40%SiCp/Al 復合材料熱變形行為及熱加工圖

郝世明，劉鵬茹，龐晉安，彭名卿，吳浩展，袁浩然

河南科技大學物理工程學院,洛陽 471023

近代科學技術，特別是航空航天技術的發展，對所用工程材料性能提出了更高要求，如更高的比強度和比剛度，傳統單一金屬材料較難滿足服役性能要求[1]。金屬基復合材料既可保留金屬材料的主要特性，又具有增強體的特性，有望滿足高技術發展需求[2]。

金屬基復合材料的研究始于20 世紀60 年代初期，80 年代以來，美、日等國加大了對復合材料的研究開發，并采用粉末冶金法、熔鑄技術、壓力滲透技術等技術制備出性能優良的顆粒增強型鋁基復合材料[3-4]。SiCp/Al 復合材料由于輕質、高比強度、高比剛度、低熱膨脹系數、良好的抗磨損等優點，被廣泛用于航空航天、汽車、電子通訊、軍事等領域。15%～20%SiCp/Al 復合材料（體積分數）作為結構材料被應用于承載飛機上的承力結構件與電子元器件[5-6]。美國、日本、印度等國把SiCp/Al復合材料應用到汽車用連桿和缸套上[7-9]。我國于1981 年啟動金屬基復合材料研究，多種復合材料產品在尖端國防領域得到應用，隨著軍民技術一體化需求的急劇增長，對金屬基復合材料的研究更加迫切。

復合材料在制備過程中需要二次加工變形，國內外學者對鋁合金和低體積分數SiCp/Al 復合材料的研究較多[10-11]。Shao 等[12]認為細小的SiCp 和細小的2024Al 粉末導致大量晶界的存在，使動態再結晶區域向低溫和高應變速率區域移動，并且使得功率耗散效率系數的峰值減小。Rajamuthamil selvan和Ramanathan[13]研究了SiC 顆粒體積分數對復合材料熱變形行為的影響，發現SiC 顆粒含量增多對復合材料的再結晶有促進作用。

材料固有的加工性與材料的化學組成、變形條件和變形量有關[14]。隨著顆粒體積分數增加，加工難度增大，因此對中高體積分數（30%～60%）顆粒增強鋁基復合材料熱變形行為展開研究十分有意義。40%SiCp/Al 復合材料（體積分數）作為一種新的結構材料有著廣闊的發展前景，雖可以進行擠壓、軋制和鍛造等傳統的熱塑性變形加工，但可加工性能顯著下降，要實現產業化仍需做大量的研究。以動態材料模型為基礎的加工圖和熱變形本構方程是材料加工設計和優化的一種有效手段，已經得到了廣泛應用[15-16]。本文在不同變形條件下對40%SiCp/Al 復合材料（體積分數）進行等溫熱壓縮實驗研究，分析材料的熱加工變形行為特征，并找出影響規律，提出優化加工參數，為優化該復合材料的熱加工工藝提供指導。

1 實驗材料及方法

實驗材料為碳化硅顆粒增強鋁基復合材料（40%SiCp/Al，體積分 數)。以 平均直徑10 μm 的2024Al 粉末為基體材料，增強體SiC 顆粒粒徑為15 μm，通過球磨混粉、冷壓和熱壓燒結而成，復合材料的微觀組織如圖1 所示。利用線切割將燒結后的試樣加工成8 mm×12 mm 的熱模擬試樣，用于等溫熱壓縮變形。采用圓柱體單向壓縮法，變形設備為Gleeble-1500D 熱模擬機，加熱速率為10 ℃/s，變形溫度分別為350、400、450 和500 ℃，應變速率分別為0.01、0.10、1.00 和10.00 s-1。壓縮變形終了立即水淬，以便保留高溫微觀組織?？倝嚎s量達到應變值0.7，即總變形程度為50%左右。在熱變形過程中，在試樣兩端填充潤滑劑以減少摩擦的影響。熱模擬系統自動采集應力、應變、溫度等數據。

圖1 40%SiCp/Al 復合材料微觀組織Fig.1 Microstructure of the 40%SiCp/Al composites

2 結果及分析

2.1 真應力-應變曲線

圖2 為40%SiCp/2024A1 復合材料熱變形過程的真應力-應變曲線。由圖可見，在熱變形過程中，當應變超過一定值后，復合材料呈現穩態流變特征，應變增加時真應力改變很小。在應變速率保持一定的情況下，隨應變逐漸增加，流變應力先快速升高達到峰值，然后逐漸小幅下降，進入近似穩態流變狀態。整體來看，穩態流變應力隨變形溫度升高而逐漸減小。在變形溫度一定時，流變應力隨應變速率的增大而增大，表明該復合材料有正的應變速率敏感性，即應變速率越大，復合材料實現穩態變形就越困難。圖2（d）中顯示復合材料在高應變速率變形時，應力-應變曲線上出現明顯的連續波浪峰，表現出應力不連續屈服現象，這可能是由于材料發生動態再結晶和動態失效或者局部流變而引起的。

