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摘要：本文研究了未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金在強(qiáng)電場(chǎng)中超塑性變形時(shí)應(yīng)變速率敏感性指數(shù)、板料厚向異性指數(shù)、激活能、極限延伸率的變化和超塑性單向拉伸時(shí)的流變應(yīng)力特征。同時(shí)，研究了未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金在強(qiáng)電場(chǎng)中超塑性變形后材料的彈性模型、屈服強(qiáng)度、強(qiáng)度極限和斷裂時(shí)的斷面縮減率的彎化。并將超塑性拉伸研究結(jié)果應(yīng)用于未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金在強(qiáng)電場(chǎng)中的超塑性自由脹形，制作出了自由脹形零件，測(cè)量了相對(duì)極限脹形高度和零件相對(duì)厚度分布的變化。
關(guān)鍵詞：鋁合金 電場(chǎng)超塑性 機(jī)械性能 自由脹形
1 引言
電是一種重要的環(huán)境，對(duì)物質(zhì)的行為有著深刻的作用，一直被人們探索著。
應(yīng)用電進(jìn)行金屬加工技術(shù)的研究，始于原蘇聯(lián)和美國(guó)。在強(qiáng)電場(chǎng)中進(jìn)行金屬或合金的超塑性變形的研究是一項(xiàng)新穎的課題，正在受到廣泛地重視[1]。Conrad等[2]在733k和1.1×10-3s-1的變形條件下，對(duì)7475鋁合金外加2.0kV/cm的強(qiáng)電場(chǎng)進(jìn)行超塑性拉伸研究。結(jié)果表明，強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)7475鋁合金的超塑性變形有顯著的作用。例如，降低材料的流變應(yīng)力和應(yīng)變硬化速率；提高應(yīng)變速率敏感性指數(shù)。同時(shí)，他也指出強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)合金超塑性變形時(shí)的極限延伸率沒(méi)有明顯的改善作用，有時(shí)可能會(huì)降低[3]。李淼泉等[4]對(duì)未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金在763k和1.67×10-4s-1的變形條件下施加2.0kV/cm的強(qiáng)電場(chǎng)進(jìn)行超塑性拉伸研究，不僅獲得了與Conrad等類(lèi)似的結(jié)果。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在一定條件下強(qiáng)電場(chǎng)可使未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金在超塑性拉伸時(shí)的極限延伸率提高0.14倍以上。
眾所周知，超塑性材料一般為空洞敏感型材料。空洞的形核、長(zhǎng)大和聚合過(guò)程對(duì)變形后零件的使用性能的劣化作用會(huì)影響到金屬超塑性技術(shù)的有效利用，因而，關(guān)于空洞對(duì)超塑性變形后零件的使用性能的有害影響的研究已成為目前超塑性變形研究領(lǐng)域內(nèi)的主要熱點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)于強(qiáng)電場(chǎng)中進(jìn)行超塑性變形的研究主要集中在單向拉伸方面，工程實(shí)際應(yīng)用的研究在國(guó)內(nèi)外尚水見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道。
本文將研究未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金在強(qiáng)電場(chǎng)中的超塑性性能，在研究在不同變形條件下未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金超塑性變形后的室溫機(jī)械性能變化；并將強(qiáng)電場(chǎng)應(yīng)用于未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金的超塑性自由脹形研究中，制作自由脹形零件。
2 實(shí)驗(yàn)條件
2.1實(shí)驗(yàn)材料
以未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金板料為實(shí)驗(yàn)材料，板料厚度為2.0mm，硬度（HB）為131，平均晶粒尺寸（）為21.0μm，其供應(yīng)狀態(tài)CZ為冷軋后進(jìn)行淬火加自然時(shí)效。室溫組織為α-鋁基體上分布著起強(qiáng)化作用的θ（CuAl2）相和S（Al2CuMg）相。
2.2實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備
拉伸實(shí)驗(yàn)在ZD10/90型高溫電子拉伸機(jī)上完成。其最大載荷為100kN，具自動(dòng)控溫系統(tǒng)和無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。載荷一時(shí)間曲線由1kN的拉力傳感器、應(yīng)變儀及X-Y函數(shù)記錄儀組成的測(cè)試系統(tǒng)記錄。實(shí)驗(yàn)裝置為專(zhuān)用的強(qiáng)電場(chǎng)超塑性拉伸裝置。
室溫機(jī)械性能的測(cè)量在Instron 1195萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上完成。
超塑性自由脹形實(shí)驗(yàn)在100噸塑料壓機(jī)上完成。實(shí)驗(yàn)裝置為專(zhuān)用的強(qiáng)電場(chǎng)超塑性成形裝置。
強(qiáng)電場(chǎng)由商用電源（最大可達(dá)100kV）提供。
2.3實(shí)驗(yàn)方案
2.3.1超塑性拉伸
試樣的標(biāo)距尺寸為25×6mm。
通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)，研究不同變形條件下應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m值、變形時(shí)的激活能Q值、極限延伸率δL和流變應(yīng)力等的變化特征。
