5 2．00 2．O5 2 ． 1 O 1 0 0 0 ／ T ／ K- 1 图 5 锌合金 l n s i n h a a ] 一 1 0 0 0 ／ T关系曲线 F i g ． 5 R e l a t i o n s h i p b e t we e n l n [ s i n h a a ] 一 1 0 0 0 ／ T o f z i n c a l l o y 由图 5可 以看 出， 不 同应 变 速率 下 的 I n[ s i n h 嬲 ] 一 1 ／ T曲线斜率接近。通过一元线性 回归分析， 求出Q一1 5 0 ． 1 2 7 k J ／ m o l ， 进而求得 A6 ． 6 3 1 0 S ～。 金属合金热加工变形时，应变速率受热激活能 控制。热变形条件通常采用温度补偿 的变形速率 因 子 Z e n e r - Ho l l o mo n参数 Z描述[ 。 Z e x p Q／ R T 1 4 式 1 4 包含了热加工过程中的应变速率和变形 温度两个控制变量 ，结合式 3 ，可以得到由双曲正 弦函数表示的 Z参数的定义式为 Z 一 e x p Q／ RT AI s i n h a a l 1 5 将式 1 5 两边取对数 l n Z l n An l n [ s i n h a a ] 1 6 第 5期 许晓庆 等 铸态 Z n - A1 合金高温拉伸变形行为 1 2 1 绘 制 l n Z - i n [ s i n h 盯 ]的关 系 曲线 ，如 图 6 所示 。 图 6 锌合金 l n Z l n [ s i n h a a ] 关系曲线 F i g ． 6 R e l a t i o n s h i p b e t we e n l n Z - l n [ s i n h a a ]o f z i n c a l l o y 由图 6中可以看出，l n Z同 l n [ s i n h a ] 呈线性 关系，其相关系数为 0 ． 9 9 ，说 明采用变形温度和应 变速率能够定量地描述流变峰值应力。 综上所述 ，可得到铸态 Z n - Al l 0 一 C u 2锌合金 的 本构方程为 一 6 ． 6 31 0 1 2 [ s i n h O ． 0 1 0 8 a ] e x p 一 1 5 0 ． 1 2 71 0 。 ／ RT 1 7 2 ． 2 拉伸的力学性能 图 7为经过高温拉伸断裂后的拉伸试样 ，由图 7可知 ，拉伸断 口表现为 3个状态特征 ，即断 口附 近有明显的宏观塑性变形 ，即颈缩 ；断 口外貌或呈 杯锥状断 口，或呈纯剪切状断 口；断 口表面呈纤维 状 ，颜色灰暗。具备上述 3个特征 ，可初步断定为 韧性断口。 图 7 锌合金拉伸 断裂形态 F i g ． 7 F r a c t u r e mo r p h o l o g i e s o f z i n c a l l o y 变形温度和应变速率都在一定程度上影 响着铸 态 Z n Al l 0 一 C u 2锌合金的最大延伸率 ，如图 8所示。 由图 8可知 ，在同一应变速率下 ，锌合金 的最 大延伸率基本随着温度 的升高而增加 ，这是 由于高 温流变软化 以及位错行为所致 。但是在变形温度为 2 7 0 ℃ 时，却 出 现 了 “ 奇 点 ” ， 即 应 变 速 率 为 0 ． 0 0 1 s 和 0 ． 0 1 s 时，其延伸率突然下降。这 由于 Z n Al 合金在 2 7 5 ℃时发生相变 ，很可能是形变诱发 图 8 不同温度和应变速率下锌合金的延伸率曲线 F i g ． 8 El o n g a t i o n v a l u e s f o r z i n c a l l o y a t d i f f e r e n t t e mp e r a t u r e s a n d s t r a i n r a t e 了相变，因此导致了延伸率突然下降现象的出现。 在同一温度下，随着应变速率的增加 ，延伸率 基本呈降低 的趋势，这是 由于拉伸速度越快 ，塑性 变形进行得越不充分 ，没有足够 的时问发生软化； 同时也 因为变形速度越快，铸态合金 的变形不协调 性加剧 ，导致过早地产生裂纹 ，以致断裂 。但在温 度为 2 7 0 ℃时，延伸率却随应变速率的增大而增大。 这可能是形变诱发相变，速度越慢相变进行 的越充 分 ；也可能是变形速度快 ，发生 了一定 的热效应 ， 位错塞积出现重攀移等原因l 1 。 实验在变形温度 3 0 0 ℃ ，应变速率 0 ． 0 0 1 s 时 得到的延伸率最大 ，为 8 1 ． 