氧化夹杂对铝合金动态再结晶行为的影响

氧化夹杂对铝合金动态再结晶行为的影响

125铝合金具有许多优良的性能。铝箔坯料1235铝合金主要用于生产烟铝箔、铝箔器皿和铝箔复合蒸煮袋等产品,产品具有无毒、卫生、高柔软性、防潮性等优点。然而1235铝箔的成品率很低,氧化夹杂对最终产品的质量起了重要影响,然而目前研究针对氧化夹杂影响1235铝合金热变形行为以及所造成的缺陷尚少。金属热压缩变形是一个加工硬化和动态再结晶软化同时存在并相互作用的复杂过程,动态再结晶开始和进行时,加工硬化并没有停止。动态再结晶分数难以用定量金相法进行测定。本文通过热模拟试验与不同的熔体净化处理,对1235铝合金的动态再结晶进行研究,建立动态再结晶数学模型,分析含杂量对动态再结晶的影响规律,以期为进一步研究热塑性变形的数值模拟提供准确的数学模型。1热/力模拟实验试验材料为铝箔坯料1235铝合金,主要成分如表1所列。对1235铝合金进行常规精炼处理与高效熔体净化处理(熔剂冲洗法测得的含杂量见表2),对选取的铸锭进行均匀化退火处理。退火温度为560℃,保温时间为13h,空冷。从均匀化处理(560℃×13h)后的铝箔坯料上切取样品,加工成ue78810mm×12mm的圆柱形热压缩试样。在Geeble-1500型动态热/力模拟实验机上进行轴对称等温热压缩实验(变形量50%,变形温度分别为300、350、400、450和500℃,应变速率分别为0.01、0.1、1和10s-1)。在热压缩过程中实时采集温度、位移、真应力、真应变等参数的实际变化值。2试验结果与分析2.1热加工过程中的应力-应变变化规律一般认为对于铝及其合金,由于其层错能高,位错不易扩展,产生交滑移所需的激活能小,所以铝合金在变形过程中位错易于束集而进行交滑移。因此通常认为铝合金在热变形过程中易于发生动态回复,而不易发生动态再结晶。但通过对1235铝合金的试验所获得的流变应力曲线特征分析可见,在各种热变形条件下均发生了一定程度的动态再结晶。根据热压缩试验数据得出热压缩过程中经不同净化处理1235铝合金的应力—应变曲线,如图1所示,图1(a)、1(b)为未处理,1(c)、1(d)为经常规精炼处理,1(e)、1(f)为经高效净化处理1235铝合金的应力-应变曲线。由图1可以看出,1235铝合金在热压缩过程中,各流变应力曲线上均存在应力峰值,峰值前流变应力随应变量的增加而增大,表现为加工硬化特征。加工硬化速率随着变形量的增大而减小,而在峰值后流变应力随变形量的增大而降低,表现为动态软化特征。随着热压缩的继续进行,流变应力随应变量的增大基本保持不变,表现为稳态流变特征。此外,变形温度越高,同一应变值对应的应力值越低,峰值应力向应变量减小的方向移动(图1a)。应变速率越高,同一应变值对应的应力值则越高(图1b)。故经高效净化处理1235铝合金在热压缩变形过程中存在稳态流变特征,流变应力值高,有较好的塑韧性,热加工性能好。流变应力曲线上的峰值应变εp可由应力-应变曲线上的峰值应力对应的应变得到,而动态再结晶临界应变εc则可由εc=(0.6~0.85)εp计算得到。文中取εc=0.8εp。动态再结晶完成后的稳态应变εs采用加工硬化率θ与应变ε的关系确定。由流变应力-应变曲线数据可计算出对应于各应变的加工硬化率:在动态再结晶模型中,可以把θ第一次恢复到0值时的ε作为稳态应变εs。由此可以得到不同变形条件下的三个特征值:峰值应变εp,动态再结晶临界应变εc,动态再结晶完成后的稳态应变εs。2.2动态再结晶体中n和系数b的关系动态再结晶动力学模型一般采用Johnson-MehlAvrami(JMA)方程,即:其中,n和b为Avrami系数。Avrami系数n和系数b在不同的变形条件时不是一个常数,而是与变形参数有关。