5083合金热加工行为及加工图研究

Investigation of Thermal Processing Behavior and Processing Maps of 5083 Alloy

摘要: 为揭示高温流变参如温度、速率以及应变量等对5083铝合金微观组织影响规律，优化热加工工艺，本文采用Gleeble-3810热模试验机，系统研究了该合金在应变温度280℃~520℃、应变速率0.01 s⁻¹~10 s⁻¹和总应变量为0.9的条件下材料的微观组织演变规律，基于动态材料模型(Dynamic materials model, DMM)建立了该合金的热加工图。结果表明：合金在低温高速及高温高速条件下组织容易出现局部流变、微观裂纹等失稳现象，尤其在变形温度为280℃~335℃、变形速率为6~10 s⁻¹条件下，当应变达到0.9时，失稳风险较大，而在高温低速下功率耗散系数大，失稳风险低，有利于材料加工。所构建的热加工图能够准确预测5083铝合金的高温流变组织演变规律。

Abstract: To elucidate the influence of high-temperature rheological parameters namely temperature, strain rate, and strain on the microstructure evolution of the 5083 aluminum alloy and to optimize the thermal processing conditions, the evolution of the microstructure under conditions ranging from 280˚C to 520˚C, with strain rates between 0.01 s⁻¹ and 10 s⁻¹ and a total strain of 0.9, was systematically established using a Gleeble-3810 thermal simulator. The hot processing of the alloy was framed within the context of the dynamic materials model (DMM). The results indicate that the alloy’s structure is susceptible to local rheology and the formation of microscopic cracks, particularly under low-temperature, high-speed, and high-temperature conditions. This instability is especially pronounced when the deformation temperature is between 280˚C and 335˚C and the deformation rate is between 6 and 10 s⁻¹; at a strain of 0.9, the risk of instability increases significantly. Conversely, at elevated temperatures and lower speeds, the power dissipation coefficient is substantial, resulting in a reduced risk of instability, which is advantageous for material processing. The developed thermal processing map can accurately predict the microstructure evolution during hot processing of the 5083 aluminum alloy.

1. 引言

材料的高温流变行为十分复杂，一方面加工工艺参数如应变温度、速率以及应变量会影响所加工构件的微观组织，另一方面构件加工过程中的微观组织结构变化又会影响构件的加工工艺参数选取。5083铝合金因其优异的耐蚀性能而被广泛应用于造船以及海运集装箱等领域[1] [2]。为提高材料耐蚀性能与抗拉强度，通过微调合金成分、优化热加工工艺和热处理制度等成为了研究人员手中的工具，为生产高品质5083合金构件提供了有力的参考[3]-[6]。5083合金板材的生产通常采用热轧的方式进行，热轧工艺参数的选取，不仅仅是轧制设备选型的依据，更是调控板材微观组织结构的有力武器，参数选取是否合理对于板材的微观组织调控具有至关重要的作用[7]。为实现对材料流变过程中微观组织的有效调控，研究人员基于动态材料学模型(Dynamic materials model, DMM)提出了热加工图概念[8]。热加工图由应变速率与应变温度空间中的功率耗散系数与失稳系数所叠加而成，它能够充分反映不同温度与应变速率下材料内部微观组织的演变机理，对材料的可加工性能进行评估的同时确定加工的“安全区”和“失稳区”，为热加工参数的选取提供有效指引。

基于DMM理论，诸多研究人员绘制了各类金属的热变形加工图用以指导热加工工艺参数选取和优化。通过对热压缩流变应力曲线结果分析，Yang等人[9]绘制了Al-Cu-Li合金的热加工图，表明动态回复与动态再结晶是变形“安全区”的主要变形机制，而在“失稳区”则主要发生局部流变与绝热剪切；Kai等人[10]综合研究了Al-Mg-Si合金在热变形过程中的流变行为、微观组织演变规律，并建立了合金的热加工图，明确了该合金的两个最优加工参数范围；Zhang等人[11]绘制了Cu-Cr-Zr-Y合金在变形温度为650℃~850℃、应变速率为0.001~10 s⁻¹范围内热加工图，对“安全区”及“失稳区”进行的微观组织检测表明了热加工图的可靠性，并明确了失稳区变形能力相对较弱的原因。热加工图在35CrMo合金[12]、Al-Zn-Mg-Cu合金[13]、BT9金属[14]等材料中均得到了应用。大量研究表明：热加工图能够实现对合金热加工过程中微观组织演变进行精确的预测，为热加工工艺的优化选取提供有效的指引。

