Cu—0.1Ag合金热变形行为研究及其本构方程

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摘 要： 银铜因其具有高导电、高导热、高抗磁性高塑性以及良好的加工成型性能等优点，被广泛的用作高速铁路领域内的接触线.本文应用Gleeble-1500D热力模拟试验机，采用等温压缩试验的方法研究了Cu-0.1Ag合金在热压缩变形中的流变应力行为，分析了不同变形温度、变形速率对Cu-0.1Ag合金热变形行为的影响.结果表明，变形温度越高，应变速率越小，合金越容易发生动态再结晶，Cu-0.1Ag合金越容易发生热变形.同时，综合采用Arrhenius型方程和Jonas双曲线函数模型描述了Cu-0.1Ag合金的本构关系.通过对试验数据进行线性回歸分析，确定了结构因子A、应力水平参数α、形变激活能Q以及应力指数 ，最终得出Cu-0.1Ag合金热变形过程中应力与应变速率的本构方程.

关键词： Cu-0.1Ag合金；热压缩变形；动态再结晶；本构方程

Abstract： Cu-Ag alloy was widly used as contact wire in the field of high-speed railway for its high electrical conductivity， high thermol conductivity， good forming ability and so on. The flow stress behavior of Cu-0.1Ag alloy during hot compression deformation was studied by isothermal compression test at Gleeble-1500D thermal-mechanical simulator. The effects of different deformation temperatures and strain rates on the flow stress behavior of Cu-0.1Ag alloy in the process of hot defomation were analyzed in this paper. The results show that the higher the deformation temperature， or the lower the strain rate， the more prone take place dynamic recrystallization， and the Cu-0.1Ag alloy more prone take place thermal deformation. Moreover， the constitutive relationship of Cu-0.1Ag alloy was characterized by combining Arrhenius equation and Jonas hyperbolic function model. Through the linear regression analysis of test data， the structure factor A， stress level parameter ， activation energy of deformation Q and stress exponent were obtained. Finally， we obtained the alloy constitutive equation of stress and strain rate in the process of hot deformation.

Keywords： Cu-0.1Ag alloy； hot compression deformation； dynamic recrystallization； constitutive equation

高速铁路是一个具有国际性和时代性的概念，电气化铁路的高速化已经成为衡量国家发展水平和铁路现代化的主要标志之一.我国在高速铁路上的应用和发展已经步入世界先进行列，不仅在国内极速发展，也走出了国门，走向了世界，其代表了我国先进的生产力.但同时也不可避免的遇到了一些瓶颈.在电气化铁路上，列车运行速度的极限基本上为接触线波动速度的70%.当列车运行速度接近于波动速度时，接触线的集电性能将会变差.不仅如此，接触线的波动传播速度决定了列车的最高运行速度.接触线波动传播速度越高，列车的运行速度就越高.故而对接触线的各种性能就提出了更高的要求.除了应具有良好的导电性外，还应具备足够的强度、耐磨性、高温抗软化性能以及一定的防腐蚀能力[1-3].银铜合金因具有高导电、高导热性、抗磁性、高耐蚀性、高的机械性能及高的塑性以及良好的加工成型能力等一系列优点，使其正好满足了接触线的苛刻要求.

目前，我国对高温下铜合金的变形抗力数学模型的研究相对缺乏，同时对合金动态再结晶机理和模型的研究也显得略少.本文选择Cu-0.1Ag合金，对其在不同变形温度、不同变形速率下的流变应力进行了研究和探讨，以期为该合金的动态再结晶提供研究基础.

1 试验

1.1 试验材料制备及设备仪器

采用连铸上引法制备制备实验用Cu-0.1Ag合金，其工艺流程为：上引—冷轧—拉制.利用管式铜套（石墨结晶器）伸入并浸没在熔化的铜液面下，上端与真空泵连通，首先将结晶器内空气抽出，在真空作用下，使管内产生负压，铜液徐徐吸引向上，并在引升器附近很快凝固成光亮铸锭，然后经冷轧或冷拉成杆，制备成22mm的杆坯[4-6].杆坯通过连续挤压进行扩展挤压制备28mm的加工杆，再经过三次冷轧和大拉将线径减小为2.3mm，最后通过中拉制备线径为0.5mm的Cu-0.1Ag合金，其主要成分如表1所示.

主要试验设备及分析检测设备：金属切割机、Gleeble-1500D热模拟试验机、镶样磨抛相关设备、蔡司金相显微镜、Origin7.5数据分析软件等.

1.2 试验方法

本试验采用圆柱体试样高温单道次压缩试验的方法，研究该Cu-0.1Ag合金杆的高温热变形行为.通过对真应力——真应变曲线的分析，得出试验的Cu-0.1Ag合金在热压缩过程中的流变应力数学模型以及变形速率、变形温度对试验的银铜合金高温变形行为的影响.

