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LY12CZ铝合金在强电场中的超塑性变形
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 西北工业大学 李淼泉 吴诗惇点击:
摘要：本文研究了未经预处理LY12CZ铝合金在强电场中超塑性变形时应变速率敏感性指数、板料厚向异性指数、激活能、极限延伸率的变化和超塑性单向拉伸时的流变应力特征。同时，研究了未经预处理LY12CZ铝合金在强电场中超塑性变形后材料的弹性模型、屈服强度、强度极限和断裂时的断面缩减率的弯化。并将超塑性拉伸研究结果应用于未经预处理LY12CZ铝合金在强电场中的超塑性自由胀形，制作出了自由胀形零件，测量了相对极限胀形高度和零件相对厚度分布的变化。
关键词：铝合金 电场超塑性 机械性能 自由胀形
1 引言
电是一种重要的环境，对物质的行为有着深刻的作用，一直被人们探索着。
应用电进行金属加工技术的研究，始于原苏联和美国。在强电场中进行金属或合金的超塑性变形的研究是一项新颖的课题，正在受到广泛地重视[1]。Conrad等[2]在733k和1.1×10-3s-1的变形条件下，对7475铝合金外加2.0kV/cm的强电场进行超塑性拉伸研究。结果表明，强电场对7475铝合金的超塑性变形有显著的作用。例如，降低材料的流变应力和应变硬化速率；提高应变速率敏感性指数。同时，他也指出强电场对合金超塑性变形时的极限延伸率没有明显的改善作用，有时可能会降低[3]。李淼泉等[4]对未经预处理LY12CZ铝合金在763k和1.67×10-4s-1的变形条件下施加2.0kV/cm的强电场进行超塑性拉伸研究，不仅获得了与Conrad等类似的结果。同时发现，在一定条件下强电场可使未经预处理LY12CZ铝合金在超塑性拉伸时的极限延伸率提高0.14倍以上。
众所周知，超塑性材料一般为空洞敏感型材料。空洞的形核、长大和聚合过程对变形后零件的使用性能的劣化作用会影响到金属超塑性技术的有效利用，因而，关于空洞对超塑性变形后零件的使用性能的有害影响的研究已成为目前超塑性变形研究领域内的主要热点。同时，对于强电场中进行超塑性变形的研究主要集中在单向拉伸方面，工程实际应用的研究在国内外尚水见公开报道。
本文将研究未经预处理LY12CZ铝合金在强电场中的超塑性性能，在研究在不同变形条件下未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形后的室温机械性能变化；并将强电场应用于未经预处理LY12CZ铝合金的超塑性自由胀形研究中，制作自由胀形零件。
2 实验条件
2.1实验材料
以未经预处理LY12CZ铝合金板料为实验材料，板料厚度为2.0mm，硬度（HB）为131，平均晶粒尺寸（）为21.0μm，其供应状态CZ为冷轧后进行淬火加自然时效。室温组织为α-铝基体上分布着起强化作用的θ（CuAl2）相和S（Al2CuMg）相。
2.2实验仪器及设备
拉伸实验在ZD10/90型高温电子拉伸机上完成。其最大载荷为100kN，具自动控温系统和无级调速系统。载荷一时间曲线由1kN的拉力传感器、应变仪及X-Y函数记录仪组成的测试系统记录。实验装置为专用的强电场超塑性拉伸装置。
室温机械性能的测量在Instron 1195万能材料试验机上完成。
超塑性自由胀形实验在100吨塑料压机上完成。实验装置为专用的强电场超塑性成形装置。
强电场由商用电源（最大可达100kV）提供。
2.3实验方案
2.3.1超塑性拉伸
试样的标距尺寸为25×6mm。
通过拉伸实验，研究不同变形条件下应变速率敏感性指数m值、变形时的激活能Q值、极限延伸率δL和流变应力等的变化特征。
应变速率敏感性指数的测量采用Backofen的速度突变法，激活能的测定按文献[5]介绍的方法，极限延伸率为5个相近实验结果的平均值。
2.3.2室温机械性能
将经过一定超塑性拉伸变形的试样在最小截面处的两面分别贴上电阻应变片，以平均应变作为输出应变，并记录下载荷一应变曲线，从而确定超塑性变形后试样室温拉伸时的机械性能，包括弹性模量E0值、屈服强度σ0.2值和强度极限σb值和断裂时的断面缩减率φ值。
