H62黄铜合金热变形行为.pdf

第6 2 卷第2 期 2010 年5 月 有色金属 N o n f e r f o u 5M e t a l s V 0 1 ．6 2 ．N o ．2 M a y2010 H 6 2 黄铜合金热变形行为 王延辉，龚冰，李冰，宋宝韫 大连交通大学材料科学与工程学院，辽宁大连116 0 2 8 摘要结合连续挤压工艺制定G l e e b l e 一1 5 0 0 热压缩试验方案，测定H 6 2 黄铜合金流变应力，采用A r r h e n i u s 方程的指数形 式描述H 6 2 黄铜的本构关系，绘制H 6 2 黄铜合金的热加工图，预测H 6 2 黄铜合金在连续挤压过程中的功率耗散因子1 1 和组织的 分布，以及塑性失稳区的位置。确定H 6 2 黄铜合金的最佳热变形参数为应变速率为0 ．0 1 ～，温度为4 0 0 5 0 0 。C 。 关键词金属材料；黄铜合金；连续挤压；热加工图；本构关系；流变应力 中图分类号T 6 1 4 6 ．1 l ；T G l l 3 ．2 5文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 1 0 0 2 0 0 0 7 0 4 金属热变形流变应力是材料在高温下的基本性 能之一，它不仅受变形温度、变形程度、应变速率和 合金化学成分的影响，也是变形体内部显微组织演 变的综合反映。无论在制定合理的热加工工艺方 面，还是在以塑性有限元为代表的现代塑性加工力 学中，其精确的流变应力数值或表达式是提高理论 计算精度的关键。为此，国内外近些年来在这方面 的研究十分活跃。张红钢等对K F C 铜合金热压缩 变形流变应力进行了分析。。周晓华、柳瑞清对高 温下的几种铜合金流变应力也进行了研究1 。然 而对于H 6 2 黄铜合金流变应力的研究报道甚少。 采用G l e e b l e 一1 5 0 0 热模拟机，结合连续挤压工 艺，制定工艺方案。在变形温度为1 0 0 8 0 0 ℃和应 变速率为0 ．0 1 1s “的变形条件下，对H 6 2 黄铜合 金进行了等温热压缩实验，通过对黄铜合金热压缩 变形流变应力与变形程度、应变速率以及变形温度 之间的关系分析，建立本构方程及热加工图，为合理 制定黄铜合金热变形工艺提供参考，以及为有限元 数值模拟进一步分析提供准确数据或数学模型。 1流变应力曲线分析 连续挤压过程中挤压轮转速一般为6 r ／r a i n 一 1 0 r ／m i n ，在1s 一数量级上，所以结合连续挤压工艺， 分析其应变速率为1s 叫的流变应力曲线如图1 所 示。 收稿日期2 0 0 8 0 4 3 0 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 6 3 5 0 2 0 作者简介王延辉 1 9 6 1 一 ，男，辽宁大连市人．副教授．主要从事 连续挤压等方面的研究。 厶 、 R 钽 制 媛 图l黄铜H 6 2 在应变速率为1 s 。热压缩 变形应力应变曲线 F i g ．1 T r u es t r e s s t r u es t r a i nc u r v e sa ts t r a i n r a t e1 s 一‘f o rH 6 2b r a s sa l l o y 结果表明，H 6 2 黄铜在4 0 0 ℃以上、流变应力出 现了波峰，而后又呈直线。从图1 还可以看出，峰值 应力对应的应变随温度的升高而不断减小。真应力 一真应变曲线大致可以分为三个阶段。第一阶段变 形量较小时，随着应变的逐步增加，位错密度也增 加，位错消失速度也随之增大。反映在真应力一真 应变曲线上是随着变形量加大，加工硬化速度减弱， 但是在第一阶段总的趋向还是加工硬化超过动态软 化，因此随着变形量的增加，变形应力还是不断增加 的。第二阶段当应变量超过一定值后，应力下降，表 明材料在该温度下已经发生了动态再结晶，动态再 结晶的发生与发展使更多的位错消失，材料的变形 应力很快下降。第三阶段，应变达到一定的时候，应 力与应变呈现出稳态流变的特征，由于流变应力在 此条件维持～稳定值，加工硬化和动态再结晶软化 达到平衡”1 。 万方数据 8 有色金属第6 2 卷 变形温度保持不变时，应变速率越低，稳态变形 阶段的流变应力也越低。从图2 可以看出，温度和 应变速率是影响流变应力的重要因素。在同一温度 下，材料的应力峰值随应变速率的增大而增大。