学士学位论文---铝锂合金高温塑性变形流变应力行为研究.doc

（2013届）
本科毕业设计（论文）资料

题 目 名 称：
铝锂合金热变形流变应力行为研究
学 院（部）：
冶 金 工 程 学 院
专 业：
金属材料工程
学 生 姓 名：

班 级：
金属材料094
学号：
指导教师姓名：

职称：
最终评定成绩：

本科毕业论文资料

第一部分 毕业论文说明书

（2013届）
本科毕业论文

题 目 名 称：
铝锂合金热变形流变应力行为研究
学 院（部）：
冶 金 工 程 学 院
专 业：
金属材料工程
学 生 姓 名：

班 级：
金属材料094
学号：
指导教师姓名：

职称： 讲师
最终评定成绩：

2013年 6 月

湖南工业大学

本科毕业论文

诚信声明

本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计），题目《铝锂合金热变形流变应力行为研究》是本人在指导教师的指导下，进行研究工作所取得的成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文章以明确方式注明。除此之外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。本人完全意识到本声明应承担的责任。

作者签名：

日期： 年 月 日

摘 要

利用Gleeble-1500材料热力加工模拟试验机对化学成分为Al-3.6Cu-0.8Zn-0.7Li-0.4Mg-0.4Ag的合金进行高温等温压缩试验，变形温度分别为300℃，350℃，400℃，450℃，500℃，变形速率分别为0.01 s-1，0.1 s-1，1 s-1，10s-1，研究该合金在不同变形参数条件下的流变应力行为。试验结果表明：Al-3.6Cu-0.8Zn-0.7Li-0.4Mg-0.4Ag合金流变应力同时受变形温度与变形速率的影响，变形温度升高，流变应力降低，变形速率升高，流变应力增大。应变为0.4时，合金进入稳态，其稳态流变应力可以用含Z参数的阿仑尼乌斯方程来表达，变形速率与变形温度、稳态流变应力之间的本构方程可以表示为：

关键词：铝锂合金；热压缩试验；流变应力

I

ABSTRACT

The flow behavior of Al-3.6Cu-0.8Zn-0.7Li-0.4Mg-0.4Ag alloy during different hot deformation conditions was studied by isothermal hot compress on Gleeble-1500 material simulation machine. The deformation temperature range is from 300℃ to 500℃ and the strain rate range is from 0.01s-1 to 10s-1. The results show that the strain rate and deformation temperature have a great effect on the flow stress. The flow stress increases with the increase of strain rate and decreased with the increase of deformation temperature. The flow stress of Al-3.6Cu-0.8Zn-0.7Li-0.4Mg-0.4Ag during the high temperature deformation process can be represented by Z parameter including the Arrhenius term and the thermal deformation constitutive equation is:

Keywords: Aluminium lithium alloy; hot deformation; flow stress

II

湖南工业大学本科毕业论文
目 录

第1章 文献综述 1
1.1 铝锂合金的发展 1
1.1.1 国外铝锂合金的发展历程 1
1.1.2 国内铝锂合金的发展历程 3
1.2 铝锂合金的应用 3
1.3 铝锂合金的性能 5
1.4 铝锂合金的生产 6
1.5 研究方法及趋势预测 7
1.5.1 研究方法 8
1.5.2 试验目的 8
1.5.3 趋势预测 8
第2章 试验方法 10
2.1 试验概述 10
2.2 热模拟试验 10
2.2.1 Gleeble-1500介绍 10
2.2.2 Gleeble-1500构成 11
2.2.3 试样准备 12
2.2.4 试验内容与步骤 12
2.3 金相试验 13
第3章 试验结果 14
3.1 原始组织观察 14
3.2 真应变应力曲线 15
3.2.1 绘制真应力-应变图 15
3.2.2 分析真应力-应变图 18
3.3 热变形流变应力方程 19
3.3.1 n1的计算 21
3.3.2 β的计算 23
3.3.3 热变激活能Q的计算 24
3.3.4 热变形流变应力方程的推导 27
结 论 30
参考文献 31
致 谢 32

