2024铝基复合材料的超塑性变形行为研究.pdf

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1、 第 3 8卷 2 0 0 2年 6月 第 6期 6 2 1 6 2 4页 仓 扁 学 般 ACTA M ETlALLURGI CA SI NI CA V0 i 3 8 J u n 2 0 02 No 6 PP 6 21-6 2 4 S i C p 2 0 2 4铝基复合材料的超塑性变形行为研究 毕敬 肖伯律 马宗义 中国科学院金属研 究所，沈 阳 1 1 0 0 1 6】摘要 对经过热处理和冷轧后的体积分数为 1 7 尺寸为 3 5 m 的 S i C颗粒增强 2 0 2 4铝台金薄板在 7 5 3 8 5 3 K 范围 内进行r 超塑性实验研究 结果在8 1 3 K时 加_。s的变形速率下

2、获得r 2 5 9 的壤大延伸率 最大应力敏感系数为0 2 5 复合材 料的变 形激活能 值在 7 5 3 7 9 3 K范围由 为 1 4 4 k J mo l，在 8 l 3 8 5 3 K 内为2 0 2 k J to o 1 接 近纯 铝的晶格扩 散激 活能值 1 4 2 k J mo l复合橱料的变形机制主要为基体晶粒滑动机制 关键词铝基复合材料超塑性，粉末冶金 S i C 颗粒 中囝法分娄号T B 3 3 1 T G 1 1 3 2 文献标识码A 文章编号0 4 1 2 1 9 6 1(2 0 0 2)0 6 0 6 2 1 0 4 H I GH S TRAI N RATE S U

3、PERPLAS TI C DEF0RM AT1 0N BEHAV1 0R 0F P0W D ER M ETALLURG Y PR0CESS ED 1 7 S i C p 2 0 2 4 Al c 0 MP 0 s I T E 1 3 J mg，XI AO Bo l i i，M A Zo n g y i l a s t i t ut e o f Me t a】Re s e a r c h，The Chi n e s e Ac a d e my of S c i e n c e s S h e ny a ag l t 0 01 6 C o w r e s p o n d e n t：1 3 1 J

4、 i n g,p r o f e s s o r T e l：(o z 4)2 4 3 5 3 1 5 5 1 9 1，F a x：(o e 4)2 3 8 9 1 3 2 0 E-ma l：z i a o b l h o t m a i f c o 7 7 2 M a nu s c r i p t r e c ei v e d 2 0 0 2 0 3 2 7 ABS TRACT De f o r ma t i o n b e h a v i o r s o f h i g h s t r ain r a t e s u p e r p l a s t i c PM 1 7 S i Cp 2

5、0 2 4 Al f w i t h S i Cp s i z e o f 3 5 z m)c o mpo s i t e r o l l i ng s h e e t a f t e r h e a t t r e a t e d a nd c o l d r o l l i ng we r e i n v e s t i ga t e d i n t h e t e mp e r a t u r e r a n g e o f 7 5 3 K一 8 5 3 K A ma x i mt m 2 t e n s i l e e l o n g a t i o n o f 2 5 9 i s o

6、 b t a i n e d 8 1 3 K a n d a s t r a i n r a t e o f l 0一 s 一 The i ns x i l l l n l n v a l u e o f s t r a i n r a t e s e ns i t i v i t y 1 1 1 i S 0 2 5，The a c t i v a t i o n e n e r g y i s 1 4 4 k J mo l a n d 2 0 2 k J 1 1 1 0 l i n t h e t e mp e r a t n r e r a n g e o f 7 5 3 7 9 3 K

7、a n d 8 1 3 8 5 3 K r e s e p e c t i v e I v,c l o s e d t o t h a t o f l a t t i c e d i 肌 s i o n i n p u r e a l u mi n u m f 1 4 2 k J m o l 1 T h e d e f o r ma t i o n n l e c h a I l i s m o f c o mpo s i t e i s g r ain bo u n da r y s l i d i ng o f ma t r i x K EY W oR D S alu mi n um ma

