3004铝合金的动态应变时效现象.pdf

第5 8 整第l 期 2 0 06 年2 月 有色金属 N o n 如r Ⅲ∞M e t a l s V o l5 8 ．N 0 1 F e b r u a r y20 0 6 3 0 0 4 铝合金的动态应变时效现象 陈嘉亮，彭开萍，陈文哲 福州大学，福州3 5 0 0 0 2 摘要选取5 ．5 6 l O 一5 S - 1 ，27 8 1 0 - 4 3 1 ，55 6 1 0 。．s ～，55 6 1 0 0 s ”1 四个常用应变建率，在2 2 3 - - 7 7 3 K 间隔2 5 1 3 ， 以各应变速率耐3 0 0 4 铝合金进行系列拉伸试验，探索其中的D S A 宏观现象及规律。结果表明。在给定的应变速率下，D S A 仅发 生在一定的温区。在该温区内，流变应力随温度升高基本保持不变．加工硬化速率出现极大值，应变速率敏感性出现负值。计算 得出低温下激活能为4 88 I J ／砌．表明3 0 0 4 铝台金中的动态应变时艘是M g 溶质原于气团与位错交互作用的结果。 关键词金属材料；3 0 0 4 铝台金；动态应变时效；锯齿屈服 中围分类号T G l 4 62 1 T G l l 5 ．5 2 文献标识码A 文章编号i 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 6 0 1 0 0 0 10 4 在一定的温区和应变速率范围内，一些含间隙 式或置换式溶质原子的金属或者合金在塑性变形过 程中会出现了不稳定流变，其拉伸曲线不再光滑，而 是表现出某种形式的锯齿波。称为P o r t e v i n L e C h a t e l i e r P L C 效应。N a b a r r o 和L u b a h n 将P L C 效 应与动态虚变时效 D y n a m i cS t r a i nA g i n g ，简称 D S A 联系起来⋯，所谓动态应变时效指的是金属在 塑性变形的同时发生时效而强化的现象。而P L C 和动态应变时效联系在一起会导致出现负值的应变 速率敏感系数，负的应变速率敏感系数会限制金属 或台金的可成型性，导致成型过程中的多相性和不 规则的表面成型。许多铝台金都显著的受负的应变 速率敏感性的影响。除此之外，在D S A 温区内通常 可发现存在一个流变应力平台，加工硬化速率与温 度的关系出现了峰值，还会出现“蓝脆”效应H 。9 】。 近年的许多研究结果表明[ 2 - ⋯，很多常用的工 业合金 如很多种钢，N i ，T i ，C u ，A I ，Z r 合金等 在通 常应用的温度范围和常规采用的应变速率下，发生 了D S A ，其性能都受到了D S A 的影响。3 0 0 4 铝台 金是二片罐罐体的常用材料，在工业上具有很重要 的经济地位。2 0 世纪9 0 年代以来，国内易拉罐市 场需求迅速增长，全国易拉罐年生产量由最初的2 4 亿只增加到目前的1 0 0 多亿只，其未来的发展趋势 是罐体的厚度从03 2 m m 将到0 ．2 5 m m ，甚至更 收稿日期2 0 0 51 02 8 基金项目国家白然科学基金资助 5 0 4 4 1 0 1 3 】；福建省教育厅资助 项目j A 0 3 0 1 5 作者简介胨嘉亮 1 9 8 0 一 ，男．福建泉州市 ．砸士．主要从事先 进功能材料方面的研究。 薄[ 1 0 0 “，这就要求具有易于成型的高强度合金。 因此，更好的了解3 0 0 4 铝合金中的变形行为对提高 台金的强度和成型性来说是势在必行的，但是剜目 前为止，大部分研究都集中在热处理对其微观结构 和制耳率的影响上，而对3 0 0 4 铝合金中D S A 现象 的研究却很少，因此有必要对3 0 0 4 铝台金的动态应 变时效现象进行探讨，从而加深对合金形变过程机 理的理解。 1实验方法 1 ．1 拉伸试样 采用的材料是3 0 0 4 铝舍金，化学成分 Ⅵ／％ 为M n 。0 ．7 ；M g ，0 ，8 ；F e ，0 ．4 ；S i ，0 ．2 ；e u ，0 ．1 5 ；T i ， 0 ．0 3 ；剩余的是A l 。将铸态铝锭加工成标距3 0 r a m 、 直径6 m m 的标准拉伸样。试验前均匀化退火，获得 平均晶粒尺寸为0 ．0 8 m m 的组织。退火工艺为7 2 3 3 K ，保温1 2 h 自l lA k 0 3 粉末保护剂以防止氧化 ， 空冷。 1 ．2 拉伸试验 拉伸试验在I n s t r o n l l 8 5 型万能材料实验视上 进行。选取5 ．5 6 1 0 5s - 。，2 ．7 8 1 0 4s - 。，5 ．5 6 x 1 0 “s ～，5 ，5 6 x1 0 ‘3 s 1 四个应变速率，每个应变 速率下从2 2 3 K 至5 7 3 K ，间隔2 5 K ，进行系列拉伸 试验。