III

第1章 文献综述

1.1 铝锂合金的发展
1817年，瑞典科学家阿弗维在分析锂云母和锂长石时发现了锂（Li），它是世界上最轻的金属元素之一，熔点为186℃，密度为0.534g／cm3（仅为铝的五分之一），它是在铝中的极限溶解度超过1at％的四种元素中之一。把锂作为合金元素加到金属铝中，便形成了铝锂合金。加入锂之后，可以降低合金的比重，同时仍然保持较高的刚度强度、较好的抗腐蚀性、抗疲劳性以及适宜的延展性。研究发现，每添加质量分数为1％的锂，合金密度会降低3％，弹性模量提高6％，这种效果是添加其它元素(Be、Mg等)所不能达到的。与一般铝合金相比，在强度相当的前提下，合金密度降低了10％，而弹性模量则提高10％[1]。因此Al—Li系铝合金用作结构材料，具有很大的经济意义。
1.1.1 国外铝锂合金的发展历程
其实，铝锂合金(Aluminium lithium alloy )并不是一个全新概念。人们对这种材料的认识经历了相当长的时间，长期以来人们就非常重视对铝锂合金的研究。早在本世纪20年代初，科技工作者就对铝锂合金的研究就已经展开了。期间出现了很多具有代表性的铝锂合金型号（见图1.1）。