8、 t r ix c o mpo s i t e s u p e r p l a s t i c i t y、po wde r me t a l l u r g y S i C pa r t i c ul a t e 颗粒增强铝基复合材料具有高 比强度、比刚度和弹陛 模量，在工程应用方面有着很好的前景但由于陶瓷颗粒 的加入使得复台材料的塑性与基体相比较差 这给复合材 料的塑性加工带来困难 超塑性成型技术为复合材料的塑 性加工提供了机会过去二十年中，研究者们对颗粒增强 铝基复合材料的超塑性变形行为进行了大量研究【。_ 结果表明，粉末冶金方法制备的铝基复台材料在较高的应 变速率(1 0 1 0 S

9、)下可获得最高达 1 0 0 0 的延 伸率【这为实际生产提供了可喜的事实证据和有利 的理论基础超塑性成型是一种近终型成型技术，经超塑 性变形后的材料没有能量储存，日此没有残余应力，具有 收到初稿 日期：2 0 0 2 0 3 2 7 联系人 毕敬，男，1 9 4 4年生，研究员 抗腐蚀和尺寸形状稳定的优点但热处理会破坏这种平衡 状态，比如薄板等零件极易在淬火过程中 变形，使之不易 甚至无法校正或者留下残余应力 为材料使用带来不利影 响 如何使金属基复台材料的超塑性变形与其成型后的热 处理制度相结台，在材料的设计和热处理的工艺探索上将 有十分重要的应用研究价值但迄今为止，关于这方面的 研究还未

10、见报道 本 文 对 使 用粉 末 冶 金 法 制 备 并 经 热 处 理 后 的 S i C p 2 0 2 4铝基复台材料轧制板材在 7 5 3-8 5 3 K 温 度内进行了超塑性实验，并对其变形行为进行了探讨，以 期了解制备工 艺过程对复台材料板材超塑性变形的影响 特征 1 实验方法 实验材料为体积分数为 1 7 、尺寸为 3 5 m 的 S i C 颗粒增强 2 0 2 4铝台金采用粉未冶金法制备 将尺寸为 维普资讯 http:/ 6 2 2 金属学报 3 0 p m 的 2 0 2 4合金粉末和体积百分比为 1，尺寸为 3 5 m S i C粒子共同在双轴混料机中机械混合 8 h后冷

11、 压实、经除气处理真空热压成复合材料锭在 7 3 3 K 下 以 1 6：1的挤压比热挤压成板坯然后在 7 5 3 K 温度下进 行热轧，每次的轧制变形量为 6 一 1 0，每琥轧制之间 退火保温 1 5 rai n以消除应力防止开裂热轧 变彤量为 9 0 将热轧板进行固溶处理后立即进行冷轧，复合材料 在冷轧过程中进行自然时效冷轧 变形量为 l 5 最终 板材厚度为 1 mm 沿轧制方向加工拉伸试样，即拉伸轴 线与轧制方向相同在 7 5 3 8 5 3 K温度范围内进行拉伸 试验，应变速率范围为 l 0-l 0 一 S，通过控制夹头移动 速率实现温度由三段热电偶监控，试样温度变化范围在 1 K

12、 范围内延轧制方向使用 MEF 3光学显徽镜观察复 合材料微观组织，试样用 Ke l l e r试剂腐蚀 2 实验结果与讨论 2 1 微观结构观察 图 1 所示为 S i C p复合材料经轧制热处理后的光学组 织由图可见，S i C颗粒分布均匀，基体合金晶粒基本都 为较细的等轴晶粒，尺寸在 2,1 1 1 左右，这为进行超塑性 变形提供 了有利条件 复合材料在热轧过程中不断的 进行塑性变形，在随后的退火加热保温过程和热处理过程 中将产生动态再结晶，使小角度亚晶界和轧制所形成的纤 维组织中被拉长的晶粒演变成人角度晶界和等轴晶粒因 此，复合材料的微观结构是比较稳定的，用激活能来分析 复合材料的超塑

13、性变形行为将是适当和准确的【J 圉 1 S 0 p 2 0 2 4铝复合材料的嵩观组纽 Fi g 1 Mi c r o g r a p h o f S i C p 2 0 2 4 A】c o mp o s i t e 2 2 超塑性拉伸结果 图 2是复合材料在不l爿应变速率下的延伸率和温度 的关系曲线在本实验条件下，复合材料板材在 8 1 3 K 和 1 0 s的应变速率下获得 2 5 9 的最高延伸率如 图 2所示 在 8 5 3 K 的温度下复合材料的延伸率仍然保 持在 2 5 6 左右，这些温度高于 2 0 2 4合金的固相线温度(7 8 0 K)这与 N i e h等人 Is,9 和

