摘要:為實現(xiàn)H65黃銅合金連續(xù)擠壓的數(shù)值模擬和合理制定其熱成形工藝參數(shù),采用Gleeble-1500熱模擬實驗機(jī)對該材料在熱變形條件下的流變應(yīng)力特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,在實驗范圍內(nèi), H65黃銅合金熱壓縮變形時發(fā)生明顯的動態(tài)再結(jié)晶;用Arrhenius方程的指數(shù)形式能較好地描述H65黃銅合金高溫變形時的流變應(yīng)力行為;分區(qū)間求得熱變形激活能Q,并分段建立了H65黃銅合金的本構(gòu)方程。

關(guān)鍵詞: H65黃銅合金;流變應(yīng)力;本構(gòu)方程;熱模擬機(jī);連續(xù)擠壓

中圖分類號: TG146. 1+ 1; TG113. 25　　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A　　文章編號: 1007-2012(2008) 06-0113-05

引言

目前,在國內(nèi)有色金屬加工行業(yè),大多數(shù)廠家采用水平連鑄法生產(chǎn)黃銅桿。而采用連續(xù)擠壓方法生產(chǎn)黃銅線材相對很少。連續(xù)擠壓方法工藝簡單,既能節(jié)省能耗,降低成本,又能一次性成形,這些的優(yōu)點使得它在黃銅線的生產(chǎn)中蘊藏巨大的潛力。但由于黃銅合金變形溫度高、變形抗力大、高溫氧化性強(qiáng),黃銅合金連續(xù)擠壓技術(shù)在塑性變形機(jī)理、工藝參數(shù)等方面還有待進(jìn)一步研究.

金屬熱變形流變應(yīng)力是材料在高溫下的基本性能之一,不僅受變形溫度、變形程度、應(yīng)變速率及合金化學(xué)成分的影響,也是變形體內(nèi)部顯微組織演變的綜合反映。無論在制定合理的熱加工工藝方面,還是在以塑性有限元為代表的現(xiàn)代塑性加工力學(xué)中,其精確的流變應(yīng)力數(shù)值或表達(dá)式是提高理論計算精度的關(guān)鍵,因此,近年國內(nèi)外在這方面的研究十分活躍[1-5]。張紅鋼等[6]對KFC銅合金熱壓縮變形流

變應(yīng)力進(jìn)行了分析;周曉華,柳瑞清[7]對高溫下的幾種銅合金流變應(yīng)力也進(jìn)行了研究,但對于H65黃銅合金流變應(yīng)力的研究甚少。

本文采用Gleeble-1500熱模擬機(jī),結(jié)合連續(xù)擠壓工藝,制定工藝方案。在變形溫度為100℃ ～800℃和應(yīng)變速率為0. 01s- 1～ 1s- 1的變形條件下,對H65黃銅合金進(jìn)行了等溫?zé)釅嚎s實驗,通過對黃銅合金熱壓縮變形流變應(yīng)力與變形程度、應(yīng)變速率以及變形溫度之間關(guān)系的分析,建立其本構(gòu)方程,為合理制定黃銅合金熱變形工藝提供參考,以及為有限元數(shù)值模擬進(jìn)一步分析,提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)或數(shù)學(xué)模型。

1.實驗方法

采用Gleeble-1500熱模擬實驗機(jī)進(jìn)行圓柱體等溫壓縮實驗。試樣為Ф7mm× 13mm的圓柱體;壓縮溫度為100℃～ 800℃;由連續(xù)擠壓輪轉(zhuǎn)速確定應(yīng)變速率為0. 01s- 1～ 1. 0s- 1;總壓縮應(yīng)變量為0. 5。熱模擬實驗的升溫速率為200℃/min,保溫時間為3min。具體實驗方案為,溫度100℃ ～ 800℃,溫度間隔100℃,應(yīng)變速率分別為0. 01s- 1、0. 10s- 1和1. 0s- 1。H65黃銅合金的化學(xué)成分如表1。