图1.1 铝锂合金发展历程
1924年，德国成功研制出一种工业铝锂合金——司克龙（scleron）。这其实是一种含锂量仅为0．1%的铝锌合金。它的机械性能比当时流行的铝镁合金——杜拉铝要稍微好一点。但是由于当时杜拉铝已经得到公认，所以司克龙合金并没有受到应有的重视[1]。
1942年，美国的Alcoa公司(世界上最大的铝合金生产企业)，申报了第一个工业用铝锂合金专利——2020。开创了铝锂合金的工业化应用的先河，但是因为其缺口敏感性高、断裂韧性差等缺点于1969年停产[2]。
1943年，高强度铝锌镁铜合金的出现，再一次让人们低估甚至忽略了铝锂合金的工业价值[3]。
1957年，英国研制出了含锂量为1.1%的X-2020铝合金，该合金与其它普通铝合金相比具有更好的抗疲劳性能和高强度。之后这种合金被广泛用于舰载攻击机的机翼和尾翼的蒙皮上，并取得良好的效果。RA-5C飞机使用铝锂合金取代原合金材料后重量减轻了6%，这种减重效果在A330/340飞机上的使用更加明显(每架飞机上使用Al-Li合金650kg，可使飞机减重高达4250kg)。同时，原苏联的研究人员也研制出一种含锂量2%的铝锂合金。虽然各国的铝锂合金研究都取得了一定的成果，但还是因为产品性能未能达标而不能被广泛应用。之后，铝锂合金的发展进入了停滞期[1-3]。
经过了10年徘徊，1967发生了世界范围内的能源危机，这直接促使各大国又开始重视并研究铝锂合金。由于冶金技术和相关技术的提高，使含锂量更大、强度更高、比重更小的铝锂合金的出现成为了可能，期间出现了以2XXX和7XXX系列为代表的铝锂合金。据统计，目前许多国家的先进飞机都采用了这种合金。铝锂合金的成本大约只有碳纤维增强塑料的1/10，但是仍具有低比重、高刚度、高强度等性能特点。例如，采用铝锂合金制造的波音飞机，重量可以减轻14.6%，燃料节省5.4%，飞机制造成本将下降约2.1%，平均每架飞机每年的飞行费用约降低2.2%[4]。
1984年，美国的Alcoa公司又注册了Ai-Cu-Li系高强度，可焊接的2090铝锂合金。同年，英国的Alcan公司研发了8090系列铝锂合金[5]。
1996年6月，雷诺兹金属公司开始售出AA2l97合金板材，用于取代其它材料来制造美国空军F－16飞机的舱壁和零件。欧洲试验型战机EFA前部所有薄板状零件皆由8090薄板制成，驾驶舱内也使用了不少铝锂合金，占飞机总重量的9%。英、意合作生产的直升机EH101上，其机身框架、内部结构使用了非常多的铝锂合金板材和锻件，每架减少的重量多达200kg[3-5]。
2000年，美国研制出了几乎没有各向异性的2198、Al-Li-S4系列铝锂合金。此后，美国的莱特材料试验室研制出了AF/C489；Alcoa研制出了牌号为C-155的铝锂合金，其性能非常出色[6]。
1.1.2 国内铝锂合金的发展历程
我国对铝锂合金的研究起步较晚，“六十”年代时还是以仿制为主。“七五”开始我国才开始对铝锂合金的研究进行立项，由中南大学、东北大学、航空航天天研究院等科研单位与机构联合开展，主要任务还是仿制俄罗斯的铝锂合金。但是经过攻关，对铝锂合金的生产工艺有了一定的了解，培养了我国自己的研发队伍，为以后的铝锂合金研发奠定了基础。到了“八五”期间，国家加大了对铝锂合金研究的投入力度，在全国各大高校以及研究院内开展基础性研究工作，主要研究内容是中强度可焊接铝锂合金、高强高模铝锂合金、半连续铸造工艺三个方面。经过科技工作者的多年的努力已具备了生产小规格的板材和型材的能力，期间成功研制出了1420及2090国产铝锂合金，使我国的铝锂合金的研究向前迈进了一大步。“九五”期间提出了“高强度铝锂合金”研究课题，并从俄罗斯引进6吨的铝锂合金工业化熔铸生产线[6]。
我国分别在1991、1993、1996年开展了三次全国范围的铝锂合金研讨会。1997年始，以中南大学、东北大学、西南铝业研究所、航空621所等为主的科研单位对铝锂合金展开了更为深入的研究工作。近年来，由于来自国家“863”计划、自然科学基金的支持，我国现在已经具备了铝锂合金的大规模研制与开发的能力。这对我国航空航天等领域具有重大意义。虽然我国在铝锂合金微合金化、稀土铝锂合金方面形成了自己的特色，取得一定的成果。但客观上说跟发达国家的研究水平相比还存在一定的差距，目前我国的研究水平相当于美国、俄罗斯九十年代的水平[3-6]。
1.2 铝锂合金的应用
铝合金在本世纪初才开始工业性应用，第二次世界大战期间，铝合金主要被用于飞机制造业。大战之后铝合金的发展开始转向民生领域，使应用范围开始从航空航天领域扩展到建筑业、电力电子、机械制造、交通运输等与人民生活相关的民生领域。现在铝合金的应用领域之广、产量如此之大（1994年世界范围内的原铝消费量已达到1965万吨）已经仅次于钢铁材料。作为铝合金的一枝新秀，铝锂合金发展与应用已经进入快车道，随着各国研究人员的努力，许多新型号的铝锂合金如雨后春笋般出现，但应用范围还是局限于航空航天领域，相信不久的将来铝锂合金材料在人类的发展中将发挥更大的作用。
据推算，直升机重量每减轻1kg在整个服役期间节约的费用高达3000英镑；进入空间轨道的航天器每减轻1kg，其发射费用将节约12万元人民币；战斗机的重量若减轻15％，有效载荷将提高30％，飞机滑跑距离将缩短15％，航程会增加20％。因此各国都争先争先恐后研发各种减重材料，在这个大背景下铝锂合金材料便凸显了出来，尤其的它兼有减重并保持较好的强度韧性的特点。同时，铝锂合金相对于其它材料而言具有其它不可比拟的优势（见表1.1、表1.3）。这都正好符合航空航天领域对新材料的要求，因此它被认为是航空航天最理想的结构材料。铝锂合金大多被用于航天领域航天器减重方面，一般被用于机身舱门、框架、襟翼翼肋、整流罩、垂直安定面、进气道唇口、燃油箱等等（见表1.2）[1-6]。
其实铝锂合金材料的制备工艺与传统铝合金材料的制备工艺并没有太大的区别，可以沿用传统铝合金的制造技术与工艺；用铝锂合金取代传统铝合金尤其是再航空航天领域，无需对航天器进行较大修改；另外铝锂合金材料的成型、维修等比传统铝合金和复合材料更加方便，制造成本也比两者也低很多表（见表1.3）。这些因素都推动了铝锂合金的发展。
目前，世界各国都十分重视研制和开发新型铝锂合金材料。在二十世纪八十年代，全世界范围内掀起了铝锂合金研究的高潮，出现了许多型号的铝锂合金（见表1.4）但由于铝锂合金的特殊应用背景，铝锂合金研究中的关键技术各国都高度保密。

