嚴(yán)偉林
(廣西大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣西 南寧 530004)
鋁合金的強(qiáng)度不高,易產(chǎn)生塑性變形,在很大程度上限制了鋁合金的應(yīng)用范圍。強(qiáng)化可使鋁合金勝任人類賦予的各種角色,完成各種功能。通常鋁合金強(qiáng)化的主要方法,有固溶強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化、過剩相強(qiáng)化、冷變形強(qiáng)化、形變熱處理強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化及變質(zhì)處理等。
上述的鋁合金強(qiáng)化方法,主要存在兩方面問題:一是強(qiáng)度顯著提高,而塑性急劇降低;二是塑性顯著增加,而強(qiáng)度提高的幅度很小。因此,探索新的強(qiáng)化方法,實(shí)現(xiàn)對鋁合金材料更直接有效強(qiáng)化,具有重要的理論價(jià)值和實(shí)用價(jià)值
強(qiáng)塑性變形技術(shù)具有強(qiáng)烈細(xì)化晶粒的能力[1],可以將材料的內(nèi)部組織細(xì)化至亞微米甚至納米級,如高壓扭轉(zhuǎn)(HPT)、等徑角擠壓(ECAP)、多向鍛造(MF)、等徑角軋制(ECAR)、超聲波噴丸(USSP)和累積軋焊(ARB)等。通過強(qiáng)塑性變形技術(shù)制備的超細(xì)晶/納米晶材料,具有獨(dú)特的力學(xué)及物理化學(xué)性能,為提高傳統(tǒng)材料的綜合力學(xué)性能和服役行為開辟了新路。
研究結(jié)果表明,強(qiáng)塑性變形技術(shù)制備的納米晶/超細(xì)晶材料,與利用其他方法制備的納米晶/超細(xì)晶材料相似,強(qiáng)度很高,但塑性很差[2~5]。本工作采用多向鍛造對鋁合金施加強(qiáng)塑性變形,細(xì)化晶粒,并配合時(shí)效處理工藝,使變形鋁合金的強(qiáng)度高且塑性良好。
試驗(yàn)材料采用的6061變形鋁合金,為供貨狀態(tài)(T6)。鍛前坯料尺寸為20 mm×40 mm×40 mm,先對坯料進(jìn)行固溶處理(加熱至520℃,保溫60 min,水淬)。然后利用637 N空氣錘進(jìn)行多向鍛造加工,首先把坯料鍛成正方體塊,再在互相垂直的3個(gè)方向反復(fù)鍛造,在每一方向上每次變形量大約為50%,3個(gè)軸向輪流進(jìn)行,循環(huán)3次,最終鍛成16 mm×25 mm×80 mm的板坯。最后進(jìn)行時(shí)效處理(125℃加熱并保溫6h、9h、12h和15 h,空冷)。用光學(xué)顯微鏡分析原始樣品和鍛件的顯微結(jié)構(gòu);用Instron8801拉伸試驗(yàn)機(jī)測試試樣的室溫力學(xué)性能。
圖1為原始樣品光學(xué)顯微組織。本試驗(yàn)是以6061鋁合金擠壓棒作為鍛件的原始坯料,在多向鍛造加工前,先對坯料進(jìn)行固溶處理(加熱至520℃,保溫60 min,水淬),其目的在于消除或減輕坯料中的某些組織缺陷,使第二相微粒盡量溶解,以改善合金的工藝塑性。
圖1 試樣原始織織
圖2 和圖3為樣品的組織。由圖可見,顯微組織顯著細(xì)化,超細(xì)第二相微粒彌散分布。本研究采用多次換向、多道次鐓粗、拔長,使鍛件的變形組織盡可能均勻和細(xì)化。試驗(yàn)達(dá)到了組織細(xì)化效果。但時(shí)效處理沒使鍛件的組織發(fā)生明顯的粗化。
圖2 多向冷鍛試樣組織
圖3 多向鍛造然后時(shí)效處理15 h試樣的組織
圖4 為樣品拉伸力學(xué)性變化情況。由于本試驗(yàn)采用冷鍛加工試樣,使其強(qiáng)度大幅度提高。時(shí)效處理后,鍛件的抗拉強(qiáng)度略有增加,特別是經(jīng)過多向鍛造,然后時(shí)效處理15 h后,強(qiáng)度增加到396.3 MPa。時(shí)效處理使鍛件的塑性提高,在保持較高強(qiáng)度的情況下,鍛件延伸率達(dá)11.08%。但延長時(shí)效處理時(shí)間,強(qiáng)度和延伸率都會下降。
圖4 試樣拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線
鍛件的強(qiáng)度顯著提高,主要是組織顯著細(xì)化,而晶粒尺寸的減小,將會增加位錯(cuò)運(yùn)動的障礙,減少晶粒內(nèi)位錯(cuò)塞積群的長度,導(dǎo)致其強(qiáng)度和硬度提高。Valiev發(fā)現(xiàn)多次累積應(yīng)變[6]和低溫退火處理[7],改善晶界狀態(tài)(如晶界結(jié)構(gòu)與取向等),使材料的塑性變形易于以晶界滑移和晶粒旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行,純銅、純鈦的塑性獲得提高。
本試驗(yàn)的試樣在互相垂直的3個(gè)方向多向鍛造,在每一方向上每次變形量大約為50%,3個(gè)軸向輪流進(jìn)行,循環(huán)3次,累積應(yīng)變量較大,然后再低溫時(shí)效處理(通常6061鋁合金的時(shí)效處理溫度為175℃),這些因素起到改善晶界狀態(tài)的作用,使鍛件的延伸率明顯增強(qiáng),而且,時(shí)效處理減少鍛造應(yīng)力,也能提高鍛件的塑性。
6061變形鋁合金,經(jīng)多向鍛造加工及時(shí)效處理,抗拉強(qiáng)度增加到396.3 MPa,延伸率達(dá)11.08%。鍛件強(qiáng)度大幅度提高,是由于組織顯著細(xì)化和超細(xì)的第二相微粒彌散分布;多次累積應(yīng)變和時(shí)效處理改善晶界狀態(tài),時(shí)效處理也減少鍛造應(yīng)力,使鍛件的塑性增強(qiáng)。
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