其中2 3 3 K ．2 5 3 K 和2 7 3 K 下的拉伸试验在 无水酒精溶液中进行，用液氮作冷却剂，3 3 3 K 和 3 7 3 K 试样采用水浴加热，试验温度控制在2 K 范 围内。4 2 3 ～5 7 3 K 采用I n s t r o n 可控式三段控温电 阻炉加热，温度间隔为2 5 K 用U J 3 7 型携带式直流 电位差计进行测温，试验温度控制在3 K 范围内。 万方数据 2 有色金属第5 8 卷 1 ．3 应变速率敏感性试验 应变速率敏感性试验是在某一温度下以55 6 1 0 ‘4 s 。1 的应变速率拉伸至2 ％的应变量时，应变 速率迅速切换到5 ．5 6 1 0 3 s _ 。，测出此时应力的 变化值△d 。从2 3 3 K - 5 7 3 K ，每间隔2 5 K 的温度下 进行应变速率敏感性试验。每个温度下至少进行三 次试验，取应力变化的平均值A a ，然后根据应变速 率敏感性s 的计算公式s e ／ l n ￡7 ，算出应变速 率敏感性。 2 试验结果与讨论 2 ．13 0 0 4 铝合金中的D S A 宏观规律 表1 是分别在四种不同应变速率下，3 0 0 4 铝合 金中出现D S A 的温度区间。从表1 可以看出，在一 定的应变速率下，D S A 只有在特定的温度范围内才 会出现。 表1 各应变速率下出现锯齿屈服的温区 T a b l e1 T e m p e r a t u r er a n g e so fs e r r a t i o nf l o wp h e n o m e n o n o c e U d f r e i n _ c ea tv a r t O t l 轧r a l l lr a t d s 图1 表示应变速率敏感性和温度之间的关系。 从躅1 可以看出，对应锯齿屈服出现的温区在2 7 8 K - 4 2 3 K ，应变速率敏感性出现了负值，在其他温区 内为正值。 ￡ 罨 图1 应变速率敏感性与温度关系曲线 F i g1R e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r a i nr s t e s e n s i t i v i t y * n dt e m p e r a t u r e 图2 表示应变速率为55 6 1 0 ～s - 1 时，屈服 强度、抗拉强度和温度的关系。在出现D S A 的温区 2 5 3 K ～4 2 3 K 内，应力变化不大，曲线出现了应力 平台，丽后随着温度的升高，抗拉强度急剧下降。 图3 是在5 ．5 6 1 0 - 。。s 。的应变速率下，加工 硬化速率与温度的关系曲线。根据加工硬化速率0 的计算式0 0 2 一％2 ／A e 计算合金加工硬化速 率，式中a 2 表示残余应变为2 ％时的应力，d o2 表示 残余应变为0 ．2 ％时的应力，△s 0 ．0 1 8 。 图2 应变速率为5 ．5 6x1 0 。s _ 1 时屈服 应力和抗拉应力与温度的关系 F i g ．2R e l a t i o n s h i pb e t w e e n 唧2 ，％a n dt e m p e r a t u r e a ts t r a i nr a t eo f55 6 1 0 4s 一1 一般地，对于面心立方金属与合金，加工硬化速 率随应变和试验温度升高而降低，但由图3 可明显 看出，3 0 0 4 铝台金在锯齿屈服温区的3 2 2 K 附近出 现极值，之后才随温度升高而急剧下降。 现在一般认为D S A 下的P I ，C 效应是由于金属 或台金中的溶质原子向位错偏聚并使之钉扎而引起 的，并且只在特定的应变速率范围和温区内才会出 现．3 - 4 ] 。在发生D S A 的温区内，由于形变过程中长 程应力场、位错和溶质原子的存在，使位错呈现问歇 式的运动特点，它们在运动时会暂时受阻于障碍物 之前，等待热激活以克服障碍物。在位错等待热激 活的时间t 。内，若溶质原子扩散移动速度足够快或 者f 。足够长，则溶质原子将在位错周围形成足够大 的溶质原子气团，钉扎住位错。而随着时效时间的增 加，这些被钉扎的位错在外应力的作用下又将挣脱 溶质原子的束缚．重新运动，并对原有的溶质原子气 团产生一种拉力，促使气团以一定的速度向位错方 向迁移。此时，若位错的迁移速度口，远大于溶质原 于在位错应力场作用下的平均迁移速度珥，位错就 能迅速摆脱溶质原子气团的作用，运动到下一个障 碍物，因此就出现了P L C 效应。而在D S A 以外的 温区，如图1 中所示的2 2 3 K ～2 5 3 k 温区内，由于温 度较低，金属或者合金中溶质原子不能提供给位错 足够的激活使之克服障碍物，因此没有P L C 效应出 现。