2 7 。虽然没有出现超 塑性 ，但是却表现出了一定 的超塑性趋势 ，这说明 此铸态锌合 金 ，在本文实 验条件下进行热加工 时， 变形抗力低 ，成形性好 。 3 结论 1 在不同变形温度和应变速率条件下，对铸态 Z n Al l 0 一 C u 2 锌合金进行等温拉伸实验 ，研究其变 形温度和应变速率对流变应力 的影响 ，发现峰值应 力随变形温度的升高而降低 ，随应 变速率的增加而 增加 。 2 利用 Ar r h e n i u s 模型 ，得到 了 Z n - Al l 0 一 C u 2 锌合金 的本构关系模型 一 6 ． 6 31 0 [ s i n h O ． 0 1 0 8 0 ] e x p 一 1 5 0 ． 1 2 7 1 0 。 ／ R 丁 3 在变形温度为 3 0 0 ℃、应变速率为 0 ． 0 0 1 s 实验条件下，Z n - A l l 0 一 C u 2锌合金的最大延伸率达 到 8 1 ． 2 7 ，虽然没有发生超塑性行为，但却表明， 在此条件下的铸态 Z n - Al l 0 一 C u 2锌合金具有较好 的 可加工成形性 。 1 2 2 塑性工程学报 第 1 7卷 [1 ] [2 ] [ 3] [4 ] [5 ] [6 ] 参考文献 孙连超 ， 田荣璋．锌及锌合金物理冶金学[ M] ．长沙 中南 工业 大学 出版社 ， 1 9 9 4 朱跃峰， 曾大本， 黄慧松， 吴德海．Z A2 7合金的高温拉 伸性能L J ] ．金属学报， 1 9 9 7 ． 3 3 5 5 0 0 5 0 2 Y H Z h u， S To， W B Le e ， e t a 1 ． Ul t r a - p r e c i s i o n r a s t e r mi l l i n g - i n d u c e d p h a s e d e c o mp o s i t i o n a n d p l a s t i c d e f o r ma t i o n a t t h e s u r f a c e o f a Z n - A l b a s e d a l l o y [ J ] ． S c r i p t a Ma t e r i a l i a ， 2 0 1 0 ． 6 2 1 0 1 1 0 4 哈宽富． 金属力学性质的微观理论E M] ． 北京 科学出 版社 ， 1 9 9 1 2 4 5 2 4 7 Z e n e r C， Ho l l o mo n J H． Ef f e c t o f s t r a i n r a t e u p o n t h e p l a s t i c f l o w o f s t e e l [ J ] ．J ．Ap p 1 ．P h y s ． ， 1 9 4 4 ． 1 5 1 2 2 3 2 J o n a s J J ， S e l l a r s C M ， Me G Te g a r t W J ． S t r e n g t h a n d [ 7] [ 8] [ 9] [ 1 0 ] [ 1 1 ] s t r u c t u r e u n d e r h o t - wo r k i n g c o n d i t i o n s [ J ] ．Me t a 1 ． Re v．， 1 96 9 ．1 4 1 - 2 4 S e l l a r s C M， Mc G Te g a r t W J ． Ho t w o r k a b i l i t y [ J ] ． I n t ． M e t ．Re v ． ， 1 9 7 2 ． 1 7 1 2 4 S e l l a r s C M ，Mc G Te g a r t W J ．Re l a t i o n b e t we e n s t r e n g t h a n d s t r u c t u r e i n h o t d e f o r ma t i o n [ J ] ．J o u r n a l o f Ma t e r i a l S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g ． 1 9 6 6 ． 6 3 7 3 1 74 6 Z e n e r C， Ho l l o mo n J H． Ef f e c t o f s t r a i n r a t e u p o n p l a s t i c f l o w o f s t e e l [ J 2 ．