一 般认为，较低时材料中的储存能较高，从而有利于材 料在热变形过程中发生动态再结晶H 。。在较高的 应变速率下，塑性变形时单位应变的变形时间缩短， 能发生运动的位错的数目增加。同时由于动态回 定 罨 R 刨 制 耀 2本构方程 复、动态再结晶等提供的软化过程时间缩短，塑性变 形不充分，导致流变应力的增大。在同一应变速率 下，温度越高，原子的热激活能的作用越大，原子振 动加强，原子间的I | 缶界切应力减弱，此外动态回复、 动态再结晶引起的软化程度也随着温度的升高而增 大，从而导致应力峰值的降低∞- ，而且随着温度升 高，变形速率越小，动态再结晶的临界应变值8 变 小，即表示材料在高温下动态再结晶很快发生∞1 。 应变／％ 图2不同温度下的黄铜H 6 2 的应力应变曲线 F i g ．2 T r u es t r e s s t r u es t r a i nC l l r v e a td i f f e r e n tt e m p e r a t u r ef o rH 6 2b r a s sa l l o y H 6 2 黄铜合金在变形过程中对变形温度和应变 速率都很敏感，研究表明⋯，z 与o r 之间服从关系式 1 ，式中z 为Z e n e r - H o l l o m o n 参数，z s ’e x p Q ／ R T ；A 和4 为材料常数或应变的函数；Q 为变形激 活能，k J m o l ～；仃为流动应力，M P a ；s7 为应变速 率，s ～。式 1 可以表示为 A ’o r n 和 A e x p , 8 0 r ，由Z e n e r ．H o l l o m o n 参数的定义，占7 可分别表 示为式 2 一式 4 。 z A l [ s i n h a o r ] “ 1 占’ A l [ s i n h a o r ] “e x p - Q ／R T 2 占’ g A g ’o r 4 e x p 一Q ／R T 3 艿’ A e x p , 8 0 “ e x p 一Q ／R T 4 在回归H 6 2 合金本构方程时，首先分别以l n o r 和I n 8 ’及盯和l n ’为坐标作图，再用最d , - 乘法线 性回归，依据式 3 和式 4 ，分别对两式两边取对 数，再将H 6 2 合金的热压缩试验数据代入可以得到 I n s - l n o r 图及l n 6 tO ．图的斜率，分别近似表示／ t 和 p 。再将a 和1 7 , 的值代入式 5 ，式 5 由式 2 两边 取对数而得，得到该合金的变形激活能Q 2 1 4 ．6 4 4 k J ／m o l ，代人Z e n e r ．H o l l o m o n 参数得式 6 。 再将不同变形温度下H 6 2 黄铜合金热变形时的应 变速率代入 6 式得到不同的z 值，再与对应的峰值 应力一起代入式 7 、式 8 和式 9 ，用最d x - - 乘法 线性回归，得到l n z - I n [ s i n h a o r ] 关系、l n z - l n o r 关系 和l n z ．o r 关系的相关系数分别为0 ．9 8 1 4 8 ，0 ．9 8 4 2 1 和0 ．9 6 6 1 9 ，另外将所得到的n 和口值与前面所获 得的n 和．I B 值相比较，结果表明参数的对数和峰 值应力关系较好地满足线性关系，即H 6 2 黄铜合金 高温变形时的流变应力方程遵从Z e n e r H o l l o m o n 参 数的指数函数形式，从而H 6 2 黄铜合金高温变形时 的应变速率占’，流变应力o r 和温度r 之间的关系可 用式 3 描述【83 ，则热激活能Q 由式 1 0 求得。 Q R { T i n [ s i n h a o r ] ／0 1 ／T } 。’{ 0 I n ’／0 I n [ s i n h a o r ] } T 5 z 占’e x p 2 1 4 ．6 4 4 ／R T 6 l n z l n A ’ n l n [ s i n h a o r ] 7 l n z l n A7 n l n o r 8 l n z l n A7 口盯 9 Q [ 0 1 n o r ／0 1 ／T ] 。’[ O l n e ’／O l n o - ] r R 1 0 将求得的A ，r ／, 和Q 等材料参数值代人 3 式， 得H 6 2 黄铜合金热压缩变形时的流变应力方程式 11 。 占7 e 。