发布时间：2021-05-31点击：2835
摘要:为实现H65黄铜合金连续挤压的数值模拟和合理制定其热成形工艺参数,采用Gleeble-1500热模拟实验机对该材料在热变形条件下的流变应力特征进行了研究。。 。。 。结果表明,在实验范围内, H65黄铜合金热压缩变形时发生明显的动态再结晶;用Arrhenius方程的指数形式能较好地描述H65黄铜合金高温变形时的流变应力行为;分区间求得热变形激活能Q,并分段建立了H65黄铜合金的本构方程。。 。。 。
关键词: H65黄铜合金;流变应力;本构方程;热模拟机;连续挤压
中图分类号: TG146. 1+ 1; TG113. 25 文献标识码: A 文章编号: 1007-2012(2008) 06-0113-05
引言
目前,在国内有色金属加工行业,大多数厂家采用水平连铸法生产黄铜杆。。 。。 。而采用连续挤压方法生产黄铜线材相对很少。。 。。 。连续挤压方法工艺简单,既能节省能耗,降低成本,又能一次性成形,这些的优点使得它在黄铜线的生产中蕴藏巨大的潜力。。 。。 。但由于黄铜合金变形温度高、变形抗力大、高温氧化性强,黄铜合金连续挤压技术在塑性变形机理、工艺参数等方面还有待进一步研究.
金属热变形流变应力是材料在高温下的基本性能之一,不仅受变形温度、变形程度、应变速率及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,因此,近年国内外在这方面的研究十分活跃[1-5]。。 。。 。张红钢等[6]对KFC铜合金热压缩变形流
变应力进行了分析;周晓华,柳瑞清[7]对高温下的几种铜合金流变应力也进行了研究,但对于H65黄铜合金流变应力的研究甚少。。 。。 。
本文采用Gleeble-1500热模拟机,结合连续挤压工艺,制定工艺方案。。 。。 。在变形温度为100℃ ～800℃和应变速率为0. 01s- 1～ 1s- 1的变形条件下,对H65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关系的分析,建立其本构方程,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.实验方法
采用Gleeble-1500热模拟实验机进行圆柱体等温压缩实验。。 。。 。试样为Ф7mm× 13mm的圆柱体;压缩温度为100℃～ 800℃;由连续挤压轮转速确定应变速率为0. 01s- 1～ 1. 0s- 1;总压缩应变量为0. 5。。 。。 。热模拟实验的升温速率为200℃/min,保温时间为3min。。 。。 。具体实验方案为,温度100℃ ～ 800℃,温度间隔100℃,应变速率分别为0. 01s- 1、0. 10s- 1和1. 0s- 1。。 。。 。H65黄铜合金的化学成分如表1。。 。。 。
2.结果与分析
图1所示为H65黄铜合金在变形温度为100℃～ 800℃ 、应变速率为0. 01s- 1～ 1. 0s- 1热压缩条件下流变应力曲线。。 。。 。
1)由图1可知, H65黄铜合金的流变应力随试样的变形程度的变化而呈现出不同的变化趋势。。 。。 。H65黄铜合金在低温时(100℃、200℃)较脆,所以在应变速率较大(0. 1s- 1、1. 0s- 1)时,试样出现断裂现象。。 。。 。其断口形貌如图2所示,其断口没有观察到明显的韧窝,而出现纤维组织,且压缩时沿出现纤维组织处出现裂缝,证明H65黄铜低温时韧性差易断裂。。 。。 。
在压缩变形初期,材料的流变应力随应变量的增加而迅速增加,呈加工硬化趋势,尤其是在变形温度较低(300℃)时,流变应力始终呈明显上升趋势;然后随应变量的继续增大,由于再结晶产生软化效应,此时流变应力趋于平缓甚至呈下降趋势,但下降不明显,即软化不明显。。 。。 。
2)在恒定的应变速率下,流变应力随变形温度的升高而减小,而在同一应变速率的较高温度(400℃ ～ 600℃)时,流变应力曲线出现峰值,而后又趋于平缓。。 。。 。这是因为在同一变形条件下,随着形变的增加产生加工硬化,超过某一形变量后发生动态再结晶软化,当软化速率与硬化速率平衡时,流变应力达到***大值;随后随着动态再结晶的进行,软化速率大于硬化速率,应力逐渐下降;当发生完
全动态再结晶后,其晶粒组织和流变应力不随形变量变化,即进入稳态变形阶段[8]。。 。。 。当温度为700℃～ 800℃时,流变应力曲线趋于平缓未出现峰值。。 。。 。这是因为随着温度的增加,黄铜合金金属原子动能增加,原子振动幅度增加,使得更多位错被激活,滑移系增多,从而改善了黄铜合金晶粒的相互协调性,使得材料塑性增加,合金强度降低[9]。。 。。 。
3)当应变速率较低( 0. 01s- 1)、形变量较小时,材料出现瞬间的屈服,软化较明显,随后随着形变量的增大,加工硬化占主导地位,使得其流变应力增大,这种情况只发生在应变速率较小时,这说明流变软化在较大的应变速率下,没有足够的时间发生充分的软化;而在应变速率较低时,材料在成形过程中有充分的时间进行再结晶。。 。。 。