为研究不同热变形条件对Cu-0.1Ag合金热变形过程中流变应力行为的影响，设计以下等温热压缩试验：试样的总压缩量ɛ=1.0，试样温度范围为25～500℃（选取25℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃），反應速率范围为0.01 ～1s-1（选取0.01 s -1、0.1 s -1、1s-1），热模拟升温温度为5℃·s -1.

2 试验结果与分析

2.1 变形温度对应力应变曲线的影响

应用Gleeble-1500D热模拟试验机模拟试验了Cu-0.1Ag合金分别在0.01s-1、0.1s-1和1s-1应变速率下，不同变形温度的热变形行为，结果如图1所示.

由图1可以看出，Cu-0.1Ag合金在热压缩过程中，在相同的应变速率的条件下，随着变形温度的升高，应力逐渐降低.相关文献资料[7]表明，随着变形的发生，加工硬化程度持续增大，晶粒内部位错密度出现先增大后部分消失再增大现象，导致合金发生明显的动态回复和动态再结晶.变形温度低时，晶粒内部可启动的滑移系较少，只有位向有利于变形的晶粒可优先通过晶面滑移而促进变形的进行.变形温度较高时，由于原子的活动能力增强了，各晶粒在热变形过程中均可开启更多的滑移系，更有利于变形.

2.2应变速率对应力应变曲线的影响

图2为500℃温度下，Cu-0.1Ag合金在不同应变速率条件下的应力—应变曲线.可以看出：在500℃温度下的热变形过程中，随着应变速率的增加，应力逐渐增大.

应变速率低时，处于不同位向的初始晶粒具有足够的时间转至有利于变形的位置，晶粒内部各个区域的动态再结晶可以比较同步的进行，所以在个变形温度下曲线均表现了比较明显的软化特征.随着应变速率的增加，位向处于不利于变形的晶粒很难有足够的时间转至有利于变形的位置，加工硬化程度要大于软化程度，因此需要施加更大的应力才能使合金继续变形.

2.3 Cu-0.1Ag合金本构方程的建立

目前，根据相关研究可知，可以综合采用Arrhenius型方程和Jonas双曲线函数模型表示材料的本构关系[8]：

表2为不同热变形条件下Cu-0.1Ag合金的峰值流变应力，利用表2的数据绘制了如图3（a）、（b）所示的 和 的关系图，并进行了线性回归分析，得出了在 和 关系图中不同温度下直线的斜率，即为不同温度下的 、 值，结果如表3和表4所示.

根据 有： =0.00437.进而绘制了如图3（c）所示的 与 的线性关系图，其线性回归分析结果如表5所示.观察图3（a）、（b）和（c），发现不同温度和不同应变速率下的实验数据关系与 、 和 这三种关系均能较好的吻合，但是从各自的线性回归分析结果可以看出， 线性条件下，各个温度条件下的线性回归分析相关系数均要高出另外两种线性关系的相关系数，因此不同温度下实验数据关系与 最吻合.

根据公式（7）可以绘出 与1/T的关系图，如图3（d）所示.并对其进行了回归分析，结果如表6所示.可以得出Cu-0.1Ag合金在热变形过程中的平均形变激活能为138.93768KJ/mol.又A=exp（K+Q/RT） ，K为各个温度下 直线的截距，求得A值如表7所示.

3 结论

（1）Cu-0.1Ag合金在变形温度25～500℃，变形速率反应速率范围为0.01 ～1s-1的范围内，变形温度越高，合金越容易发生连续动态再结晶，应变速率越小，合金也越容易发生连续动态再结晶.

（2）通过对试验数据进行分析，得出了合金应力和应变速率的本构方程：

参考文献：

[1] 李明茂.适用于高速电气化铁路的铜合金接触线[J].有色金属加工，2005，34（2）：30-32.

[2] 张建波，张震宇，张洪锋等.铜银漆包线的制备及组织性能特征研究[J].科技资讯，2015，13（7）：6-7.

[3] 牛玉英，宋宝韫，刘元文等.银铜合金接触线的制造新工艺[J].塑性工程学报，2006，13（3）：65-68.

[4] 刘辉.连铸连轧法取代传统上引法生产高速电气化铁路用铜银合金接触线的研究[D].昆明理工大学，2004.

[5] 刘辉，胡忠卫，樊刚等.铜银合金接触线（CTHA）的性能研究[J].云南冶金，2004，33（3）：34-37.

[6] 吴予才.稀土在铜银合金导线生产中的应用[J].稀有金属，2006，30（6）：877-880.

[7] 王延辉，龚冰，李冰等.H65黄铜合金热变形流变应力特征研究[J].塑性工程学报，2008，15（6）：113-117.

[8] 张晓菲，彭成章，肖阳等.镍铝青铜高温变形的本构模型研究[J].热加工工艺，2012，41（20）：20-22.

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