9 7 0 r 7 9 5 e x p 一2 1 5 5 1 7 ／R T 11 万方数据 第2 期王延辉等H 6 2 黄铜合金热变形行为 9 3热加工图理论 动态材料模型认为材料的热变形过程是一个能 量耗散系统。外界输入的能量P 公式 1 2 可分 为两部分，即耗散量 G 和耗散协量 J 。其中耗散 量G 为材料发生塑性变形所耗散的能量，绝大部分 转化为热能，小部分以晶体缺陷的形式储存，而耗散 协量．，为材料在变形过程中发生组织演变所耗散的 能量【9 1 。在一定的应变和温度条件下，这两种能量 变化的比值为应变速率敏感因子m ，见公式 1 3 ㈨。 P o r e ’ G J 』o r d ’ s 7 d o “ 1 2 m d J ／d G [ 0 1 0 9 0 - ／a 1 0 9 8 ’ ] 占，T 1 3 当m 1 时，材料的热变形过程为理想线性耗 散系统，耗散协量J 取最大值 J ⋯ 0 “ 8 ’／2 。功率 耗散因子叼 叩 J ／J 。。 为材料在变形过程中组织 演变所耗散的能量与理想线性耗散能量的比值⋯o 。 表达式为式 1 4 和式 1 5 。 叼 p - G ／J ⋯ 2 - 2 G ／ 0 “ 8 ’ 1 4 G 』o r d e ’ F ’ 0 一占7 r a i n o - d e ’ 占’ s ’m I n ～s7 [ 0 “ 6 ’／ m 1 ] 占’ s7 。i n 盯d 占7 占’ s7 m j 。～占’ 1 5 一般物理模拟实验中应变速率通常占7 ≥ 0 ．0 0 1s ～，因此可取s ’ 0 ．0 0 1 s ～。当材料的本构 关系满足盯 K e ’时，功率耗散因子田可表达为公式 1 6 。功率耗散因子田随变形温度和应变速率的 变化构成了功率耗散图。由于塑性成形过程中各种 损伤过程和冶金变化过程都要耗散能量，因此借助 金相观察和功率耗散图可以分析不同区域的变形机 理‘9 。1 13 。 7 J ／J ⋯ 2 m ／ m 1 1 6 P r a s a d 失稳判断准则的描述如式 1 7 所示。 H 6 2 黄铜合金在5 种温度及3 种应变速率下，真应 变为0 ．5 时应力值列于表l 。表l 数据显示，采用3 次样条函数拟合流变应力l o g o - 与l o g e7 的函数关 系，根据公式 1 3 计算出应变速率敏感指数m ，再 用公式 1 6 计算可得出耗散效率因子卵。利用 M a t l a b 软件在由r 和l o 舻’所构成的平面内绘制出等 功率耗散效率因子叼的轮廓曲线再按照式 1 7 给 出的在加工图中流变失稳的判据标准，可以得出在 不同变形温度下f 占 的区域，该区域内变形将出现 流变失稳“1 4 ] 。H 6 2 黄铜合金的热加工图见图3 。 亭 s ’ O l o g [ m ／ m 1 ] ／0 1 0 9 e ’ ，n 0 1 7 2 { i 量 图3H 6 2 在￡ 0 ．5 时的热加工图 F i g ．3P r o c e s s i n gm a pf o rb r a s sa l l o ya ts t r a i no f0 ．5 表1 黄铜合金在￡ 0 ．5 时的应力值 T a b l e1F l o ws t r e s s M P a o fb r a s sa l l o ya tv a r i o u s s t r a i nr a t e sa n dt e m p e r a t u r e sa ts t r a i no f0 ．5 图4H 6 2 黄铜在应变速率为l s 一时各 温度下的金相组织 F i g ．4R e p r e s e n t a t i v em e t a l l o g r a p h i co fB r a s sH 6 2 由图3 可以看出，变形温度及应变速率不同，合 金的动态能量消耗行为明显不同。随着变形温度的 升高及应变速率的降低，田值明显增加，即合金的动 态能量消耗能力增强，H 6 2 在变形温度4 0 0 ～ 5 0 0 ％、应变速率为0 ．0 1s 。时，能量耗散因子达到峰 值，约为4 0 ％。在3 5 0 6 5 0 0 C 能量耗散因子出现一 个等高平台，约为3 0 ％。根据曲线观察这个区域可 能是发生动态再结晶的区域，此时的动态再结晶软 化作用有利于合金的均匀性变形。在这个区域进行 万方数据 1 0 有色金属第6 2 卷 热加工，能够得到无缺陷和优异的力学性能’1 “。