圖2 不同應變速率下40%SiCp/Al 復合材料的真應力-應變曲線：（a）0.01 s-1；（b）0.10 s-1；（c）1.00 s-1；（d）10.00 s-1Fig.2 True stress-strain curves of the 40%SiCp/Al composites at different strain rates: (a) 0.01 s-1;(b) 0.10 s-1;(c) 1.00 s-1;(d) 10.00 s-1

2.2 構建復合材料本構方程

基于模擬系統自動采集的應力、應變、溫度等數據建立本構方程。當應力較低時如式（1）所示，當應力較高時如式（2）所示。

Sellars 和Tegart 提出式（3）適用于所有應力。Zener 和Hollomon 為更好地描述材料的熱加工行為提出了Zener-Hollomon 參數（Z參數），如式（4）所示。

式中：A、α、n為材料常數。

為求解熱變形激活能（Q），可以對式（1）～式（3）同時取對數，繪制線性方程。在高應力水平下，如式（5）所示，在低應力水平下，如式（6）所示，對所有應力水平，如式（7）所示。

對式（3）求偏導可得式（8）。為了求解本構方程，需求得材料常數n1、n、β、M值，其中ln-lnσ擬合曲線斜率是n1值，ln-σ擬合曲線斜率是β值，ln[sinh(ασ)]-1/T斜率是M值，ln-ln[sinh(ασ)]斜率平均值是n值。

將不同變形條件下峰值應力（σp，MPa）以及對應的帶入式（5）～式（7），可以繪制圖3～圖5，圖中直線斜率的平均值即為本構方程中所求材料常數值，即M、n1、n、β，其中α=β/n1

圖3 真應變為0.1 時應力、應變速率和溫度關系：（a）ln -σ；（b）ln -lnσ；（c）ln -ln[sinh(ασ)]；（d）ln[sinh(ασ)]-1/TFig.3 Relationship between stress,stress rate,and temperature at true strain of 0.1: (a) ln -σ;(b) ln -lnσ;(c) ln -ln[sinh(ασ)];(d) ln[sinh(ασ)]-1/T

圖4 真應變為0.3 時應力、應變速率和溫度關系：（a）ln -σ；（b）ln -lnσ；（c）ln -ln[sinh(ασ)]；（d）ln[sinh(ασ)]-1/TFig.4 Relationship between stress,stress rate,and temperature at true strain of 0.3: (a) ln -σ;(b) ln -lnσ;(c) ln -ln[sinh(ασ)];(d) ln[sinh(ασ)]-1/T

圖5 真應變為0.5 時應力、應變速率和溫度關系：（a）ln-σ；（b）ln -lnσ；（c）ln -ln[sinh(ασ)]；（d）ln[sinh(ασ)]-1/TFig.5 Relationship between stress,stress rate,and temperature at true strain of 0.5: (a) ln -σ;(b) ln -lnσ;(c) ln -ln[sinh(ασ)];(d) ln[sinh(ασ)]-1/T

將得到的n和M數據代入式（4）和式（8），可以求得不同真應力的Q值和Z值，再由lnZln[sinh(ασ)]曲線計算得到截距lnA值，如圖6 和表1所示。

表1 不同應變量時材料常數計算結果Table 1 Calculation results of the material constants at the different strains

圖6 不同真應變線下lnZ 與ln[sinh(ασ)]關系：（a）0.1；（b）0.3；（c）0.5Fig.6 Relationship between lnZ and ln[sinh(ασ)] at the different true strain: (a) 0.1;(b) 0.3;(c) 0.5

根據表1 可知復合材料常數的求解結果，將其代入式（3）和式（4）式可得本構方程。真應變為0.1 時，變形激活能Q=157.288 kJ·mol-1，應力指數n=6.56，應力水平參數α=0.0154 MPa-1，結構因子A=4.46×1010。將上述材料參數代入式（3）和式（4），可得復合材料在真應力為0.1 時的本構方程，如式（9）所示。

真應變為0.3 時，變形激活能Q=157.903 kJ·mol-1，應力指數n=6.14，應力水平參數α=0.0162 MPa-1，結構因子A=7.04×1010。將上述材料參數代入式（3）和式（4），可得復合材料在真應力為0.3 時的本構方程，如式（10）所示。

真應變為0.5 時，變形激活能Q=157.273 kJ·mol-1，應力指數n=6.60，應力水平參數α=0.0152 MPa-1，結構因子A=4.95×1010。將上述材料參數代入式（3）和式（4），可得復合材料在真應力為0.5 時的本構方程，如式（11）所示。

復合材料熱變形時應力的計算值與實驗值如圖7 所示。由圖可知，計算值與實驗值比較接近，證明本構方程能較好地描述本復合材料的熱變形力學行為。如圖所示，不同應變條件下的變形激活能變化不大，復合材料變形激活能通常與變形抗力的變化相關，說明變形量增加時，變形抗力變化不大。

