一种喷射成形7055铝合金热塑性变形过程本构方程及微观组织演变模型的建立方法

摘要

一种喷射成形7055铝合金热塑性变形过程本构方程及微观组织演变模型的建立方法，对材料进行测试，根据热变形过程中的位错密度与应变关系公式和泰勒公式推导出动态回复阶段的流动应力本构关系基本模型，将数据代入到公式中以得到各待定参数即lnZ的数值，步骤四根据ST对应力函数进行分段，得到最终的本构方程；本发明的有益效果为：将喷射成形高强铝合金7055的宏观流变行为与热变形过程中的硬化及软化物理机制相结合，根据微观组织实验分析确定了动态再结晶发生的临界热力学阈值，提出了新的描述材料复杂流变行为的模型，较好解决了该材料动态再结晶条件性发生、再结晶不完全的难题，为该材料的热变形过程流动变形及组织转变行为的预测及控制创造了条件。

说明书

技术领域

本发明涉及喷射成形7055铝合金锭坯热塑性变形程的本构方程及微观组织演变模型的建立方法。

背景技术

高强铝合金7055是航空航天领域重要的结构材料，其合金化程度高、微观组织结构多样，严格控制热加工工艺及热处理制度是使其获得优异综合力学性能的关键。由于具有较高的层错能，7055铝合金在热变形过程中普遍存在动态再结晶不完全，二次相动态析出等复杂的晶变、相变行为，并且该过程深受热、力加工工艺参数的影响，进而导致材料的高温流变行为及组织演化过程十分复杂。通过合理的热、力加工工艺来改善其微观组织及力学性能十分重要。

铝合金材料热变形过程中所表现出来的宏观流动行为本质上是对微观组织变化的客观反映。喷射成形7055铝合金相比于传统铸造制备工艺具有晶粒细小、组织均匀、宏观偏析少等优点，但同时，一定程度的孔隙率则对材料性能产生消极影响。研究该材料初始特征状态下的高温塑性流变行为，构建能够反映其微观组织演化物理机制的本构模型，对在后续热加工过程中微观组织及质量控制具有十分重要的工程现实意义。目前，针对喷射成形7055铝合金热塑性变形过程本构方程的一些模型研究仍基于低层错能金属非连续动态再结晶物理机制的建模思路，因而难以有效反映真实的微观组织演化规律，模型应用的准确性及可靠性具有局限性。另外，针对该材料在较高应变速率条件下(10～20s

结合目前铝合金热变形软化机制的相关理论，对喷射成形7055铝合金高温塑性变形条件下流变行为的物理实验数据分析表明，该材料热变形过程中的软化机制主要以动态回复为主。同时，在特定的热力条件下将发生较为明显的动态再结晶软化行为，具体表现在流动应力随应变的增加而显著降低，当达到某一下限值时，流动应力又逐渐随应变的增加而缓慢升高并超过了先前的应力峰值，这表明动态再结晶后的组织又重新出现了缓慢的硬化现象，直到重新平衡。上述的流动应力特征与一般金属塑性材料的流变行为区别明显。不同于传统动态再结晶晶粒的形核和长大过程，喷射成形7055铝合金热变形过程中的动态再结晶机制是通过回复、多边形化、亚晶形成及长大等过程进行，并且动态再结晶的发生需要满足一定的热力条件，复杂的微观组织演变行为显著增加了对该材料流变应力响应的预测难度。因此，构建能够反映该材料热塑性变形过程物理机制及真实流动变形行为的本构方程，进而为该材料在热加工工艺优化、组织预测及控制、热加工数值模拟等方面的有效开展提供理论支撑与应用基础具有十分重要的现实意义。

发明内容

本发明提出了一种用于喷射成形7055铝合金热塑性变形过程本构方程及微观组织演变模型的建立方法，可较好解决该材料在中、高应变速率下，复杂微观组织演变所引起的流动应力响应行为。

一种用于喷射成形7055铝合金热塑性变形过程本构方程及微观组织演变模型的建立方法，包括如下步骤：

1)、对初始平均晶粒尺寸为D

2)、根据位错密度模型与应变关系(公式1)及泰勒公式(公式2)，可推导出加工硬化与动态回复软化协同作用下的流动应力σ

式中σ

公式3可以进一步整理为：

根据再结晶的动力学方程，并基于动态再结晶体积分数的变化与流动应力软化程度关系，可定义动态再结晶阶段的流动应力σ

式中σ

以上公式中的σ

X＝kZ

X＝asinh

式中&为应变速率，Q

3)、根据对不同热力参数条件下，热等温恒应变速率压缩试样的微观组织分析结果，确定动态再结晶发生的临界热加工条件，并采用lnZ函数做为判据。当材料的lnZ小于等于某一临界值时，则材料有发生动态再结晶软化行为的可能；而当材料的lnZ大于该临界值时，材料将只发生动态回复软化行为，其流动应力本构计算方程为σ