5083铝合金热轧过程中工艺参数的变化，必然对材料微观组织的演变产生巨大的影响，通过建立热加工图，为热轧工艺参数的优化选取提供指引，对于指导该合金热轧工艺参数以及材料微观组织调控具有重要的意义，同时也是确保合金高性能热加工成功的基石。本文以5083合金为研究对象，通过Gleeble-3810热模试验研究该合金在不同热变形参数条件下的高温流变行为，基于DMM理论，建立5083合金热加工图，为5083合金工业化生产热加工参数优选提供参考。

2. 实验材料与方法

实验采用的5083化学成分为Al-4.7Mg-0.7Mn-0.15Cr-0.4Fe-0.4Si-0.25Zn-0.15Ti-0.1Cu (wt.%)。用于热压缩模拟的试样采用线切割后外圆磨床精磨，尺寸为φ10 mm × 12 mm。实验采用Gleeble-3810热模拟实验机完成，为减少压缩过程中的摩擦，压缩试样两端均放置有润滑油的石墨垫片。热压缩实验工艺路线如图1(a)所示，压缩终了真应变控制为0.9。实验采用温度与应变速率正交的方式，应变温度设置为280℃，340℃，400℃，460℃，520℃这5种，而应变速率则为0.01 s⁻¹，0.1 s⁻¹，1 s⁻¹，10 s⁻¹这4个。压缩开始之前，试样首先以10℃/s从室温加热至热压缩温度，并在该温度保温3 min，而后按照设定应变速率进行压缩，压缩完毕后立即进行25℃水淬冷却至室温以保持变形微观组织。从压缩后样品芯部取样并电解抛光和阳极覆膜后进行微观组织观察。电解抛光工艺：采用直流稳压电源，抛光试剂为10% HClO₄ + 90% C₂H₆O，电压20 V，抛光时间处于3~5 s。阳极覆膜工艺：阳极氧化试剂为6 mL HBF₄ + 200 mL H₂O，电压18 V，电流小于0.1 A，覆膜时间为10~14 s。金相采用Olympus DSX 500光学数码显微镜进行偏光观察。热压缩前试样的典型代表性金相照片如图1(b)所示。

(a) (b)

Figure 1. The process route of hot compression test (a) and typical microstructure of the ingot used for experiments (b)

图1. 热压缩试验工艺路线图(a)以及实验用样品典型金相组织(b)

3. 结果与讨论

3.1. 真应力–应变曲线

Gleeble-3810热模拟实验机压缩过程5083合金的典型真应力应变曲线如图2所示。从该图可以看出，在应变初始阶段，合金流变抗力急剧增大，而后增速变缓或下降一定数值后趋于稳定。且在相同应变速率条件下，流变抗力随着形变温度的增大而降低；相同形变温度下则流变抗力随着应变速率的下降而降低。

真应力应变曲线是合金高温流变过程中微观组织剧烈变化的外在反应，流变初始阶段，合金中位错大量累积，发生加工硬化导致流变抗力增大，在应力应变曲线上表现为流变抗力急剧增大，当温度较低或者流变速度高的时候表现尤为明显。当应变累积到一定程度时，合金储能足够开动基体发生动态回复甚至动态再结晶，这二者引起合金发生动态软化，表现在应力应变曲线上就是真应力趋于稳定或者下降一定数值后趋于稳定，正如图2(a)中553 K形变条件下的曲线，应力急剧上升后趋于稳定，而793 K应变温度10 s⁻¹应变速率条件下，应力则先急剧上升，而后下降，并最终趋于稳定图2(b)。

(a) (b)

Figure 2. The true stress-true strain curves of 5083 alloy under strain rate of 10 s⁻¹ (a) and temperature of 793 K (b)

图2. 5083合金在应变速率为10 s⁻¹ (a)以及应变温度为793 K (b)时的应力应变曲线

3.2. 热加工图理论

在给定的变形速率与温度条件下，合金动态本构方程可以表述为[15]：

$\sigma =K{\dot{\epsilon }}^m$ (1)

式中，K为特定材料常数，m为应变速率敏感性指数。

式(1)的应力曲线可表示如图3(a)所示，矩形所占面积是材料在变形过程中吸收的全部能量P，可分为G与J两部分，G表示热变形过程中所消耗的能量，称为耗散量，J表示材料微观组织演变所消耗的能量，称为耗散协量。热变形中材料吸收的全部能量P可表示为[8] [16]：

$P=\sigma \cdot \dot{\epsilon }={\displaystyle \underset{0}{\overset{\dot{\epsilon }}{\int }}\sigma }\text{d}\dot{\epsilon }+{\displaystyle \underset{0}{\overset{\sigma }{\int }}\dot{\epsilon }}\text{d}\sigma =G+J$ (2)