J ．Ap p 1 ．P h y s ． ， 1 9 9 4 ． 1 5 2 2 3 2 Me d i n a S F， He r n a n d e z C A．Ge n e r a l e x p r e s s i o n o f t h e Z e n e r - Ho l l o mo n p a r a me t e r a s a f u n c t i o n o f t h e c h e mi c a l c o mp o s i t i o n o f l o w a l l o y a n d mi c r o a l l o y e d s t e e l s [ J ] ．Ac t a Ma t e r ． ， 1 9 9 6 ． 4 4 1 1 3 7 1 4 8 邓学峰， 张辉， 陈振华． 耐热铝合金 F VS 0 8 1 2 板材温 拉伸本构方程口] ． 塑性工程学报， 2 0 0 6 ． 1 3 3 8 4 8 5 上接第 1 1 7页 [4 ] T h o ma s H， S h i g e r u E， No b u y u k i I ． ， e t a 1 ．E f f e c t o f v o l u me f r a c t i o n o f c o n s t i t u e n t p h a s e s o n t h e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p o f d u a l p h a s e s t e e l s l- J ] ． I S U I n t e r n a t i o n a l ， 1 9 9 9 ． 3 9 3 2 8 8 2 9 4 [5 ] 李龙， 丁桦， 杜林秀等． 低碳铁素体贝氏体复相钢的拉 伸应力应变曲线分析l- J ] ． 材料热处理学报， 2 0 0 7 ．2 8 5 4 6 5 0 [ 6 ] 邝霜， 康永林， 于浩 ， 刘仁东． C - S i - Mn冷轧双相钢的应 变硬化特性I- J ] ． 材料工程， 2 0 0 9 ． 2 1 1 - 1 4 [7 ] 蒋浩民， 陈庆欣， 陈新平等． 双相钢板应变强化和烘烤 硬化特性试验研究[ J 2 ． 塑性工程学报， 2 0 0 9 ．1 6 1 1 73 17 6 [8 ] 王鹏飞， 罗斌强， 胡时胜． 套管式冲击拉伸实验装置的 研制[ J ] ． 实验力学 ， 2 0 0 9 ．2 4 6 5 1 3 5 1 8 [9 ] [ 1 O 2 [ 1 1 ] 1- 1 2 2 [ 1 3 ] 胡时胜． 霍普金森压杆技术[ J ] ． 兵器材料科学与工程， 1 9 9 1 ． 1 1 4 0 4 7 J o h n s o n G R， Co o k W H． Fr a c t u r e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h r - e e me t a l s s u b j e c t e d t O v a r i o u s s t r a i n s ， s t r a i n s r a t e s ， t e mp - e r a t u r e s a n d p r e s s u r e s [ J ] ． E n g i n e e r i n g F r a c t u r e Me c h a n i c s ， 1 9 8 5 ．2 1 1 3 1 4 8 H Me n g， Q M Li ．C o r r e l a t i o n b e t we e n t h e a c c u r a c y o f a S HP B t e s t a n d t h e s t r e s s u n i f o r mi t y b a s e d o n n u me r i c a l e x p e r i me n t s l- J ] ．I mp a c t E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 3 ．2 8 53 7 5 55 冯端． 金属物理学l- M] ． 北京 科学技术出版社 ， 1 9 9 9 2 40 付瑞东， 邱亮， 王存字等． 氮强化高锰奥氏体低温钢的 拉伸应变硬化行为[ J ] ． 材料研究学报， 2 0 0 5 ．1 9 2 】 9 3 一 ] 99