應(yīng)變速率敏感性指數(shù)的測(cè)量采用Backofen的速度突變法，激活能的測(cè)定按文獻(xiàn)[5]介紹的方法，極限延伸率為5個(gè)相近實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值。
2.3.2室溫機(jī)械性能
將經(jīng)過(guò)一定超塑性拉伸變形的試樣在最小截面處的兩面分別貼上電阻應(yīng)變片，以平均應(yīng)變作為輸出應(yīng)變，并記錄下載荷一應(yīng)變曲線，從而確定超塑性變形后試樣室溫拉伸時(shí)的機(jī)械性能，包括彈性模量E0值、屈服強(qiáng)度σ0.2值和強(qiáng)度極限σb值和斷裂時(shí)的斷面縮減率φ值。
2.3.3超塑性自由脹形
超塑性自由脹形的坯料直徑為120mm，脹形模半徑（R0）為43mm。
研究了不同條件下未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金超塑性自由脹形時(shí)的相對(duì)極限脹形高度H和脹形件的相對(duì)厚度S/S0的變化。
根據(jù)文獻(xiàn)[6]和本文的超塑性單向拉伸研究結(jié)果可獲得脹形極點(diǎn)處保持恒定應(yīng)變速率的加壓規(guī)律。實(shí)際加壓規(guī)律采用逼近的臺(tái)階加壓方式實(shí)現(xiàn)。自由脹形件極點(diǎn)處的變形程度按文獻(xiàn)[7]所給解析式計(jì)算。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1對(duì)超塑性性能的影響
圖1示出了應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m值的測(cè)量結(jié)果。由圖可見(jiàn)，合適的電場(chǎng)強(qiáng)度使得未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金超塑性變形時(shí)的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m值有明顯地增大，并且增大的上限值為0.30倍。m值是材料超塑性變形時(shí)的一個(gè)重要的特征量。一般說(shuō)來(lái)，當(dāng)T（變形溫度）＞0.5Tm（Tm為材料熔點(diǎn)的絕對(duì)溫度）時(shí)，m值的增大，材料的成形極限將提高[6]。由此可知，強(qiáng)電場(chǎng)改善材料的超塑性性能是完全可能的。
圖2 示出了板料厚向異性指數(shù)F值的測(cè)量結(jié)果。合適的強(qiáng)電場(chǎng)被引入到未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金的超塑性變形后，板料厚向異性指數(shù)F值增大。板料的厚向異性指數(shù)反映了材料在變形時(shí)抵抗變薄的一種能力。強(qiáng)電場(chǎng)作為一個(gè)特定的環(huán)境被引入到材料的超塑性變形過(guò)程之后，改變了材料的一些性質(zhì)，因而改善了材料抵抗變薄的能力[8]。由此可知，合適的電場(chǎng)強(qiáng)度將改善材料超塑性成形時(shí)的制作質(zhì)量。
圖3示出了激活能Q值的測(cè)量結(jié)果。由圖可見(jiàn)，強(qiáng)電場(chǎng)使得未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金超塑性變形時(shí)的激活能顯著降低。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為2.0kV/cm時(shí)比無(wú)強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)的激活能降低了0.20倍。激活能的降低使得變形時(shí)的應(yīng)變硬化效應(yīng)減弱，為降低流變應(yīng)力奠定了基礎(chǔ)。
據(jù)報(bào)道[4]鋁及鋁合金的晶界擴(kuò)散激活能為72kJ/mol，體積擴(kuò)散激活能為143.8kJ/mol。本文測(cè)得未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金超塑性變形（E=0）時(shí)的激活能為69.3kJ/mol與晶界擴(kuò)散激活能相近。因此，未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金在超塑性變形時(shí)主要是晶界行為起作用。
3.2 對(duì)極限延伸率的影響
圖4示出了極限延伸率δL的測(cè)量結(jié)果。由圖可見(jiàn)，強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金超塑性拉伸時(shí)的極限延伸率有重要的影響。合適的電場(chǎng)強(qiáng)度將顯著地提高未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金超塑性變形時(shí)的極限延伸率，這是由于強(qiáng)電場(chǎng)改善材料的超塑性性能的結(jié)果。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為2.0kV/cm時(shí)，未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金超塑性變形時(shí)的極限延伸率比無(wú)強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)提高了0.30倍。
3.3 對(duì)流變應(yīng)力的影響
圖5示出了流變應(yīng)力σ隨等效應(yīng)變的變化特征。由圖可見(jiàn)，強(qiáng)電場(chǎng)的引入使得未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金超塑性變形時(shí)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)階段延長(zhǎng)。這也是合適的電場(chǎng)強(qiáng)度將改善材料的超塑性性能的一個(gè)明顯標(biāo)志。同時(shí)還可發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)電場(chǎng)的作用之下，未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金超塑性變形時(shí)的流變應(yīng)力明顯降低。