其 典型温度的金相组织如图4 所示，根据组织观察的 结果可以确定出热加工中的完全再结晶区4 0 0 6 0 0 ℃。 图3 中粗实线为流变失稳图中级数 L e v e l 为 负值的区域，为根据P r a s a d 失稳准则计算得到的流 变失稳区，在失稳图中，当失稳判据为负数时，表示 该区域流变不稳定。当这个负的失稳判据绝对值越 大时，表示流变不稳定的可能性越大。为了安全起 见，制定热加工工艺时，应该避免失稳区域‘10 | 。 可以看出H 6 2 合金在低于5 0 0 0 C 应变速率为 0 ．1 1 区域发生流变失稳，根据组织观察会容易发 参考文献 生晶界开裂Ⅲ1 ，制定热加工参数时应避免这些加工 条件，由H 6 2 的热加工图可知，H 6 2 合金在4 0 0 5 0 0 。C ，应变速率为0 ．0 1S 一时，耗散因子值最大，比 较适宜在此条件下进行热加工。 4结论 用A r r h e n i u s 方程的指数形式能较好的描述 H 6 2 黄铜合金高温变形时的流变应力行为。用热加 工图理论分析材料的高温变形行为能准确直观地反 映出材料在不同变形条件下的组织演变规律。结合 曲线、金相组织观察得出H 6 2 最佳热变形参数为应 变速率为0 ．0 1s ～，变形温度为4 0 0 5 0 0 ℃ [ 1 ] 张红钢，张辉，彭大暑，等．K F C 铜合金热压缩变形流变应力[ J ] ．热加下工艺，2 0 0 4 ， 1 2 1 2 4 ． [ 2 ] 周晓华，柳瑞清．高温下几种铜合金流动应力的研究[ J ] ．有色金属加- E ，2 0 0 3 ，3 2 1 2 1 2 3 ． [ 3 ] 张红钢，张辉，刘婉容，等．C 1 9 4 铜合金热压缩变形流变应力[ J ] ．湘潭大学自然科学学报，2 0 0 3 ，2 5 3 8 2 8 6 ． [ 4 ] 刘万辉，鲍爱莲．热压缩7 0 7 5 铝合金流变应力特征[ J ] ．热加工工艺，2 0 0 6 ，3 5 8 2 8 3 0 ． [ 5 ] 郭强，严红革，陈振华，等．铸态A Z 8 0 镁合金高温热变形行为研究[ J ] ．塑性丁程学报，2 0 0 6 ，1 3 5 1 6 2 0 ． [ 6 ] 肖盼，刘天模．A Z 6 1 B 镁合金热模拟挤压变形的研究[ J ] ．兵器材料科学与工程，2 0 0 6 ，2 9 4 2 2 2 5 ． [ 7 ] Z e n e rC ，H o l l o m o nJH ．E f f e c to fs t r a i n r a t eu p o nt h ep l a s t i cf l o wo fs t e e l [ J ] ．JA p p lP h y s ，1 9 4 4 ，1 5 1 2 2 ． [ 8 ] 张伟红，张士宏．N i T i 合金热压缩实验数据的修正及其本构方程[ J ] ．金属学报，2 0 0 6 ，4 2 1 0 1 0 3 6 1 0 4 0 ． [ 9 ] 周义刚，曾卫东，俞汉清．热加工图研究进展与应用[ J ] ．稀有金属材料与工程，2 0 0 5 ，3 4 3 7 1 5 7 1 9 ． [ 1 0 ] P r a s a dY V RK ，S e s h a c h a r y u l uT ．P r o c e s s i n gm a p sf o rh o tw o r k i n go ft i t a n i u ma l l o y s [ 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 8 ，2 4 3 2 8 2 8 8 ． [ 11 ] N h o K w a n gP a r k ，J o n g T a c kY e o m ，Y o u n g S a n gN a ．C h a r a c t e r i z a t i o no fd e f o r m a t i o ns t a b i l i t yi nh o tf o r g i n go fc o n v e n t i o n a lT i - 6 A 1 - 4 Vu s i n gp r o c e s s i n gm a p s [ J ] ．J o u r n a lo fM a t e r i a l sP r o c e s s i n gT e c h n o l o g y ，2 0 0 2 ，1 3 0 ／1 3 l 3 5 4 0 5 4 5 ． [ 1 2 ] 周 军，曾卫东，舒滢．