4)、对于满足动态再结晶触发条件的情况(lnZ小于等于某一临界值时)，则采用如下的三阶段应力计算规则：

式中ST为材料流动状态变量参数，该值取0、1、2、3时分别对应σ

5)对于有动态再结晶发生的试样，通过电子背散射衍射技术(EBSD)，根据变形后大角度晶界(取向差大于15°)的晶粒数量确定动态再结晶的体积分数，同时统计并确定相应的动态再结晶晶粒平均尺寸，数据回归处理后按下列公式确定热变形过程中动态再结晶晶粒尺寸D

D

式中k、m为方程回归拟合系数，D

本发明的有益效果：将喷射成形高强铝合金7055的宏观流变行为与热变形过程中的硬化及软化物理机制相结合，根据微观组织实验分析确定了动态再结晶发生的临界热力学阈值，提出了新的描述材料复杂流变行为的本构方程模型，并较好解决了该材料动态再结晶条件性发生、再结晶不完全的难题，为该材料的热变形过程流动变形及组织转变行为的预测及控制创造了条件。

附图说明

图1为喷射成形7055铝合金材料在380℃、不同应变速率下，流动应力物理实验与模型预测数据对比；

图2为喷射成形7055铝合金材料在410℃、不同应变速率下，流动应力物理实验与模型预测数据对比；

图3为喷射成形7055铝合金材料在440℃、不同应变速率下，流动应力物理实验与模型预测数据对比；

图4物理实验与所建立模型数据间的相关性。

具体实施方式：

1)、将初始平均晶粒尺寸为D

2)、根据该材料热变形实验数据所表现出来的流变应力特性分析，流变应力行为主要取决于加工硬化和动态软化之间的“博弈”，并可采用内变量——位错密度的变化来表征其不同变形阶段的应力响应。

根据位错密度模型与应变关系(公式1)及经典泰勒公式(公式2)，可推导出加工硬化与动态回复软化协同作用下的流动应力σ

式中，σ

公式3可以进一步整理为：

根据再结晶的动力学方程，并基于动态再结晶体积分数的变化与流动应力软化程度之间的关系，可定义动态再结晶阶段的流动应力σ

式中，σ

以上公式中的σ

X＝kZ

X＝asinh

式中&为应变速率；Q

k

σ

σ

σ

ε

ε

k

n

3)、根据对不同热力参数条件下，热等温恒应变速率压缩试样的微观组织分析结果，确定动态再结晶发生的临界热加工条件，并采用lnZ函数做为判据，临界值为29.44。当材料的lnZ小于等于29.44时，则材料有发生动态再结晶软化行为的可能；而当材料的lnZ大于29.44时，材料将只发生动态回复软化行为，此时ST＝0，其流动应力本构计算方程为σ

4)、对于满足动态再结晶触发条件的情况(lnZ≤29.44)，则采用如下的三阶段应力计算规则：

式中ST为材料流动状态变量参数，该值取1、2、3时分别对应σ

σ

k

5)、对于有动态再结晶发生的试样，通过电子背散射衍射技术(EBSD)，根据变形后大角度晶界(取向差大于15°)的晶粒数量确定动态再结晶的体积分数，同时统计确定相应的动态再结晶晶粒平均尺寸，再通过数据回归处理，并按下式确定热变形过程中动态再结晶晶粒平均尺寸D

D

本发明所建立的本构模型与物理实验数据的比较结果如图1、图2、图3所示，进一步的相关性计算结果为0.977，如图4所示，数据间平均相对误差为3.42％。上述结果表明，本发明所构建的本构模型能够较好反映材料热变形过程中的物理机制，可以对包括微观组织演变过程进行预测，同时还具有较高的流动变形行为的响应精度。

动态再结晶晶粒的金相及EBSD微观组织特征表现在，在原始变形晶粒内部及晶界上将出现大量亚晶及亚晶界，其中对于晶界夹角大于15°的晶粒定义为动态再结晶晶粒，进而统计出不同加工条件下的动态再结晶晶粒的平均尺寸以及体积分数。动态再结晶行为将导致宏观流动应力的明显下降，研判并分析流动应力曲线上特征，确定动态再结晶的临界发生条件为：在低应变速率以及高温下，并且在lnZ≤29.44时，材料具备发生动态再结晶的条件；而在高应变速率及低温下，并且在lnZ＞29.44时，材料不具备发生动态再结晶的条件。