圖7 不同真應變下實驗值與計算值分析與對比：（a）0.1；（b）0.3；（c）0.5Fig.7 Analysis and comparison of the experimental and calculated values at the different true strain: (a) 0.1;(b) 0.3;(c) 0.5

2.3 二維加工圖

動態材料模型將復合材料的熱加工過程看作一個消耗能量過程。如式（12）所示，輸入功率（p）的耗散來源于兩個方面：由材料塑性變形引起的耗散量（G）和由組織變化引起的功率耗散（J），其動態本構方程如式（13）所示。由式（12）和式（13）可得到式（14）和式（15）。

式中：m為材料的應變速率敏感指數。材料處于理想耗散狀態時，m=1，J達到最大值，如式（16）所示。此時引入功率耗散效率系數（η），如式（17）所示，可以看出功率耗散效率系數與應變速率敏感指數直接相關。

在應變速率和溫度所構成的二維平面上繪出等功率耗散效率系數曲線即為功率耗散圖。按照動態材料模型原理及Prasad 失穩判斷準則，耗散函數同應變速率滿足式（18），將式（17）代入可最終化簡得到式（19）。

此處定義材料的流變失穩條件（ξ()）如式（20）所示，可以看到失穩條件與應變速率敏感指數有關。

真應變為0.1，0.3 和0.5 時的功率耗散圖、失穩圖及二維加工圖分別如圖8、圖9、圖10 所示。從圖8（a）可知，應變為0.1 時，功率耗散效率系數值在365～420 ℃區域最大，約為0.21；從圖9（a）可知，應變為0.3 時，功率耗散效率系數值 在377～420 ℃區域最大，約為0.22；從圖10（a）可知，應變為0.5 時，功率耗散效率系數值在379～420 ℃區域最大，約為0.27。在功率耗散效率系數值最大區域很大可能發生了組織轉變。從圖8（b）可知，應變為0.1 時，失穩區域主要為溫度350～430 ℃，應變速率為0.03～9.97 s-1；從圖9（b）可知，應變為0.3 時，失穩區域主要為溫度350～432 ℃，應變速率為0.04～9.97 s-1；從圖10（b）可知，應變為0.5 時，失穩區域主要為溫度350～439 ℃，應變速率為0.03～9.97 s-1。從圖8（c）可知，溫度433～490 ℃、應變速率0.03～9.97 s-1是該應變下最理想的加工區域；從圖9（c）可知，溫度436～490 ℃、應變速率0.04～9.97 s-1是該應變下最理想的加工區域；從圖10（c）可知，溫度440～492 ℃、應變速率0.04～9.97 s-1是該應變下最理想的加工區域。由此可知，在同一應變速率下，隨溫度的升高，功率耗散效率系數先增大后減小再增大。在350～430 ℃，功率耗散效率系數隨應變速率的增大先增大后減??；在430～500 ℃，功率耗散效率系數隨應變速率的增大而增大。

圖8 應變為0.1 時復合材料功率耗散圖（a）、失穩圖（b）和二維加工圖（c）Fig.8 Power dissipation diagram (a),instability diagram (b),and two-dimensional processing map (c) of the composites at the strain of 0.1

圖9 應變為0.3 時復合材料功率耗散圖（a）、失穩圖（b）和二維加工圖（c）Fig.9 Power dissipation diagram (a),instability diagram (b),and two-dimensional processing map (c) of the composites at the strain of 0.3

圖10 應變為0.5 時復合材料功率耗散圖（a）、失穩圖（b）和二維加工圖（c）Fig.10 Power dissipation diagram (a),instability diagram (b),and two-dimensional processing map (c) of the composites at the strain of 0.5

由圖8（a）、圖9（a）和圖10（a）可以看出，功率耗散效率系數隨應變的增加而增大。由圖8（b）、圖9（b）、圖10（b）可以看出應變對失穩區域影響不大。由圖8（c）、圖9（c）、圖10（c）可以看出應變對理想加工區域影響不大。

3 結論

（1）40%SiCp/Al 復合材料應變速率和變形溫度對流變應力有明顯的影響，應變速率越大，變形溫度越低，復合材料越難于達到穩態變形。

（2）40%SiCp/Al 復合材料應變速率增大，流變應力升高；變形溫度升高，流變應力降低。熱壓縮變形時的流變行為可采用Zener-Hollomon 參數的雙曲正弦形式來描述。

（3）應變（真應變從0.1 到0.5）對變形激活能影響不大，變形量增加，受到的變形抗力基本不變。

（4）在變形過程中，SiCp/Al 復合材料容易發生破壞的區域主要分布在中低溫范圍。應變量變化對失穩區域影響不大。復合材料能夠穩定變形的區域在中高溫、低應變速率區，建議最佳加工區域溫度為436～491 ℃，應變速率為0.04～9.97 s-1。