表1.1 铝锂合金相对于其它系列合金性能对比
系列
牌号
弹性模量GPa
抗拉强度MPa
屈服强度MPa
延伸率
％
密度
g/mm3
Al-Mg
LF6
66.6
314
157
15
2.64
Al-Cu
LD10
68.6
441
353
6
2.8
147
70.6
440
350
6
2.8
Al-Li
2195(美）
76
548
548
8.4
2.72
1460（俄）
80
530—570
460—500
2.5—12
2.6

表1.2 几种铝锂合金可制作的零部件
合金型号
可制作的零部件
1450（2090）
机翼前缘、副翼、襟翼、上机翼、机翼上不桁条、升降舵、座椅、发动机进气道等
1440（8090）
下机翼、机翼下部桁条、方向舵、机身骨架、机身纵梁、横梁、尾翼蒙皮等
1420、1423
舱口盖、地板、管道附件、支架支柱等

表1.3 铝锂合金相对于其它材料的性能对比

一般合金
复合材料
铝锂合金
减重效果
————
综合减重10—15％
综合减重5——7％
材料成本
1
4——6倍
2——4倍
屈服强度
一般
较好
较好
抗压强度
较好
较差
较好
可维修性
易于检测，维修简单不需专用工具
较差
维修工艺继承性较好
提高效率、降低成本的新工艺
————
缠绕铺成技术、RTM、RFI等
铝锂合金焊接技术、DCF损伤抑制部件、SR选择性增强
国内加工可实施性
好
一般
较好
抗雷击能力
一般
较差
一般

表1.4 目前常见几种铝锂合金的分类
分类标准
系别
常见合金名称
按成分分类
Al-Cu-Mg-Li系
2090、2091、8090、8091、01430、01440、
weldalite094(2094、2095、2096、2195等)
Al-Mg-Li系
01420、01421、01423、01429
Al-Li-Cu系
01450、01451、014560
性能
中强度
01420、01421
高强度
01450、01460、2090、2091、weldalite094
耐损伤
2091、8070
原材料
薄板、厚板、挤压型材、锻件等
1.3 铝锂合金的性能
目前，俄罗斯、美国、欧洲等都投入大量财力物力进行铝锂合金研究，新型铝锂合金不断被推出。如表1.5所示，虽然它的一系列的优点已初步显现出了巨大的生命力，但是由于还有许多诸如性工艺、造价、回收再利用等问题的困扰而不能被广泛的应用于工业上[1-6]。但是相信随着制备工艺的日益完善、成本的降低、使用经验的积累，铝锂合金的商业化生产与应用必将达到新的高度。

表1.5 铝锂合金的性能特点及发展
铝锂合金的优点
（1） 适当降低材料的密度；
（2） 更好的强度——韧性平衡；
（3） 耐损伤、抗疲劳性能优良；
（4） 耐腐蚀性能优良；
（5） 热稳定性好；
（6） 加工性能好，便于成型；
（7）更高的性价比；
铝锂合金存的缺点

