高性能热锻态铜锡合金制备及其强力旋压成形工艺研究

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为了研究QSn7-0.2锡青铜合金热变形行为及热加工性能,寻求锡青铜合金合理的热加工工艺,制备优良综合性能的热锻态合金材料,本文采用Gleeble-3500型热模拟机对QSn7-0.2锡青铜合金进行了热压缩实验,并结合金相组织观察,对锡青铜的高温力学性能,微观组织演变及变形软化机制进行了研究。建立了Arrhenius型唯象本构方程,用以表征锡青铜热变形时的温度、应变速率、变形量及流变应力的关系。依据动态材料模型建立了锡青铜的热加工图,分析了合金的热变形特性。基于热加工图,确定锡青铜合金热加工的最优工艺参数,通过热挤压制备了热锻态的锡青铜合金。为进一步提高合金材料的强度及硬度,基于响应曲面法设计试验,对热锻态锡青铜进行强力旋压成形,研究不同旋压工艺参数及旋后热处理温度对于成形件硬度的影响,以及不同工艺参数间的交互作用,建立了关联硬度响应与工艺参数的回归预测模型,并对工艺参数进行了优化。主要研究结论如下:(1)锡青铜合金热变形过程中,流变应力先较快增长后趋于稳定,流变曲线总体呈稳态流变的特征。在其他实验条件一定的情况下,流变应力随变形温度的升高而降低,随应变速率的升高而增大。实验条件下的热变形激活能Q值为180.9 kJ/mol。建立的合金高温塑性变形本构方程经验算,误差与实测值相比基本保持在10%以内,能够较为精确地描述流变应力与变形参数之间的关系。(2)在建立的热加工图中,峰值功率耗散效率主要集中于应变速率在0.010.032 s-1范围内。峰值功率耗散效率的分布区域随着变形温度的升高而向右移。随着应变量的增大,峰值功率耗散效率逐渐降低,并且变化范围不断缩小。随着应变量的增大,流变失稳区域呈现向应变速率增大的方向移动的趋势。结合实际生产时的应变量,可选择锡青铜合金热加工的最佳工艺参数范围:变形温度为680730℃,变形速率为0.010.032 s-1。(3)选取热变形温度为720℃,变形速率为0.032 s-1,对锡青铜合金热挤压成形,发现原始粗大的晶粒发生了完全动态再结晶,生成了均匀细小的等轴晶,且分布有大量孪晶。合金的强度、硬度、伸长率均有不同程度的提升。(4)材料硬度随减薄率和进给比的增大而增大,随热处理温度的升高而降低。减薄率(A)和进给比(C)对于材料硬度的影响高度显著,热处理温度(B)、AC耦合与BC耦合的影响显著。以材料布氏硬度为响应,以减薄率、热处理温度、进给比为自变量建立的三元二次预测模型经验证具有较高的准确性。进行了工艺参数优化,优化后的工艺参数组合为:减薄率为34%,进给比为0.5 mm/r,热处理温度为300℃。
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