2.3.3超塑性自由胀形
超塑性自由胀形的坯料直径为120mm，胀形模半径（R0）为43mm。
研究了不同条件下未经预处理LY12CZ铝合金超塑性自由胀形时的相对极限胀形高度H和胀形件的相对厚度S/S0的变化。
根据文献[6]和本文的超塑性单向拉伸研究结果可获得胀形极点处保持恒定应变速率的加压规律。实际加压规律采用逼近的台阶加压方式实现。自由胀形件极点处的变形程度按文献[7]所给解析式计算。
3 实验结果及分析
3.1对超塑性性能的影响
图1示出了应变速率敏感性指数m值的测量结果。由图可见，合适的电场强度使得未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形时的应变速率敏感性指数m值有明显地增大，并且增大的上限值为0.30倍。m值是材料超塑性变形时的一个重要的特征量。一般说来，当T（变形温度）＞0.5Tm（Tm为材料熔点的绝对温度）时，m值的增大，材料的成形极限将提高[6]。由此可知，强电场改善材料的超塑性性能是完全可能的。图2 示出了板料厚向异性指数F值的测量结果。合适的强电场被引入到未经预处理LY12CZ铝合金的超塑性变形后，板料厚向异性指数F值增大。板料的厚向异性指数反映了材料在变形时抵抗变薄的一种能力。强电场作为一个特定的环境被引入到材料的超塑性变形过程之后，改变了材料的一些性质，因而改善了材料抵抗变薄的能力[8]。由此可知，合适的电场强度将改善材料超塑性成形时的制作质量。
图3示出了激活能Q值的测量结果。由图可见，强电场使得未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形时的激活能显著降低。当电场强度为2.0kV/cm时比无强电场时的激活能降低了0.20倍。激活能的降低使得变形时的应变硬化效应减弱，为降低流变应力奠定了基础。据报道[4]铝及铝合金的晶界扩散激活能为72kJ/mol，体积扩散激活能为143.8kJ/mol。本文测得未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形（E=0）时的激活能为69.3kJ/mol与晶界扩散激活能相近。因此，未经预处理LY12CZ铝合金在超塑性变形时主要是晶界行为起作用。
3.2 对极限延伸率的影响
图4示出了极限延伸率δL的测量结果。由图可见，强电场对未经预处理LY12CZ铝合金超塑性拉伸时的极限延伸率有重要的影响。合适的电场强度将显著地提高未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形时的极限延伸率，这是由于强电场改善材料的超塑性性能的结果。当电场强度为2.0kV/cm时，未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形时的极限延伸率比无强电场时提高了0.30倍。3.3 对流变应力的影响
图5示出了流变应力σ随等效应变的变化特征。由图可见，强电场的引入使得未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形时的准稳态流动阶段延长。这也是合适的电场强度将改善材料的超塑性性能的一个明显标志。同时还可发现，在强电场的作用之下，未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形时的流变应力明显降低。
3.4 对变形后室温机械性能的影响
图6 示出了未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形后的室温弹性模量E0、屈服强度σ0.2、强度极限σb和断裂时的断面缩减率φ的测量结果。由图可见，强电场使得未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形后的室温性能下降的速度减小，也就是说，合适的电场强度使得超塑性变形后材料的室温性能比无强电场时有提高。当电场强度为2.0kV/cm时，未经预处理LY12CZ铝合金经等效应变为1.29的超塑性拉伸后材料的弹性模量、屈服强度、强度极限和断裂时的断面缩减率比无强电场时分别提高了0.31倍、0.75倍、0.68倍和0.33倍。这种结果与强电场对未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形时的晶粒尺寸、第二相粒子的数量和形态、位错组态、微区成分浓度、空洞形态、空洞分布和空洞体积分数的作用有密切的联系[8]。3.5在超塑性自由胀形中的应用