Johnson-Mehl-Avrami方程应写为:式中f—动态再结晶体积分数,%;b和n—变形参数Z的函数。假定达到临界应变εc时,再结晶分数为0.5%,稳态应变εs对应的再结晶分数为99%,则由式(3)中可求出:由式(4)和式(5)可化简得:对于一定的变形条件可以求出方程(3)的系数n(Z)、b(Z),见表3。2.3预报值与所测值的比较动态再结晶体积分数Xdyn与变形条件的关系一般采用Avrami方程来表示,即:式中k,m-取决于变形材料的常数;εc-动态再结晶临界应变;εp-峰值应变。用回归统计分析软件SPSS对式(8)进行非线性回归,得到方程式(8)的系数见表4。根据得到的动态再结晶动力学方程和动态再结晶体积分数公式进行计算,将求得的数据绘出经不同处理1235铝合金在不同变形条件下的动态再结晶体积分数的实测值和预报值的比较见图2。动态再结晶体积分数式非线性回归得到的相关系数高达0.92,相关性较高。由图2可知,经高效净化处理1235铝合金的动态再结晶体积分数的实测值和预报值十分相近且曲线特征一致,曲线的形状呈“S”形。随着变形温度的升高(见图2a、2b和2c),曲线向左移动且斜率增大。此时,1235铝合金动态再结晶的临界应变减小,能较快地发生动态再结晶,再结晶体积分数增大。在较高的应变速率条件下,材料内部的再结晶晶粒没有充分的时间形核和长大,在同等变形条件下的动态再结晶体积分数相对较低(见图2b和2d)。比较经不同净化处理1235铝合金的动态再结晶动力学曲线,如图3所示。由图可知,1235铝合金的动态再结晶体积分数的实测值和预报值曲线特征基本一致,即3种不同含杂量的1235铝合金在相同热变形条件(6)ε=0.1s-1,t=400℃)下,真应变小于0.1时几乎同时发生动态再结晶。随着应变的增加,再结晶体积分数呈“S”形曲线上升,在同一真应变下,未处理的1235铝合金表现出较大的动态再结晶体积分数,经高效净化处理的则最低。因此,在一定热变形条件下,含杂量越高,热压缩时产生动态再结晶的速度加快,较快地完成晶粒的重组与组织的演变,含杂量越低,发生动态再结晶的速度较慢。当真应变大于0.45时,动态再结晶体积分数十分接近,此时的组织演化缓慢。2.4晶体结构及尺寸图4为经不同净化处理1235铝合金的动态再结晶组织。试验发现,1235铝合金热变形过程中发生动态再结晶的现象明显。在热变形条件(ε6)=0.1s-1,t=400℃)下,形成的动态再结晶组织中,未处理的再结晶晶粒粗大,分布不均匀,存在个别粗大的大晶粒。经高效处理的1235铝合金再结晶晶粒细小且均匀。1235铝合金的不溶性夹杂物主要是Al2O3,试验中采用截线法测得的三种不同净化处理1235铝合金的氧化夹杂的平均尺寸分别为未处理54.6μm,常规精炼37.0μm和高效净化24.0μm。较大的夹杂物周围位错密度很低,位错束集形成了清晰平直的大角度晶界,动态再结晶进行得比较完全。动态再结晶包括形核和长大两部分。在热变形过程中,氧化夹杂使晶格变形而形成晶格畸变,释放出的晶格畸变能使变形储存能较大,为动态再结晶形核提供了有利的能量条件。对于未经净化处理的1235铝合金,杂质含量高、尺寸大,则形核部位少,长大速率大,故再结晶晶粒尺寸大。而对于经净化处理的合金,一方面杂质含量变少,另一方面杂质的尺寸变小,分布均匀,对变形及位错的滑移同样存在阻碍作用,则再结晶的形核部位增多,而相对而言长大速率较小,因此经净化处理的1235铝合金的再结晶晶粒尺寸小。研究表明,再结晶动力学方程可以间接反映出1235铝合金热压缩过程的动态再结晶行为,氧化夹杂对动态再结晶行为的影响明显。3动态再结晶的工艺计算1)1235铝合金在各种热变形条件下均发生了一定程度的动态再结晶。动态再结晶体积分数的实测值和预报值十分相近,由非线性回归得到的相关系数高达0