（1） 合金的各向异性问题较普通铝合金严重；
（2） 合金的韧性塑性比较差；强度比较低；
（3） 大部分合金不可焊接，铆接时缺口效应敏感；
（4）热曝露后韧性会快速下降；
铝锂合金性能提搞的途径
（1） 微合金化；
（2） 形变热处理；
（3） 纯净化；
（4）再结晶；
铝锂合金的发展方向
（1） 超强、超韧性方向发展；
（2） 超低密度方向发展；
（3） 焊接性能得改善；
（4） 各向异性的改善；
（5）热稳定性的改善；
1.4 铝锂合金的生产
铝锂合金相图（见图1.2）可以为铝锂合金的生产提供理论依据，比如相图中的δ相具有固溶强化和沉淀强化作用，我们设计合金成分的时候就要尽量使锂含量靠近这一区域。而铜、镁、锆等元素与铝形成亚稳定的强化相：θ’相、Tl相(A12CuLi)、S相 (A12CuMg)、δ’相(Al3Zr)，也具有一定的强化作用，并能提高铝锂合金的其塑性和韧性[4]。
锂是化学性质非常活跃的元素之一，可以与水、氢气、氧气、氮气等化合，甚至与氧化铝、石墨等坩埚材料发生反应，所以铝锂合金的制备也有特殊要求。比如用熔炼法制备铝锂合金，则必须采用铁坩埚并在保护气体气氛中进行，还需快速搅拌。若采用粉末冶金法，由于粉末易爆炸也需要惰性气体保护。目前铝锂合金的制造方法主要有铸锭冶金法、粉末冶金法、熔盐点解法、喷射沉积成形法、模拟微重力冶金法等[1-6]。
铸锭冶金法（IM）仍然是现在的主流生产方法，主要是因为它沿用了铝合金的生产方法，成本较低。优点就是可以获得较大尺寸的铸锭，生产成本低。缺点是锂的含量很低，现在美国的Alcoa、英国的Alcan、俄罗斯等都采用这个方法生产铝锂合金。
粉末冶金法（PM）是利用高速空气或者惰性气体气流雾化熔体金属，冷却速度高达106℃/s。优点是成分均匀化，减少偏析，晶粒尺寸均匀，产品锂含量可达3％，而且相对于铸锭冶金法更安全。缺点是生产成本高，产品尺寸小。
熔盐点解法是将铝当做阴极，含锂的盐溶液作为电解液，这样就会在阴极上直接生成铝锂合金。这样的生产方法的优点是简单、节能、无烧损。缺点是锂容易在铝表面聚集，造成成分不均匀，锂密度小还有可能与阳极气体发生二次反应。
喷射沉积成形法的过程是利用惰性气体Ar或者N2将熔体金属雾化，雾化后的小颗粒会沉积在下面的锥形表面上。锥形表面是旋转的，这样就使得成分均匀并加快了冷却。因为惰性气体会隔绝空气，所以能减少锂的烧损。这种方法的优点是产品具有一定的韧性、延展性、抗疲劳性等特点，缺点是成本太高。
模拟微重力冶金法。在熔炼过程中由于合金元素的重力效应，会造成合金成分的不均匀。所以利用电磁设备模拟微重力环境可以减小重力引起的不均匀化。这种方法的优点是可以大大提高合金中的Li含量。

图1.2 Al-Li二元合金相图
1.5 研究方法及趋势预测
热变形流变应力是材料在高温下的塑性指标之一，在合金化学成分和内部结构一定的情况下，主要受变形温度、变形程度和变形速率的影响。
目前，在国内外通过研究热变形流变应力来综合反映合金在变形过程中的内部显微组织演变和性能变化的方法已比较成熟，且被广泛应用。比如西北工业大学的熊爱明等人对TC6钛合金在变形温度800 ℃～1040 ℃、变形速率0.001s-1-50s-1条件下发现TC6钛合金高温变形时对变形条件相当敏感，得到TC6钛合金最佳加工温度为920～950℃[7]。同样，中南大学的李英红等人对Al-Cu-Li系合金进行流变应力研究发现最合适的加工温度为410～470℃[8]。周冰峰和沈建等人通过在Gleeble-1500试验机上发现7055了铝合金流变应力随着变形速率增大而增大，随着温度升高而降低的现象，并且可以得到本构方程及硬化指数n=5.78、热变激活能146.4kj/mol[9]。湖南大学郭强等人对铸态AZ80 合金进行试验，得到高温压缩真应力-应变曲线呈现动态再结晶特征，温度大于250℃流变应力对变形速率敏感，温度小于250℃时影响不大[10]。因此对铝锂合金进行热变形流变应力行为的研究是十分有必要的，所获得的数据及结论可以为工业中铝锂合金材料的组织和性能的预测提供理论依据和指导。
1.5.1 研究方法
本构关系就是材料的流变应力与宏观热力参数之间的函数关系,是联系塑性加工过程中材料的动态响应与试验方法热力参数之间的媒介[11]。目前,国内外研究高温下合金流变应力数学模型大多是利用Gleeble-1500热模拟试验机。因此本论文也将采用Gleeble-1500热模拟试验机进行试验。首先选用一定成分的铝锂合金原料，机械加工成试样后在热模拟机上进行高温等温压缩试验，其中温度、位移和位移速率由热模拟机上的计算机控制。试验测得合金在一定温度一定变形速度下的流变应力后，用数学软件Origin分析处理试验数据[7-10]，得出Al-3.6Cu-0.8Zn-0.7Li-0.4Mg-0.4Ag铝锂合金的流变应力变化规律。
1.5.2 试验目的
（1）掌握Gleeble-1500热模拟机的简单操作与编程，并了解其一般的应用。
（2）掌握Gleeble-1500热模拟机测定材料的流变应力、屈服强度、抗拉强度等力学指标的原理。
（3）通过试验获得铝锂合金在不同温度和不同变形速率下的应力。
（4）用Origin软件分析试验数据，绘制真应力-真应变曲线。
（5）分析变形条件对合金流变应力的影响规律。
（6）构建合金热变形本构方程。
1.5.3 趋势预测
预测铝锂合金在高温压缩热变形试验过程中流变应力首先会随着变形量的增加而增大，到达最大值后会趋于稳态或者降低。流变应力对变形速率为正敏感，即在同一变形温度下流变应力会随变形速率的增大而增大，随着变形速率的减小而减小。在同一变形速率下流变应力随变形温度增高而降低。
目前国家非常注重铝锂合金的研究，一般的铝锂合金产品采用的原料都是铸态铝锂合金。基于此点，本文将在此方面进行细致入微的研究，以期能为铸态铝锂合金在后续的压力加工领域提供必要的试验数据和参考。
第2章 试验方法