图7示出了未经预处理LY12CZ铝合金在强电场中超塑性自由胀形时的相对极限胀形高度H（=h/R0为胀形件的高度，R0为胀形模的半径）和此时极点处的等效应变的测量和计算结果。由图可见，合适的电场强度使得未经预处理LY12CZ铝合金超塑性胀形时的相对极限胀形高度明显增加。当电场强度为2.0kV/cm时，相对极限胀形高度和极点处的等效应变比无强电场时分别提高了0.15倍和0.26倍。由此说明，在非单向拉应力状态（超塑性自由胀形时极点处的应力状态为双向等拉应力状态[7]）下，强电场也会改善材料的超塑性性能。图8示出了未经预处理LY12CZ铝合金超塑性自由胀形时的相对厚度S/S0的分布情况。由图可见，强电场的引入使得未经预处理LY12CZ铝合金超塑性成形时变薄的趋势减弱，胀形件的相对厚度沿半径方向的分布趋于均匀化。当相对胀形高度（H）为0.50和电场强度为2.0kV/cm时，在胀形件的极点处的相对厚度比无强电场时提高了0.11倍。这种结果与强电场对板料厚向异性指数和超塑性自由胀形时的应力场、应变场的影响有关。
4 结论
1）未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形时主要是晶界行为起作用。
2）在单向和非单向拉应力状态下，合适的电场强度均会改善未经预处理LY12CZ铝合金的超塑性性能。
3）合适的电场强度使未经预处理LY12CZ铝合金超塑性拉伸时的成形极限提高了0.30倍，超塑性自由胀形时的成形极限提高了0.26倍。
4）合适的电场强度使未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形时的激活能降低了0.20倍。
5）合适的电场强度使未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形时的准稳态流动阶段延长。
6）合适的电场强度使未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形后材料的室温机械性能有明显提高。(end)
关键词：铝合金 电场超塑性 机械性能 自由胀形
1 引言
电是一种重要的环境，对物质的行为有着深刻的作用，一直被人们探索着。
应用电进行金属加工技术的研究，始于原苏联和美国。在强电场中进行金属或合金的超塑性变形的研究是一项新颖的课题，正在受到广泛地重视[1]。Conrad等[2]在733k和1.1×10-3s-1的变形条件下，对7475铝合金外加2.0kV/cm的强电场进行超塑性拉伸研究。结果表明，强电场对7475铝合金的超塑性变形有显著的作用。例如，降低材料的流变应力和应变硬化速率；提高应变速率敏感性指数。同时，他也指出强电场对合金超塑性变形时的极限延伸率没有明显的改善作用，有时可能会降低[3]。李淼泉等[4]对未经预处理LY12CZ铝合金在763k和1.67×10-4s-1的变形条件下施加2.0kV/cm的强电场进行超塑性拉伸研究，不仅获得了与Conrad等类似的结果。同时发现，在一定条件下强电场可使未经预处理LY12CZ铝合金在超塑性拉伸时的极限延伸率提高0.14倍以上。
众所周知，超塑性材料一般为空洞敏感型材料。空洞的形核、长大和聚合过程对变形后零件的使用性能的劣化作用会影响到金属超塑性技术的有效利用，因而，关于空洞对超塑性变形后零件的使用性能的有害影响的研究已成为目前超塑性变形研究领域内的主要热点。同时，对于强电场中进行超塑性变形的研究主要集中在单向拉伸方面，工程实际应用的研究在国内外尚水见公开报道。