应变速率敏感因子m被认为是耗散量G和耗散协量J之间的比例，可表示为：

$m=\frac{\partial J}{\partial G}=\frac{\dot{\epsilon }\partial \sigma }{\sigma \partial \dot{\epsilon }}=\frac{\partial \ln \sigma }{\partial \ln \dot{\epsilon }}$ (3)

对于稳态流变，m值介于0到1之间，当m = 1时，材料近似于粘性流体，可看成是理想的线性耗散体，如图3(b)所示。

由式(3)可以得出耗散协量J的表达式：

$J={\displaystyle \underset{0}{\overset{\sigma }{\int }}\dot{\epsilon }}\text{d}\sigma =\frac{\sigma \dot{\epsilon }m}{m+1}$ (4)

当m = 1时，J达到最大值，即：

$J=J_{\max }=\frac{\sigma \dot{\epsilon }}{2}$ (5)

将J与J_max的比值定义为材料热变形过程中的功率耗散系数η，即：

$\eta =\frac{J}{J_{\max }}=\frac{2m}{m+1}$ (6)

(a) (b)

Figure 3. Dynamic constitutive model [8]: (a) nonlinear dissipative body, (b) ideal linear dissipative body

图3. 动态本构方程示意图[8]：(a) 非线性耗散因子；(b) 理想线性耗散因子

功率耗散系数可用以表示不同变形条件下材料的微观组织演变特征，如动态回复、动态再结晶、孔洞及裂纹萌生等现象。将不同变形条件下材料的功率耗散因子绘制成等高线图即可得到功率耗散图。

在Murthy失稳判据、Prasad失稳判据、Alexander失稳判据、Gegel失稳判据等众多失稳判据中，Prasad失稳判据以其预测范围大、适用性强而被广泛应用。本文采用Prasad基于大塑性流变与不可逆热力学极值原理，以及应变速率敏感因子m值不变的假设，建立材料塑性变形中的失稳判据[8]：

$\frac{\text{d}D}{\text{d}\dot{\epsilon }}<\frac{D}{\dot{\epsilon }}$ (7)

式中D为关于耗散系数的函数，当式(7)满足条件时，系统则不稳定。考虑到耗散协量J与微观组织演变紧密相关，Prasad用J代替D，将式(7)改写为：

$\frac{\text{d}J}{\text{d}\dot{\epsilon }}<\frac{J}{\dot{\epsilon }}$(8)

所以有：

$\frac{\partial \ln J}{\partial \ln \dot{\epsilon }}<1$ (9)

对式(4)两边取对数，并对$\ln \dot{\epsilon }$ 求偏导可得：

$\frac{\partial \ln J}{\partial \ln \dot{\epsilon }}=\frac{\partial \ln \left(\frac{m}{m+1}\right)}{\partial \ln \dot{\epsilon }}+\frac{\partial \ln \sigma }{\partial \ln \dot{\epsilon }}+1$ (10)

联合式(9)与(10)可得到Prasad流变失稳判据：

$\xi \left(\dot{\epsilon }\right)=\frac{\partial \ln \left(\frac{m}{m+1}\right)}{\partial \ln \dot{\epsilon }}+m<\text{0}$(11)

绘制失稳判据与热变形参数组成的等高线图可得到失稳图，当失稳判据为负值时，表明材料在该变形参数区域容易发生失稳，在热变形工艺参数设计时应尽可能避开该区域。将功率耗散图叠加在失稳图上就可以得到该合金在某个应变下的加工图。

所研究5083合金不同真应变状态下的$\ln \sigma$ 与$\ln \dot{\epsilon }$ 关系以及对应的三次方拟合曲线如图4所示，可以看出，三次曲线可以很好地对不同应变状态下应力与应变速率关系进行拟合。

(a) (b)

(c) (d)

(e)

Figure 4. Relationships between the flow stress and strain rate and the fitting curve under strains of (a) 0.1; (b) 0.3; (c) 0.5; (d) 0.7; (e) 0.9 (symbols for the experimental results; solid line for the fitting curves)

图4. 不同真应变状态下应力与应变速率关系以及拟合曲线(a) 0.1；(b) 0. 3；(c) 0.5；(d) 0.7；(e) 0.9 (符号为实验值，实线为拟合曲线)