2.1 试验概述
材料的力学性能在科学研究和工程应用中起着非常重要的作用。例如，数值模拟研究必须以力学性能为依据；负载结构的设计和材料加工工艺方案的制定必须以力学性能为参考。研究金属材料力学性能的方法有很多，如拉伸、压缩、冲击、扭转等。这些试验方法在研究材料的塑性变形方面起到了非常重要的作用。
温度因素对材料的力学性能影响非常大，材料在热加工或者在高温条件下负载时要考虑材料在此高温下的强度、塑性等重要力学性能指标。了解其测试方法及掌握其随温度的变化规律，是对高温结构材料进行科学研究和应用的基础。进行热模拟试验一般使用Gleeble-1500热模拟机，热模拟试验机是一个材料热机械加工性能分析系统, 具有急(慢)速升温降温、急(慢)速拉压变形、同时记录应变、温度、应力、力等参数变化曲线，可精确的模拟金属材料的铸造、冶炼、锻压、热处理、成形及焊接工艺等各个制备阶段的工艺与材料性能的变化之间的关系。
2.2 热模拟试验
本文拟利用Gleeble-1500热模拟试验机，对试样进行高温压缩热模拟试验，得到铝锂合金在不同条件下的真应力-应变曲线。分析变形温度、应变速度、应变程度等因素对变形抗力的影响。通过分析计算可以得到在一定变形温度和变形速率下的变形抗力。
2.2.1 Gleeble-1500 介绍
在最近几十年，随着热-力学模拟技术的发展，研究人员对热模拟试验装置、试验方法、测试技术等方面进行了大量的研究工作，研究范围包括了材料科学与工程材料以及加工工程领域中的组织研究、性能研究、应力应变研究等。在所有的热模拟试验装置中Gleeble动态热力学模拟试验机是一种应用最广泛的热力学模拟机，Gleeble第一台样机于1946年在美国伦塞勒工学院(RPI)诞生，并成立DSI。现在经过近几十年的不断修改与完善，已经发成展为由计算机控制的电液伺服闭环系统。其六大组成部分分别是主机、控制柜、液压源、计算机系统、急冷系统、真空系统。进行热模拟试验时试验过程全部由计算机控制，但是如有需要也可以用手工控试验进程，Gleeble动态热力学模拟试验机能模拟各种热-力学过程，是一种理想的动态试验机，受到了各国研究人员的青睐，因此也有人也称它为热-力学材料试验机。
2.2.2 Gleeble-1500构成
Gleeble-1500热模试验机由很多部分组成（如图2.1所示），但根据该设备的功能，可将它分为三个主要系统。

图2.1 Gleeble-1500结构方框图
（1）热控制系统
Gleeble-1500该机采用电阻加热系统（通过低频电流加热试样），其加热速度可以从0.002℃／s到10000℃／s。由于具有较小的集肤效应，因而整个加热区径向温度梯度很小，中间部位温度均匀。冷却速度由沿试样轴向的热传导来控制，它用闭环控制实现温度的实时监测与控制，是动态热模拟的理想系统。
（2） 力学控制系统
Gleeble-1500的机械系统是一个具有10吨静态拉伸（压缩）力的全集成液压伺服控制系统（如图2.2所示热模拟机进行拉伸试验）。最快可以达到1000mm/s的移动速度。