本文将研究未经预处理LY12CZ铝合金在强电场中的超塑性性能，在研究在不同变形条件下未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形后的室温机械性能变化；并将强电场应用于未经预处理LY12CZ铝合金的超塑性自由胀形研究中，制作自由胀形零件。
2 实验条件
2.1实验材料
以未经预处理LY12CZ铝合金板料为实验材料，板料厚度为2.0mm，硬度（HB）为131，平均晶粒尺寸（）为21.0μm，其供应状态CZ为冷轧后进行淬火加自然时效。室温组织为α-铝基体上分布着起强化作用的θ（CuAl2）相和S（Al2CuMg）相。
2.2实验仪器及设备
拉伸实验在ZD10/90型高温电子拉伸机上完成。其最大载荷为100kN，具自动控温系统和无级调速系统。载荷一时间曲线由1kN的拉力传感器、应变仪及X-Y函数记录仪组成的测试系统记录。实验装置为专用的强电场超塑性拉伸装置。
室温机械性能的测量在Instron 1195万能材料试验机上完成。
超塑性自由胀形实验在100吨塑料压机上完成。实验装置为专用的强电场超塑性成形装置。
强电场由商用电源（最大可达100kV）提供。
2.3实验方案
2.3.1超塑性拉伸
试样的标距尺寸为25×6mm。
通过拉伸实验，研究不同变形条件下应变速率敏感性指数m值、变形时的激活能Q值、极限延伸率δL和流变应力等的变化特征。
应变速率敏感性指数的测量采用Backofen的速度突变法，激活能的测定按文献[5]介绍的方法，极限延伸率为5个相近实验结果的平均值。
2.3.2室温机械性能
将经过一定超塑性拉伸变形的试样在最小截面处的两面分别贴上电阻应变片，以平均应变作为输出应变，并记录下载荷一应变曲线，从而确定超塑性变形后试样室温拉伸时的机械性能，包括弹性模量E0值、屈服强度σ0.2值和强度极限σb值和断裂时的断面缩减率φ值。
2.3.3超塑性自由胀形
超塑性自由胀形的坯料直径为120mm，胀形模半径（R0）为43mm。
研究了不同条件下未经预处理LY12CZ铝合金超塑性自由胀形时的相对极限胀形高度H和胀形件的相对厚度S/S0的变化。
根据文献[6]和本文的超塑性单向拉伸研究结果可获得胀形极点处保持恒定应变速率的加压规律。实际加压规律采用逼近的台阶加压方式实现。自由胀形件极点处的变形程度按文献[7]所给解析式计算。
3 实验结果及分析
3.1对超塑性性能的影响
图1示出了应变速率敏感性指数m值的测量结果。由图可见，合适的电场强度使得未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形时的应变速率敏感性指数m值有明显地增大，并且增大的上限值为0.30倍。m值是材料超塑性变形时的一个重要的特征量。一般说来，当T（变形温度）＞0.5Tm（Tm为材料熔点的绝对温度）时，m值的增大，材料的成形极限将提高[6]。由此可知，强电场改善材料的超塑性性能是完全可能的。图2 示出了板料厚向异性指数F值的测量结果。合适的强电场被引入到未经预处理LY12CZ铝合金的超塑性变形后，板料厚向异性指数F值增大。板料的厚向异性指数反映了材料在变形时抵抗变薄的一种能力。强电场作为一个特定的环境被引入到材料的超塑性变形过程之后，改变了材料的一些性质，因而改善了材料抵抗变薄的能力[8]。由此可知，合适的电场强度将改善材料超塑性成形时的制作质量。
图3示出了激活能Q值的测量结果。由图可见，强电场使得未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形时的激活能显著降低。当电场强度为2.0kV/cm时比无强电场时的激活能降低了0.20倍。激活能的降低使得变形时的应变硬化效应减弱，为降低流变应力奠定了基础。据报道[4]铝及铝合金的晶界扩散激活能为72kJ/mol，体积扩散激活能为143.8kJ/mol。本文测得未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形（E=0）时的激活能为69.3kJ/mol与晶界扩散激活能相近。因此，未经预处理LY12CZ铝合金在超塑性变形时主要是晶界行为起作用。
3.2 对极限延伸率的影响