应用热加工图研究T C l 7 合金片状组织球化规律[ J ] ．稀有金属材料与工程，2 0 0 6 ，3 5 2 2 6 5 2 6 9 ． [ 1 3 ] 蔡大勇，熊良银，孙贵东．G H 7 0 8 高温合金热变形行为[ J ] ．稀有金属材料与工程，2 0 0 6 ，3 5 s 2 1 4 4 1 4 7 ． [ 1 4 ] 徐斌．基于加工图理论的相合金高温变形机理研究[ D ] ．西安西北工业大学，2 0 0 7 3 1 3 9 ． [ 1 5 ] 黄劲松，彭超群，章四琪．无铅易切削镁黄铜的组织与性能[ J ] ．材料科学与工程学报，2 0 0 6 ，2 4 6 2 4 ． [ 1 6 ] 戚运莲．T i 6 0 0 高温钛合金的热变形行为及热加工图研究[ D ] ．西安西北工业大学，2 0 0 7 4 1 4 5 ． B e h a v i o ro fH 6 2B r a s sA l l o yH o tD e f o r m a t i o n W A N GY a n h u i ，G O N GB i n g ，L IB i n g ，S O N G ，B a o - y u n S c h o o lo fM a t e r i a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，D a l i a nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y ，D a l i a n1 16 0 2 8 ，L i a o n i n g ，C h i n a A b s t r a c t T h ef l o ws t r e s so fH 6 2b r a s sd u r i n gh o tf o r m a t i o ni si n v e s t i g a t e dt h r o u g he x p e r i m e n t su s i n gG l e e b l e - 15 0 0 s i m u l a t o rm a c h i n eb a s e do nt h ep a r a m e t e ro fc o n t i n u o u se x t r u s i o np r o c e s s ．T h ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o no fH 6 2b r a s si s d e s c r i b e dw i t hA r r h e n i u sm o d e l ．H o tp r o c e s s i n gm a pi sp r o t r a c t e d ，a n dt h ee f f i c i e n c yo fp o w e rd i s s i p a t i o n ，t h e m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o na n dt h ep l a s t i c i n s t a b i l i t y a r e a so fH 6 2b r a s sa l l o yd u r i n gt h ec o n t i n u o u se x t r u s i o na r e p r e d i c t e d ．A sar e s u l t ，t h eo p t i m a lp a r a m e t e r sf o rH 6 2a l l o yt h ed e f o r m a t i o na r et e m p e r a t u r ea t4 0 0 5 0 0 。C a n d t h es t r a i nr a t e a t0 ．0 l s ～． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；b r a s sa l l o y ；c o n t i n u o u se x t r u s i o n ；p r o c e s s i n gm a p ；c o n s t i t u t i v ee q u a t i o n ；f l o w s t r e s s 万方数据