相反在高温区，如图l 所示的4 2 3 K ～5 7 3 K 温 区内，由于温度升高，金属或者合金中溶质原子提供 的激活能增大，使得位错在障碍物前滞留的时间变 短，同时，形成钉扎气团的溶质原子容易析出 或被 吸收源吸收 ，从而使有效的钉扎溶质原子不断减 少，不足以产生足够大的钉扎气团时，此时位错的迁 万方数据 第1 期 陈嘉亮等3 0 0 4 铝合金的动态应变时效现象 移速度”r 和溶质原子的平均迁移速度q 相近，溶质 原子气团在运动位错周围的分布保持着很好的对称 性，不会对位错产生拖拽力，对位错就不再起钉扎作 用，P L C 效应也就不会出现。而且，在高温区，材料 会出现动态回复，成为材料主要的软化机制，因此应 力就会如图2 所示急剧下降。所以，如表1 所示， 3 0 0 4 铝台金中的D S A 只是在一定的温区内才会出 现的。 图3 加工硬化速率与温度的关系 { ￡ 5 ．5 6 1 0 4 s 。1 F i g3 R e l a t i o n s h i pb e i w c e nw o r k h a r d e n i n gr ≠H c - a n d t e m p e r a t u r eu n d e rs t r a i nr 8 t eo f55 6 1 0 ～s 一1 当3 0 0 4 铝台金中发生D S A 时，其中的溶质原 子 主要为M g 原子 气团已在位错等待热激活过程 中形成并对台金中的位错进行钉扎。要使位错按原 先给定的速率运动，就必须提高外加应力，因此流变 碰力增加，抵消了应力随温度升高而下降的趋势，导 致了在该温度范围内出现了一个如图2 所示的流变 应力平台。此时，合金中新的位错在不断形成以维 持所需要的应变速率，然而，由于相互湮灭导致位错 消失的速率却在降低，使位错密度增加，导致出现图 3 中所示的异常的应变速率和加工硬化关系。 当应变速率突变时。相对于高的应变速率，低的 应变速率下产生空位较少，溶质原子向运动位错扩 散所需要的时间会比高应变速率下所需要的时间 长。随时效时间增加，将有更多的溶质原子扩散到 位错周围，从而提高了位错与扩散溶质原子间相互 作用的应力，流变应力增大，因此就出现如图l 所示 的在发生D S A 的温区内出现负应变速率敏感性。 2 ．2 激活能计算 由于目前尚无法直接观察到溶质原子与位错之 间的交互作用，因此大多根据试验测得的产生锯齿 屈服的激活能来判断与位错发生作用的溶质原子的 性质和扩散途径，分析何种元素的扩散形成钉扎气 团。运用的是M c c D r m i c k 理论模型【4 | ，￡， p C 1a C o v 2 E 名n ／N K U 。D o e x p Q 。，／k T ，式中 c 。一开始时溶质原子浓度；C ，一钉扎位错时，位错 线上的溶质原子浓度；U 。一溶质原子和位错的交 互作用能；Q 。溶质原子迁移的有效激活能；b 一 柏氏矢量；D 。一扩散系数；k 一波尔兹曼常。数；K ， N ，m ，口，a 一常数；T 一温度。对上式两边取自然对 数，得到1 n E p ／T 与1 ／丁之间的关系式 l n e H 口／丁 Q 。。／R T C 。由试验数据作出曲线 就可以计算给定的应变速率下的激活能Q 。 曲线 斜率R ，式中R 为气体常熟。然而，该方法首先需 要分别计算各温度下的 m 口 值，如温度为 2 7 3 K ，由1 9 ￡’ m 十卢 l g e 。 c 表明l g e 。与l g e ’是 线性的，且 m 口 的值就是图4 中曲线的斜率。 图4 温度T 2 7 3 K 时临界应变量 和应变速率的关系 F i g ．4R e l a t i o r L s h a pk t w e e r tc f i f i ∞la n ds t r a i nr 甜ca t2 7 3 K C E q ～ 三 图5 应变速率为5 ．5 6 1 0 - 4 S ‘1 下 l n g P ／T 和1 ／7 ’的关系 F i g5 V a r i a t i o r l 。fI n e ∥4 ／T w i t h1 ／7 、a t s t r a i n r a t m f55 6 1 04 s 1 图5 是应变速率为5 ．5 6x1 0 1s 。1 时 1 n e “F ／T 和1 ／丁的关系曲线。计算得低温下溶 质原子迁移的有效激活能为4 8 ．8 k J ／m o l ，该值与A l 合金中M g 原子的扩散激活能 5 3a k J ／T 0 0 1 很接 近，并且远低于A l 台金中M n 原子的扩散激活能 2 1 2 k J ／m 0 1 。因此3 0 0 4 铝铝台金中形成钉扎位错 万方数据 4 有色金属 第5 8 卷 并提供位错以激活能的溶质原子不可能是M n 原 子。此外，3 0 0 4 台金中其他元素的含量较低，因此 相应的溶质原子浓度比较低，溶质原子的扩散能力 较弱，很难形成溶质原子钉扎气团。