图2.2 热模拟试验机进行拉伸试验
（3）计算机控制系统
G1eeble-1500配置了实现全面数字控制。控制柜中的微机处理器与编程计算机通过网线交换信息，一方面，可以通过在台式计算机上的Quiksim软件中进行简单的表格式编程来模拟试验的基本工艺过程;另一方面，可同时显示和控制温度、载荷、应力、应变、位移等参数；试验过程中，上述数据能在计算机中实时显示，随时检测。试验结束后，试验的原始数据自动装入Origin软件中，试验人员可对数据进行下一步处理[7-11]。
2.2.3 试样准备
试验前按表2.1配置原料，熔炼铸造成锭坯。然后在520℃下对铸锭进行24小时保温进行均匀化处理。均匀化后沿铸锭轴向方向，将试样机械加工成Φ10mm×15mm圆柱形（见图2.3）。在试样两端开凹槽以存储润滑剂（75％石墨+20％机油+5％硝酸三甲苯脂）来减少摩擦力对应力状态的影响。
表2.1 试验用铝锂合金成分
元素
Cu
Li
Mg
Zn
Ag
含量/％
3.6
0.8
0.7
0.4
0.4

图2.3 热压缩试样示意图
2.2.4 试验内容与步骤
（1）在试样上焊接热电偶。
（2）打开总电源。
（3）按下主机上的电源按钮，控制柜中的计算机显示器显示各种运行资料，直至结束。
（4）观察控制柜上的“安全显示”按钮(显示灯为绿色时，说明控制系统件工作正常)。
（5）启动台式计算机，并按提示逐一操作。
（6）进入Quiksim编程状态。期间按提示密码，回车便可。
（7）高温压缩工艺进行编程。
（8）对事先制备好的试样进行装卡。
（9）如果试验需要在真空环境中进行，就需要开启真空系统，试验完后须关闭真空系统。
（10）仔细检查试验程序和试样的装卡。无问题后，单击程序表上部的“启动符号”，手动控制柜上的"Run"，试验开始。
（11）关闭真空系统；对真空系统充大气，取出试样。
（12）试验结束后将数据存储到相应的目录下。
（13）所有试验结束后，检查试验数据是否保存好。
（14）关台式计算机一关主机上的电源闸一关总闸。
2.3 金相试验
合金中由于合金元素的溶入，铸造过程中会形成大量非平衡共晶组织、枝晶偏析、区域偏析等。这些因素会使合金在加工性能变差。因此必须进行均匀化处理，均匀化的目的便是消除这些不利因素，使合金元素与非平衡共晶组织充分溶解，提高时效强化作用，提高合金的塑性和抗疲劳强度。均匀化前后的组织可以通过金相试验来观察。通过金相试验观察微观组织来变化来判断材料的各项性能。
试验步骤：
（1） 取样，取样要根据材料本身特性、加工工艺等特点来取样，要能代表材料的组织特性达到试验目的。
（2） 磨光，取样后截面一般不会平整，先用40-60号砂纸进行初次平整（或者使用锉刀），然后砂纸颗粒度由大减小的顺序进行细磨。
（3） 抛光，抛光是为了使表面更加光亮。抛光是再抛光机上进行的，同时要使用抛光液（根据试样的材料特性来选取）。抛光前用水清洗防止带入砂纸颗粒磨损试样。
（4） 腐蚀，由于晶界、两相分界处能量较高容易发生反应所以腐蚀后就会显现出不同的形貌特征。腐蚀前要先用水或者酒精清洗，腐蚀时间也根据具体材料有所差别从几秒到十几分钟不同。腐蚀好后经酒精清洗，然后用热风吹干后便可进行观察。
第3章 试验结果

3.1 原始组织观察
图3.1是铸态组织的金相照片，可见铸态组织中存在明显的枝晶组织，晶粒尺寸大约为60μm。由于铸造过程中发生的不平衡结晶，会在晶界处形成大量的共晶相，由于合金元素的加入形成了很多的非平衡结晶。这都会降低合金的强度、塑性和韧性。
图3.2是均匀化后的金相组织照片，可以看出均匀化后晶粒尺寸并没有太大改变但铸造中形成的非平衡相组织、共晶相溶入了基体中，晶界处合金元素溶入形成的偏析得以消除。