3.3. 5083合金热加工图及微观组织观测

如图5所示为5083合金在真应变为0.3、0.6和0.9时对应的热加工图，可以看出随着应变的增大，合金中开始出现失稳区(灰色区域)，在应变量为0.3的时候即出现失稳区域。与其它研究人员的类似，随着应变量增大所占面积也随之加大。合金应变量的增大意味着外部能量输入增多，当输入能量无法及时以动态回复与动态再结晶的方式进行消耗时，合金基体发生绝热剪切、紊流以及裂纹萌生的方式进行释放，因而应变量的增大使得合金在热加工图上表现为失稳区域增加。从5083合金截止至0.9真应变的热加工图中可以看出，失稳区在真应变为0.9时达到最大值。5083合金在热加工过程中工艺参数的选取必须避免该类失稳区域，以防止构件在加工过程中出现局部流变、绝热剪切带以及开裂等缺陷，严重影响所加工构件的服役性能。

去除失稳区，热加工图中的其他部分都是安全区，可以进行热加工艺参数的选取。通常情况下，安全区域能量耗散系数值越高就意味着微观组织转变所耗费的能量所占比重越大，也即在热加工过程中动态再结晶与回复度高耗费的能量所占比重越大，在热加工过程中动态再结晶与回复程度越高，而这非常有利于所加工构件性能的提高，因此，安全趋于中具有较高能量耗散系数的趋于适合热加工参数的选取。

(a) (b)

(c)

Figure 5. Hot processing maps of 5083 aluminum alloy under strains of (a) 0.3; (b) 0.6; (c) 0.9

图5. 不同真应变状态下5083合金热加工图(a) 0.3；(b) 0.6；(c) 0.9

如图5(c)所示，当真应变为0.9时，加工图中出现大面积“失稳”区域，尤其在低应变温度与高应变速率组合区域。而当应变温度较高且应变速率较低的形变条件时，合金功率耗散系数较高。应变速率的提高会导致合金中储能急剧上升，因为加工应变速率的提高会使得加工硬化率的增大，而材料中动态回复与再结晶的驱动能量正是源于加工硬化所带来的储能。与此同时，高应变速率下位错增殖以及第二相对移动化所带来的阻滞作用等，均会使得材料内部畸变能的快速增大，而当应变温度较低时，合金流变无法及时消除储能，导致使得合金更容易在高能晶界、析出相周边与位错团聚缠结处发生“流变失稳”，正如图5(c)中高应变速率低应变温度区域所示。但是，随着应变温度的增大，基体中位错移动与消除增加，晶胞原子弛豫加大，合金有充分的应变时间进行动态回复与动态再结晶等微观组织转变，使得微观组织结构转变所耗散的能量值η所占比例随之增大，正如图5(c)中低应变速率低应变温度区域所示。同时，在同等应变温度下降低速率，时长增加会更有利于再结晶晶粒的长大，从而引起该区域功率耗散系数值η值的增大。

如图6(a)与图6(b)所示分别为5083合金在低温高应变速率以及高温低应变速率条件下典型的形变微观组织，可以看出，在低温高应变速率条件下(图6(a))，合金组织内部发生了明显的局部塑性流变现象，晶粒出现剧烈的拉扁溃缩状态，说明热压缩过程中材料存在不均匀变形，易形成局部塑性流，随着变形的继续，有可能产生裂纹。而在高温低应变速率条件下，合金基体当中出现了明显动态再结晶行为，尤其在晶界，出现大量细小致密的小尺寸晶粒，表明合金中发生了局部动态再结晶，与前述热加工图中该应变条件下合金具有较高的功率耗散系数一致。

(a) (b)

Figure 6. Optical microstructure of 5083 aluminum alloy at true strain of 0.9 deformed at conditions of (a) 280˚C/10s⁻¹, (b) 520˚C/0.01s⁻¹ (Magnification: 200×)

图6. 真应变为0.9时不同变形条件下5083合金微观组织图(a) 280℃/10s⁻¹，(b) 520℃/0.01s⁻¹ (放大倍率：200倍)

4. 结论

本文采用Gleeble热压缩模拟实验的方法，研究不同热变形参数条件下5083合金热加工行为，建立了合金的热加工图，得到结论如下：

(1) 5083合金高温流变抗力与热加工参数对微观组织影响存在强烈的映射关系，当流变温度提高时，流变抗力降低，而当流变速率增大时，流变抗力则随着增大。

(2) 5083合金热变形区域随着应变的增大而逐渐增大，当真应变为0.9时，合金在高应变速率低应变温度以及高应变速率高应变温度条件下容易出现失稳行为；而在高应变温度低应变速率条件下容易发生动态回复与再结晶。

(3) 所建立的5083合金热加工图能够实现对合金热加工过程中微观组织转变的有效预测，能够实现对合金热加工工艺参数选取进行指导。

基金项目

广西科技重大专项(编号：桂科AA23023028)。

NOTES

^*通讯作者。