3.4 對(duì)變形后室溫機(jī)械性能的影響
圖6 示出了未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金超塑性變形后的室溫彈性模量E0、屈服強(qiáng)度σ0.2、強(qiáng)度極限σb和斷裂時(shí)的斷面縮減率φ的測(cè)量結(jié)果。由圖可見(jiàn)，強(qiáng)電場(chǎng)使得未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金超塑性變形后的室溫性能下降的速度減小，也就是說(shuō)，合適的電場(chǎng)強(qiáng)度使得超塑性變形后材料的室溫性能比無(wú)強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)有提高。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為2.0kV/cm時(shí)，未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金經(jīng)等效應(yīng)變?yōu)?.29的超塑性拉伸后材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度、強(qiáng)度極限和斷裂時(shí)的斷面縮減率比無(wú)強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)分別提高了0.31倍、0.75倍、0.68倍和0.33倍。這種結(jié)果與強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金超塑性變形時(shí)的晶粒尺寸、第二相粒子的數(shù)量和形態(tài)、位錯(cuò)組態(tài)、微區(qū)成分濃度、空洞形態(tài)、空洞分布和空洞體積分?jǐn)?shù)的作用有密切的聯(lián)系[8]。
3.5在超塑性自由脹形中的應(yīng)用
圖7示出了未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金在強(qiáng)電場(chǎng)中超塑性自由脹形時(shí)的相對(duì)極限脹形高度H（=h/R0為脹形件的高度，R0為脹形模的半徑）和此時(shí)極點(diǎn)處的等效應(yīng)變的測(cè)量和計(jì)算結(jié)果。由圖可見(jiàn)，合適的電場(chǎng)強(qiáng)度使得未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金超塑性脹形時(shí)的相對(duì)極限脹形高度明顯增加。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為2.0kV/cm時(shí)，相對(duì)極限脹形高度和極點(diǎn)處的等效應(yīng)變比無(wú)強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)分別提高了0.15倍和0.26倍。由此說(shuō)明，在非單向拉應(yīng)力狀態(tài)（超塑性自由脹形時(shí)極點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)為雙向等拉應(yīng)力狀態(tài)[7]）下，強(qiáng)電場(chǎng)也會(huì)改善材料的超塑性性能。
圖8示出了未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金超塑性自由脹形時(shí)的相對(duì)厚度S/S0的分布情況。由圖可見(jiàn)，強(qiáng)電場(chǎng)的引入使得未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金超塑性成形時(shí)變薄的趨勢(shì)減弱，脹形件的相對(duì)厚度沿半徑方向的分布趨于均勻化。當(dāng)相對(duì)脹形高度（H）為0.50和電場(chǎng)強(qiáng)度為2.0kV/cm時(shí)，在脹形件的極點(diǎn)處的相對(duì)厚度比無(wú)強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)提高了0.11倍。這種結(jié)果與強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)板料厚向異性指數(shù)和超塑性自由脹形時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)的影響有關(guān)。
4 結(jié)論
1）未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金超塑性變形時(shí)主要是晶界行為起作用。
2）在單向和非單向拉應(yīng)力狀態(tài)下，合適的電場(chǎng)強(qiáng)度均會(huì)改善未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金的超塑性性能。
3）合適的電場(chǎng)強(qiáng)度使未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金超塑性拉伸時(shí)的成形極限提高了0.30倍，超塑性自由脹形時(shí)的成形極限提高了0.26倍。
4）合適的電場(chǎng)強(qiáng)度使未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金超塑性變形時(shí)的激活能降低了0.20倍。
5）合適的電場(chǎng)強(qiáng)度使未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金超塑性變形時(shí)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)階段延長(zhǎng)。
6）合適的電場(chǎng)強(qiáng)度使未經(jīng)預(yù)處理LY12CZ鋁合金超塑性變形后材料的室溫機(jī)械性能有明顯提高。
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