图3.1 均匀化前

图3.2 均匀化后

3.2 真应变-应力曲线
真应力-应变曲线（true stress-logarithmic strain curves）是用来表征变形抗力随应变程度的增加而变化的图形，又称硬化曲线。它可以定量的描述金属材料在塑性变形过程中加工硬化的增长趋势，可以为金属材料加工中变形力的计算、应力—应变分析提供参考。
3.2.1 绘制真应力-应变图
将试样放置在Gleeble-1500热模拟试验机上进行试验，变形温度范围为300℃-500℃，变形速率范围为0.01s-1-10s-1。试验过程中在试样上安装应变传感器（纵向延伸计），实时测量试样在压缩过程中长度方向的变化。变形后迅速水冷，保留原始组织。试验后可获得的大量数据储存在Gleeble -1500热模拟机内的计算机上，但是输出后的数据是力（Force/Kg）、位移(Stroke/mm)而不是真应力、真应变，还不能直接导入Origin软件进行绘图，因此数据须进一步处理才能用于绘图[11]，绘图步骤如下：
（1）将试验得到的数据导入到Excel中。
（2）编辑公式进行处理
1）根据试样在变形过程中的体积不变定律
（3.1）
F0 L0为以试样原始横截面积和长度， 为变形压缩量和变形后的截面积
（3.2）
2）真应力，Pt是变形某一瞬间时对应的应力是这时试样的横截面积，得真应力方程：
（3.3）
3）真应变。
（3）将真应力、真应变值导入Origin软件中。
（4）设置真应变为X轴真应力为Y轴。
（5）依次点击Plot——line——spline。

图3.3 应变速率为0.01的真应力-应变曲线

图3.4 应变速率为0.1的真应力-应变曲线

图3.5 应变速率为1的真应力-应变曲线

图3.6 应变速率为10的真应力-应变曲线

3.2.2 分析真应力-应变图
图3.3、3.4、3.5、3.6分别表示铝锂合金试样在同一变形速率(=0.01 S-1、0.1 S-1、1 S-1、10 S-1），不同变形温度（T=300℃、350℃、400℃、450℃、500℃）下的真应力-应变关系。从四个图中可以看出试验开始阶段在同一的变形温度与变形速率条件下，真应力随着真应变的增加而增加，之后便趋于稳定，进入稳态阶段。因此铝锂合金试样的热变形过程可分为两个阶段——过渡阶段（初始阶段）与稳态阶段[7-11]。
在高温压缩变形过程中，变形量很大时由于挤压力较大以至于润滑剂难以铺展开，润滑效果不理想。当变形量较小时润滑剂可以更好的发挥效果。取试样在=0.5时的应力值为稳态流变应力，如表3.1所示。

表3.1 试样不同变形温度变形速率下稳态流变应力（MPa）
温度(℃)

变形速率(S-1)

300

350
400
450
500
0.01
193
97
67
54
44
0.1
214
134
85
65
57
1
203
150
107
83
70
10
210
167
130
105
94

从图3.3到图3.6中可以看出铸态铝锂合金在高温压缩变热形时，具有明显的稳态流变特征，也就是在一定的变形温度与变形速率下，初始阶段真应力随着应变的增加而增加，但是当应变超过某一个特定值后真应力便不再随着真应变的增加发生变化，而是趋于稳定，进入稳态阶段。如在变形温度为500℃、变形速率为0.01S-1时，试样的流变应力一直维持44MPa左右。
试样在热变形过程中同时受到了加工硬化与动态软化的双重作用。在压缩热变形初始阶段，由于外加力的作用使得位错密度增加、位错间的交叉作用增加,加大了位错的运动阻力，而动态回复与动态再结晶引起的软化作用不足以克服位错增加带来的硬化，在稳态阶段之前都是加工硬化作用占主导地位，所以试样的流变应力会随着变形程度的增加而急剧上升。但是随着变形量的增加，达到一定阶段后由于动态回复与再结晶的软化作用加剧，使得动态回复与再结晶的软化作用与加工硬化作用达到了动态平衡，这就使得试样的流变应力在这种动态平衡中趋于稳态，后面便一直维持这种动态平衡[7-11]。
变形温度对流变应力的影响：从图3.7、表3.1可以发现在同一变形速率下，铝锂合金的流变应力随着变形温度的增加而降低，如试样在变形速率=0.01s-1变形温度T=