2.結(jié)果與分析

圖1所示為H65黃銅合金在變形溫度為100℃～ 800℃ 、應(yīng)變速率為0. 01s- 1～ 1. 0s- 1熱壓縮條件下流變應(yīng)力曲線。

1)由圖1可知, H65黃銅合金的流變應(yīng)力隨試樣的變形程度的變化而呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。H65黃銅合金在低溫時(100℃、200℃)較脆,所以在應(yīng)變速率較大(0. 1s- 1、1. 0s- 1)時,試樣出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。其斷口形貌如圖2所示,其斷口沒有觀察到明顯的韌窩,而出現(xiàn)纖維組織,且壓縮時沿出現(xiàn)纖維組織處出現(xiàn)裂縫,證明H65黃銅低溫時韌性差易斷裂。

在壓縮變形初期,材料的流變應(yīng)力隨應(yīng)變量的增加而迅速增加,呈加工硬化趨勢,尤其是在變形溫度較低(300℃)時,流變應(yīng)力始終呈明顯上升趨勢;然后隨應(yīng)變量的繼續(xù)增大,由于再結(jié)晶產(chǎn)生軟化效應(yīng),此時流變應(yīng)力趨于平緩甚至呈下降趨勢,但下降不明顯,即軟化不明顯。

2)在恒定的應(yīng)變速率下,流變應(yīng)力隨變形溫度的升高而減小,而在同一應(yīng)變速率的較高溫度(400℃ ～ 600℃)時,流變應(yīng)力曲線出現(xiàn)峰值,而后又趨于平緩。這是因為在同一變形條件下,隨著形變的增加產(chǎn)生加工硬化,超過某一形變量后發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶軟化,當(dāng)軟化速率與硬化速率平衡時,流變應(yīng)力達(dá)到***大值;隨后隨著動態(tài)再結(jié)晶的進(jìn)行,軟化速率大于硬化速率,應(yīng)力逐漸下降;當(dāng)發(fā)生完

全動態(tài)再結(jié)晶后,其晶粒組織和流變應(yīng)力不隨形變量變化,即進(jìn)入穩(wěn)態(tài)變形階段[8]。當(dāng)溫度為700℃～ 800℃時,流變應(yīng)力曲線趨于平緩未出現(xiàn)峰值。這是因為隨著溫度的增加,黃銅合金金屬原子動能增加,原子振動幅度增加,使得更多位錯被激活,滑移系增多,從而改善了黃銅合金晶粒的相互協(xié)調(diào)性,使得材料塑性增加,合金強(qiáng)度降低[9]。

3)當(dāng)應(yīng)變速率較低( 0. 01s- 1)、形變量較小時,材料出現(xiàn)瞬間的屈服,軟化較明顯,隨后隨著形變量的增大,加工硬化占主導(dǎo)地位,使得其流變應(yīng)力增大,這種情況只發(fā)生在應(yīng)變速率較小時,這說明流變軟化在較大的應(yīng)變速率下,沒有足夠的時間發(fā)生充分的軟化;而在應(yīng)變速率較低時,材料在成形過程中有充分的時間進(jìn)行再結(jié)晶。

3.本構(gòu)方程的建立

3. 1應(yīng)變速率對流變應(yīng)力的影響

從圖3中看出,隨應(yīng)變速率的升高,合金的穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力增大,但并不是成比例增大。金屬材料熱變形過程中,在任何應(yīng)變或穩(wěn)態(tài)下的高溫流變應(yīng)力強(qiáng)烈地取決于變形溫度T和應(yīng)變速率,通常采用不同的數(shù)學(xué)模型———本構(gòu)方程來描述H65黃銅合金的高溫變形是一個熱激活過程,滿足Arrhenius關(guān)系[10-11]:

﹒ε= Aσ n·exp- QRT(1)

式中　A, n———均為與溫度無關(guān)的常數(shù)

　　　Q———熱激活能,反映材料熱變形的難易程度,是材料在熱變形過程中重要的力學(xué)性能參數(shù)

　　　T———絕對溫度

　　　R———氣體常數(shù)