图4示出了极限延伸率δL的测量结果。由图可见，强电场对未经预处理LY12CZ铝合金超塑性拉伸时的极限延伸率有重要的影响。合适的电场强度将显著地提高未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形时的极限延伸率，这是由于强电场改善材料的超塑性性能的结果。当电场强度为2.0kV/cm时，未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形时的极限延伸率比无强电场时提高了0.30倍。3.3 对流变应力的影响
图5示出了流变应力σ随等效应变的变化特征。由图可见，强电场的引入使得未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形时的准稳态流动阶段延长。这也是合适的电场强度将改善材料的超塑性性能的一个明显标志。同时还可发现，在强电场的作用之下，未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形时的流变应力明显降低。
3.4 对变形后室温机械性能的影响
图6 示出了未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形后的室温弹性模量E0、屈服强度σ0.2、强度极限σb和断裂时的断面缩减率φ的测量结果。由图可见，强电场使得未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形后的室温性能下降的速度减小，也就是说，合适的电场强度使得超塑性变形后材料的室温性能比无强电场时有提高。当电场强度为2.0kV/cm时，未经预处理LY12CZ铝合金经等效应变为1.29的超塑性拉伸后材料的弹性模量、屈服强度、强度极限和断裂时的断面缩减率比无强电场时分别提高了0.31倍、0.75倍、0.68倍和0.33倍。这种结果与强电场对未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形时的晶粒尺寸、第二相粒子的数量和形态、位错组态、微区成分浓度、空洞形态、空洞分布和空洞体积分数的作用有密切的联系[8]。3.5在超塑性自由胀形中的应用
图7示出了未经预处理LY12CZ铝合金在强电场中超塑性自由胀形时的相对极限胀形高度H（=h/R0为胀形件的高度，R0为胀形模的半径）和此时极点处的等效应变的测量和计算结果。由图可见，合适的电场强度使得未经预处理LY12CZ铝合金超塑性胀形时的相对极限胀形高度明显增加。当电场强度为2.0kV/cm时，相对极限胀形高度和极点处的等效应变比无强电场时分别提高了0.15倍和0.26倍。由此说明，在非单向拉应力状态（超塑性自由胀形时极点处的应力状态为双向等拉应力状态[7]）下，强电场也会改善材料的超塑性性能。图8示出了未经预处理LY12CZ铝合金超塑性自由胀形时的相对厚度S/S0的分布情况。由图可见，强电场的引入使得未经预处理LY12CZ铝合金超塑性成形时变薄的趋势减弱，胀形件的相对厚度沿半径方向的分布趋于均匀化。当相对胀形高度（H）为0.50和电场强度为2.0kV/cm时，在胀形件的极点处的相对厚度比无强电场时提高了0.11倍。这种结果与强电场对板料厚向异性指数和超塑性自由胀形时的应力场、应变场的影响有关。
4 结论
1）未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形时主要是晶界行为起作用。
2）在单向和非单向拉应力状态下，合适的电场强度均会改善未经预处理LY12CZ铝合金的超塑性性能。
3）合适的电场强度使未经预处理LY12CZ铝合金超塑性拉伸时的成形极限提高了0.30倍，超塑性自由胀形时的成形极限提高了0.26倍。
4）合适的电场强度使未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形时的激活能降低了0.20倍。
5）合适的电场强度使未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形时的准稳态流动阶段延长。
6）合适的电场强度使未经预处理LY12CZ铝合金超塑性变形后材料的室温机械性能有明显提高。(end)