而M g 是合金 中含量较多的溶质原子．因此也是最主要的气团构 成元索．它以空位扩散的方式聚集在位错周围形成 了钉扎气团。所以3 0 0 4 铝舍金中可能是形成M g 溶质原子气团与位错交互作用导致D S A 产生。 3 结论 1 3 0 0 4 铝合金在给定的应变速率下，D S A 仅 参考文献 发生在一定的温区内。当应变速率为5 ，5 6x1 0 。 s 1 1 时，出现D S A 的温度范围自2 5 3 ～3 7 3 K 。随着 应变速率的提高，出现D S A 的温区上移。 2 在D S A 温区，出现流变应力平台、加工硬化 速率峰值，并且出现负应变速率敏感性系数。 3 3 0 0 4 铝台金发生D S A 时溶质原子迁移的 有效激活能为4 8 ，8 k j ／m o l ，因此3 0 0 4 铝舍金中 D S A 是M g 原子的溶质原子气团与位错交互作用的 结果。 【I ] T i a nBH ，Z h e n gYG ，C h e r tCQ ．A B n o r m a lf I 。wb e h a v i o ra n ds e r r a t e df t o wi nA t L is i n g l ec r y s t a l s [ j ] ．M a t e r i a l sS c i e n c e da n d E n g i n e e r i n g ，1 9 9 8 ，2 4 7 A 2 6 3 2 6 9 [ 2 ] Y iF e l l g ，N i n g T a o ，Z h e n g a n gZ h u ，e ta 1 ．E f f e c to f A g i n g t r e a t m e n tO n t h e q u a s i - s t a t i ca n dd y n a m i cc o m p r e s s i v ep r o p e r t i e so f a 。 l u m i n u ma l l o y f o a m s [ J ] M a t e r i a l sL e t t e r s ，2 0 0 3 ，5 7 2 5 4 0 5 8 4 0 6 3 ． [ 3 ] 钱匡武。李效琦，萧林钢，等．金属和合金中的动态应变时效现象[ J ] ．福州大学学报，2 0 0 1 ，2 9 6 8 2 3 [ 4 ] B r e e h e t Y ，E s t r i n Y ．o n t h e i n f l u e n c e o fp r e c i p i t a t i o no n t h e P o r t e v i a L ec h e t e l i e r o f f 。c t [ J ] A c t a M c c a l l ，1 9 9 5 ，4 3 3 9 5 5 9 6 3 [ 5 ] S c h u h C A ，N i e l l T G ．An a n o i r t d e a t a t i “as t u d yo fs e r r a t e d f l o w i nb u l k m e t a l l i c 蜘[ J ] A c t a M a t e r i a l i a ，2 0 0 3 ，5 1 8 7 9 9 [ 6 ] J u s t i nMR e e d ．M a r kEW a l t e rO h s e r v a t i o a so fs e r r a d o nt h e r a c t e r i s t i c sa n da c o u s t l ee m i 轴i o nd u r i n gs e r r a t e df l o wo fa nA t M g ．≈I l o y [ J ] M a t e r i a l aS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 3 ，3 5 9 A 1 一l O ． [ 7 ] E r w i nP i n k ，S u b o d hK u m a r ，B a o h u iT i a n ．T h ed i s t r i b u t i o no fs t r e s s d r o ps i z e si ns e r r a t e df l o wo fa Na l u m i n i u ma l l o ya n da m i l ds t e l l 【JJ ．S c r i p t a M a t e r i a l z ．1 9 9 8 ，3 9 9 1 3 0 9 1 3 1 6 ． [ 8 ] T h e v e n e tD ，M l i h e ．