　　　ε———應(yīng)變速率

大量研究表明,式(1)能較好地描述銅合金常規(guī)的熱加工變形,如壓縮、扭轉(zhuǎn)、擠壓等[12]。所以將式

(1)兩邊取對數(shù)整理得

lnσ= mln﹒ε+ mQRT- ln A (2)式中　m———應(yīng)變速率敏感指數(shù), m= 1/ n,

令B= mQRT- ln A ,當(dāng)T一定時,得m=  lnσ  ln﹒εT

(3)由于其應(yīng)力應(yīng)變曲線400℃ ～ 600℃出現(xiàn)峰值,而700℃ ～ 800℃趨于水平,所以400℃ ～ 600℃時流變應(yīng)力取其峰值應(yīng)力, 700℃ ～ 800℃時取其穩(wěn)態(tài)應(yīng)力;將不同變形溫度下黃銅合金變形時的流變應(yīng)力和應(yīng)變速率值代人式(3),繪制相應(yīng)的ln﹒ε-lnσ關(guān)系曲線,如圖4所示。圖4表明, H65黃銅合金高溫變形穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力和應(yīng)變速率的對數(shù)關(guān)系滿足線性關(guān)系。通過線性回歸,求出m和B值,由圖5可見,隨溫度的升高, m值減小,表明合金的變形抗力對應(yīng)變速率的敏感程度減小。

為提高H65黃銅合金有限元模擬的準(zhǔn)確性,故分段求得溫度400℃ ～ 600℃時斜率的平均值m=0. 143, n= 6. 993, 700℃ ～ 800℃時的m= 0. 0653,n= 15. 314;且求得每條直線的回歸相關(guān)系數(shù)在所有溫度下均超過0. 99。由此可以認(rèn)為, H65黃銅合金在高溫壓縮變形時的流變應(yīng)力-應(yīng)變速率關(guān)系滿足指數(shù)關(guān)系的形式。

3. 2溫度對流變應(yīng)力的影響

溫度的變化直接影響流變應(yīng)力的大小(見圖3)。溫度的變化還可能使合金在變形時發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶和動態(tài)回復(fù)等組織變化。由式(1)得

lnσ=QnRT+ln﹒εn-ln An(4)圖

式(4)表明lnσ和1/ T之間的線性關(guān)系。lnσ-1/T的曲線如圖6所示,分析表明,在不同的溫度區(qū)間,曲線具有不同的斜率,這與文獻(xiàn)[13-14]中的結(jié)果有所不同;線性回歸分別求得lnσ和1/ T斜率的平均值為, 400℃ ～ 600℃時k= 3290, 700℃ ～800℃時k= 2810,在恒應(yīng)變速率條件下變形時,假定一定溫度范圍內(nèi)熱激活能Q保持不變,則熱激活能Q由下式求得

Q= nR  lnσ  1/ T﹒ε(5)

4.金相組織觀察

經(jīng)計算,在不同的溫度區(qū)間得到不同的變形激活能,這與高溫變形時α相和β相的相對含量的變化有關(guān)。圖7為不同變形溫度的金相組織,可以觀察到H65黃銅400℃開始發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶, 600℃時動態(tài)再結(jié)晶結(jié)束,發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶后,晶粒得到細(xì)化,可以看到明顯的晶界(見圖7a、圖7b)。當(dāng)溫度達(dá)到700℃時,組織形貌明顯不同,開始從β相中析出針狀α相(見圖7c),隨著溫度的繼續(xù)升高,α相含量增大并以針狀均勻分布(見圖7d)。表現(xiàn)在曲線上的特征為, 400℃ ～ 600℃先出現(xiàn)峰值再趨于平穩(wěn),而700℃ ～ 800℃未出現(xiàn)明顯峰值,曲線趨于水平且流變應(yīng)力值減小。這合理地解釋了不同溫度區(qū)間具有不同的變形激活能的理論。同時,也充分證明了分段建立本構(gòu)方程的合理性與準(zhǔn)確性。分段建立的材料模型提高了有限元模擬的精度.

5.結(jié)論

1)在恒定的應(yīng)變速率下,流變應(yīng)力隨變形溫度的升高而減小,而在同一應(yīng)變速率的較高溫度

(400℃ ～ 600℃)時,真應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有明顯的峰值,溫度高于700℃時,真應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨于水平,變形機(jī)制為動態(tài)再結(jié)晶軟化。

2)用Arrhenius方程的指數(shù)形式能較好地描述H65黃銅合金高溫變形時的流變應(yīng)力行為,回歸相關(guān)系數(shù)在所有溫度下均超過0. 99。

3)應(yīng)力敏感指數(shù)隨溫度的升高而減小,在不同的溫度區(qū)間得到不同的變形激活能,在400℃ ～

600℃時Q= 191188J/mol,在700℃ ～ 800℃時Q=357599J/mol。激活能的大小與α相和β相的相對含量的變化有關(guān)。

來源：中國知網(wǎng)    作者：王延輝