14、Ma b u c h i 等人【u】的 图 2延伸率和温度的关系 Fi g、2 Va r a t ion o f e l o ng a t i o n t c f ai l ur e w i t h t e m pe r at ur e T emp e r a t u r e K 图 3流变应力与应变速率关系 Fi g 3 at a t o n o f flo w s t r s wi t h s t r a i n r a t e 观点一致即适量的液帽出现在高应变速率变形过程中可 以松弛应力集中防止孑 L 洞形核若温度继续增加，由l丁过 多的液相出现会使延伸率急剧下降 l l g j 从图

15、2还 可以发现，目前实验所显示的最高超塑性 延伸率所对应的应变速率并不一定是最佳应变速率这一 点可以通过分析应变速率敏感系数 m 来证明图 3所示 为复音材料拉伸过程的流变应力(取真应变 0 1时对应 值)与应变速率关系 由此可计算出 m 的数值并表示在图 3中 很明显本实验中所得到的最大 m 值仅为 0 2 5 而一 般超塑性变形过程中 m 的值应至少在 0 3 0 5 之间以避 免颈缩出现而达到最大的延伸率这有可能是因为复合材 料扳材经过玲轧变形后，在基体合金中留下了 大量位错和 畸变能，在超塑性变形的高温环境下发生再结晶形核，而 0 ，ll s _苎 缸 o 0 0 0 鲫 维普资讯 h

16、ttp:/ 6期 毕敬等：S i C p 2 0 2 4 铝基复合材料的超塑性变形行为研究 6 2 3 且由于基体中大量 S i C 颗粒的存在有效地阻止了再结晶 晶粒的长大，因此使晶粒变得更加细小 可见，本实验中的 复合材料有可能在更高的应变速率下获得更大延伸率 图 4所示为 1 7 S i C p 2 0 2 4复合材料板材在超塑性 流动过程中流变应力随真应变而变化的关系由图可见，在 7 5 3 8 l 3 K 的范围内和各应变速率下，复合材料均为 先应变强化而后应变软化直至断裂应注意的是，7 5 3 K 时复合材料的软化过程很短，随温度增加，软化过程逐 渐变长 当温度进一步 增加时(如图

17、4 d)，软化过程逐渐消 失而最大流动应力减小这可能是由以下原因引起的：在 温度较低时 f 7 5 3 K)，由于超塑性拉伸的加热和保温时间 很短，因此复合材料基体中的弥散强化质点未充分溶解，位错运动将受到阻碍，同时。基体与增强颗粒的结合界面 强度较高，S i C颗粒能够起到强化作用 此外，在变形过 程中再结晶和回复不完全、因此复合材料显示出明显的应 变强化过程，而应变软化刚不明显，如图 4 a所示当温度 升高时(7 7 3和 7 9 3 K)，复合材料基体中的沉淀强化相有 可能开始溶解和颗粒与基体的结合强度下降，致使界面失 去传递载荷的作用，而且再结晶在较高温度下进行相对完 全，并由于部分渡

18、相的出现使变形产生的应力集中得到橙 弛，因而复合材料的应变强化现象逐斯变弱而应变软化过 程变明显，如图 4 b，c 当温度进一步增加(8 1 3 K)时，形 变回复形成的亚品粒和基体中的原始晶粒长大较快，又使 复合材料产生应变强化，而应变软化过程缩短，如图 4 d 仔细观察图 3可以发现，流变应力随着应变速率的 减小而减小的速率逐渐变慢 这预示门槛应力的存在【J 即超塑性变形行为可用以下连续性幂率方程描述 b A D。()e x p(一 羔)式中，J4为材料常数：Du为扩散系数常数项；b为 B u r g e r s矢量：d为晶粒K寸；P是晶粒尺寸系数，一 般为 2：0_为门槛应力，E 为受温

19、度影响的 Yo m a g s 模 量 n是真应力因子；q为真实激活能；R为广义气体 常数：T为绝对温度真应力固子的值一般为 1，2，3 5 8，分别代表 Ne w t o n粘滞流动、晶粒滑动、溶质原子控制 的蠕变、位错攀移蠕变(品格扩散控制)、结构不变蠕变 机制将所得到的实验数据点放进以 o-和 为轴的坐 标中并取不l司的 值，若这些数据点能拟合成直线就说 明其对应的 n值为真应力因子 并可以外推直线至应 变速率 为 0处得到门褴应力值由此可得到=2，如图 5所示说明复合材料的超塑性变形机制是基体合金的晶 围 4 同温度 r流变应力和真应变关景 Fi g 4 Va r i a t i o