T o u a t iM ，Z e g h l o u lAT h ee f f e c to f p r e c i p i t a t i o no i lt h eP o r t e v i nL ee h e t d i e re f f e c ti na nA I Z n M g C u a l l o y [ J ] M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，1 9 9 9 ，2 6 6 A 1 7 5 1 8 2 [ 9 ] 张好国．L C A 超硬铝合金锯齿屈服规律的研究[ D ] 福州福州大学，1 9 8 8 1 9 2 5 1 0 ] 马道章．开辟易拉罐罐体材料生产的新途径[ J ] 上簿有色金属，2 0 0 2 ，2 3 2 7 0 7 3 ． [ 1 1 ] P a f kD ，M o r r i sJG ．T h et e n s i l ed e f o r m a t i o nb e h a v i o ro f3 0 0 4a l u m i n u ma l l O y [ J ] M e t a l i u r g i c a la n dM a t e r i a l sT r a n s a c t i o n s A 。1 9 9 4 ，2 5 A 3 5 7 3 6 4 ， D y n a m i cS t r a i nA g i n go f3 0 0 4A l u m i n u mA l l o y C H E NJ i a l i a n g ．P E N GK a i - p i n g ，C H E NW e n d w 丸z h o “U “ f ㈣i t yF u z h o u3 5 0 0 0 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h ed y n a m i cs t r a i na g i n g D S A m a c r o p h e n o m e n o na n dr e g u l a rp a t t e r no f3 0 0 4a l u m i n u mM l o yi nt e n s i o n i n gp r o c e s s3 r e i n v e s t i g a t e da t2 2 3 - - 7 7 3 K t e m p e r a t u r e i n t e r v a l2 5 K w i t h f o u rn o r m a ls t r a i nr a t e so f5 ．5 6 1 0 5 s 一1 ．2 ．7 8 1 0 4 5 - 1 ．5 ．5 6 1 0 4 8 1a n d5 ．5 6x 1 0 3 s 一1 ．T h er e s u l t ss h o wt h a tD S Ao f3 0 0 4a l u m i n u m a l l o yo n l yo c c u r sa tac e r t a i nr a n g eo ft e m p e r a t u r ea ts e t t l e ds t r a i nr a t e ．T h es t r e s s1 sn o tv a r i e dw i t ht h ei n c r e a s e o ft e m p e r a t u r e ．a n dam a x i n m mw o r k h a r d e n i n gr a t ea n dn e g a t i v ei n s e n s i t i v i t yo fs t r a i nr a t ea p p e a ri nt h i st e r n p e r a t u r er a n g eT h ea c t i v a t i o ne n e r g yi s4 8 ．8k J ／t o o lf r o mt h ec a l c u l a t i o n ，s ot h eM ga t o mi sr e s p o n s i b l ef o rt h e D S Ai nt e n s i o n i n gp r o c e s so ft h e3 0 0 4a l u m i n u ma l l o y K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；3 0 0 4a l u m i n u ma l l o y ；d y n a m i cs t r a i na g i n g ；s e r r a t e df l o w 万方数据