3.本构方程的建立
3. 1应变速率对流变应力的影响
从图3中看出,随应变速率的升高,合金的稳态流变应力增大,但并不是成比例增大。。 。。 。金属材料热变形过程中,在任何应变或稳态下的高温流变应力强烈地取决于变形温度T和应变速率,通常采用不同的数学模型———本构方程来描述H65黄铜合金的高温变形是一个热激活过程,满足Arrhenius关系[10-11]:
﹒ε= Aσ n·exp- QRT(1)
式中 A, n———均为与温度无关的常数
Q———热激活能,反映材料热变形的难易程度,是材料在热变形过程中重要的力学性能参数
T———绝对温度
R———气体常数
ε———应变速率
大量研究表明,式(1)能较好地描述铜合金常规的热加工变形,如压缩、扭转、挤压等[12]。。 。。 。所以将式
(1)两边取对数整理得
lnσ= mln﹒ε+ mQRT- ln A (2)式中 m———应变速率敏感指数, m= 1/ n,
令B= mQRT- ln A ,当T一定时,得m= lnσ ln﹒εT
(3)由于其应力应变曲线400℃ ～ 600℃出现峰值,而700℃ ～ 800℃趋于水平,所以400℃ ～ 600℃时流变应力取其峰值应力, 700℃ ～ 800℃时取其稳态应力;将不同变形温度下黄铜合金变形时的流变应力和应变速率值代人式(3),绘制相应的ln﹒ε-lnσ关系曲线,如图4所示。。 。。 。图4表明, H65黄铜合金高温变形稳态流变应力和应变速率的对数关系满足线性关系。。 。。 。通过线性回归,求出m和B值,由图5可见,随温度的升高, m值减小,表明合金的变形抗力对应变速率的敏感程度减小。。 。。 。
为提高H65黄铜合金有限元模拟的准确性,故分段求得温度400℃ ～ 600℃时斜率的平均值m=0. 143, n= 6. 993, 700℃ ～ 800℃时的m= 0. 0653,n= 15. 314;且求得每条直线的回归相关系数在所有温度下均超过0. 99。。 。。 。由此可以认为, H65黄铜合金在高温压缩变形时的流变应力-应变速率关系满足指数关系的形式。。 。。 。
3. 2温度对流变应力的影响
温度的变化直接影响流变应力的大小(见图3)。。 。。 。温度的变化还可能使合金在变形时发生动态再结晶和动态回复等组织变化。。 。。 。由式(1)得
lnσ=QnRT+ln﹒εn-ln An(4)图
式(4)表明lnσ和1/ T之间的线性关系。。 。。 。lnσ-1/T的曲线如图6所示,分析表明,在不同的温度区间,曲线具有不同的斜率,这与文献[13-14]中的结果有所不同;线性回归分别求得lnσ和1/ T斜率的平均值为, 400℃ ～ 600℃时k= 3290, 700℃ ～800℃时k= 2810,在恒应变速率条件下变形时,假定一定温度范围内热激活能Q保持不变,则热激活能Q由下式求得
Q= nR lnσ 1/ T﹒ε(5)
4.金相组织观察
经计算,在不同的温度区间得到不同的变形激活能,这与高温变形时α相和β相的相对含量的变化有关。。 。。 。图7为不同变形温度的金相组织,可以观察到H65黄铜400℃开始发生动态再结晶, 600℃时动态再结晶结束,发生动态再结晶后,晶粒得到细化,可以看到明显的晶界(见图7a、图7b)。。 。。 。当温度达到700℃时,组织形貌明显不同,开始从β相中析出针状α相(见图7c),随着温度的继续升高,α相含量增大并以针状均匀分布(见图7d)。。 。。 。表现在曲线上的特征为, 400℃ ～ 600℃先出现峰值再趋于平稳,而700℃ ～ 800℃未出现明显峰值,曲线趋于水平且流变应力值减小。。 。。 。这合理地解释了不同温度区间具有不同的变形激活能的理论。。 。。 。同时,也充分证明了分段建立本构方程的合理性与准确性。。 。。 。分段建立的材料模型提高了有限元模拟的精度.
5.结论
1)在恒定的应变速率下,流变应力随变形温度的升高而减小,而在同一应变速率的较高温度
(400℃ ～ 600℃)时,真应力-应变曲线具有明显的峰值,温度高于700℃时,真应力-应变曲线趋于水平,变形机制为动态再结晶软化。。 。。 。
2)用Arrhenius方程的指数形式能较好地描述H65黄铜合金高温变形时的流变应力行为,回归相关系数在所有温度下均超过0. 99。。 。。 。
3)应力敏感指数随温度的升高而减小,在不同的温度区间得到不同的变形激活能,在400℃ ～
600℃时Q= 191188J/mol,在700℃ ～ 800℃时Q=357599J/mol。。 。。 。激活能的大小与α相和β相的相对含量的变化有关。。 。。 。
来源：中国知网 作者：王延辉
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