20、n of且0 w s t r e s s wi t h t r u e s t r ai n l 1 0一I s 一1 0l O 一 s 一 r l 1 0一 s 一，1 1 0 一。s 一 )(B)7 5 3 K (b)7 7 3 K (c)7 9 3 K (d)8 1 3 K 维普资讯 http:/ 6 2 4 金属学报 圉 5 和 的关系 Fi g 5 Re a t i o n s h i p b e t we e n d a n d ，”f n=2)粒滑动机制 温度对超塑性变形的影响如图 6所示，在有效应力 为 2 MP a时计算出变形激活能值如下：在 3 7 9 3 K 范围内为 1

21、 4 4 k J r n o l 十分接近纯铝的晶格扩散激活能(1 4 2 k J mo 1)而在接近基体台金固相线 7 8 0 K 的温度 圉 6复合材料在有效应力为 2 MP a时的变形融活能 F i g 6 Tr u e ac t i v a t i on e n e r g y a t a c o ns t a n t e ff ec t i v e s t r e s s 0f 2 M Pa (7 9 3 K)时，复合材料的激活能发生了较为显著的变化 随温度升高至 8 1 3 8 5 3 K范围内时达到了2 0 2 k J too l 这一变化是由于液相的产生使基体合金发生软化所致

22、与 文献 r 6，8 1 中的报道类似另外，本实验结果得到的激活 能值低于其他研究者得到的结果 1 0-1 2】这可能是 由于 以下几个原因弓 起的：f 1)在固溶处理后进行冷轧同时 自然时效，造成了高密度的位错，在较短的超塑性变形过 程中来不及完全回复，仍对基体合金有一定的强化作用；(2)时效所形成的弥散强化质 在较短的超塑性形变过程 中来不及溶解，依然能阻碍位错运动及原子的快速扩散，因此，对基体仍有强化作用，从而降低丁复合材料的激活 能值 3 结论(1)对经过热处理和冷轧的板材进行超塑性实验，在 8 1 3K和 1 0 s 应变速率下获得 2 5 9 的延伸率最 大应力敏感系数为 0 2

23、5 f 2)复合材料的真应力因子值为 2 代表复合材料的 超塑性变形机制为晶粒滑动机制(3】复台材料变形激活能值在 7 5 3 7 9 3 K范围内为 1 4 4 k J mo 1 在 8 1 3 8 5 3 K 范围内为 2 0 2 k J mo 1 十 分接近纯铝的晶格扩散激活能 参考文献 1 1 H a rt B Q，C h a n K C S e tMa t e r 1 9 9 7 1 3 6：5 9 3 2 J e ong H G Hi r a ga K Cho H SK i m M S M a t e r Le t t，2 0 0 0，4 5：8 6 3 _3 C h a n K

24、C、T o n gG Q Ma t e r L e t t，2 0 0 1；5 1：3 8 9 4 J gHG Hi r a g aK，K i m M S Ma t e r L c t t，2 9 0 1；4 8：2 1 9 5 1 Ki m W J Ku m D W J e o n g H G JMa t e r T i e s l 2 0 0 1；1 6：24 2 9 l 6 6 L a n g d o n T G Ma t e r T r a r J I M 1 9 9 9；4 0：7 1 6 7 1 Todd R I M a t e r t Te c hno t 20 D O i 1

25、6：1 28 7 8 N i e h T G、a d s w o r t h J Ma t e r t E n g、1 9 9 1；1 4 7：1 2 9 【N i e h T G H e n s h M C A l V a d s w o r t h J S c r Me t a l l 1 9 8 4 1 1 8：1 40 5 1 0 1 H u a n g J C F uH C L o u B Y L e e H L S c rMa t e r，1 9 9 8，3 9：9 5 1 1】Ma b u c h i M H i g a s h i K S c r Ma t e 1 9 9 6；3 4：1 8 9 3 1 2 1 Ki m W J，Y e o n J H S h i nD H，Ho n g SH Ma t e rtE n g，1 9 9 9；2 69 A：1 42 维普资讯 http:/