王明華(廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院珠寶學(xué)院,廣州 511483)

6061鋁合金ECAP變形后的微觀組織和硬度

王明華
(廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院珠寶學(xué)院,廣州 511483)

摘 要：對(duì)經(jīng)過(guò)固溶時(shí)效處理的6061鋁合金在室溫下進(jìn)行了4道次擠壓。采用光學(xué)顯微鏡分析了試樣ECAP變形前后的顯微組織變化，采用洛氏硬度計(jì)對(duì)6061合金ECAP變形前后進(jìn)行了硬度測(cè)試。結(jié)果表明：ECAP工藝不僅能夠細(xì)化6061鋁合金晶粒，而且可提高6061鋁合金硬度，經(jīng)過(guò)2道次擠壓后，合金洛氏硬度有了較明顯的提高，但在隨后道次的變形中，合金的洛氏硬度呈緩慢的下降趨勢(shì)，并且隨著變形道次的增加，擠壓試樣的各部分洛氏硬度值趨于一致，擠壓試樣各部分變形趨于均勻。

關(guān)鍵詞：6061鋁合金；等通道轉(zhuǎn)角擠壓；晶粒細(xì)化；洛氏硬度

等通道轉(zhuǎn)角擠壓(equal channel angular pressing，簡(jiǎn)稱ECAP)是一種能使多晶金屬試樣產(chǎn)生強(qiáng)烈塑性變形以實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化的技術(shù)[1,2]。相對(duì)傳統(tǒng)金屬材料塑性加工工藝而言，由于材料的橫截面面積和截面形狀在ECAP變形過(guò)程中不會(huì)改變，因而可以實(shí)現(xiàn)材料的反復(fù)定向、均勻剪切變形，在獲得大變形量同時(shí)又能使材料晶粒組織得到顯著細(xì)化[3-7]。由于ECAP 能有效地細(xì)化材料晶粒, 制備大塊超細(xì)晶材料, 因而目前該工藝受到材料科學(xué)界的普遍關(guān)注。

6061 鋁合金屬于熱處理可強(qiáng)化合金，具有良好的可成型性、良好的抗腐蝕性、可焊接性。廣泛應(yīng)用于要求有一定強(qiáng)度和抗蝕性高的各種工業(yè)結(jié)構(gòu)件，如制造卡車、塔式建筑、船舶等。本文以6061鋁合金為研究對(duì)象，在室溫下進(jìn)行等通道轉(zhuǎn)角擠壓，分析擠壓行為，研究6061鋁合金擠壓前后微觀組織和硬度變化。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與方法

1.1 模具介紹

等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝和模具示意圖如圖1所示，變形通道的內(nèi)轉(zhuǎn)角Φ為90°，外轉(zhuǎn)角為0°。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用材料是商用6061鋁合金，將材料加工成15×15×65mm的方料，首先對(duì)試樣進(jìn)行固熔時(shí)效熱處理。固熔時(shí)效熱處理規(guī)范如下：530℃ 1h+水淬，180℃ 8h+爐冷。加工爐選普通的電阻爐。對(duì)熱處理后的試樣進(jìn)行ECAP 4道次擠壓實(shí)驗(yàn)，擠壓路徑取C路徑，擠壓速度取4mm/s，擠壓過(guò)程中采用MoS2進(jìn)行潤(rùn)滑以減小摩擦對(duì)變形的不利影響。對(duì)每一擠壓道次試樣和1個(gè)原始試樣磨試樣，進(jìn)行金相顯微組織觀察和分析，同時(shí)采用洛氏硬度計(jì)測(cè)量擠壓后試樣的表面硬度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 擠壓工藝對(duì)材料的顯微組織的影響

圖2(a)為未經(jīng)過(guò)擠壓6061鋁合金試樣在經(jīng)過(guò)固熔時(shí)效熱處理后的金相組織圖?？梢钥闯鼋?jīng)過(guò)固熔時(shí)效熱處理后，試樣晶粒呈相對(duì)粗大的近似等軸分布。圖2(b)為材料在20℃下經(jīng)路徑C一次擠壓后的金相組織圖，和未擠壓試樣組織圖相比，經(jīng)過(guò)路徑C一次擠壓后的金相組織擠壓1次后，晶粒被擠碎拉長(zhǎng),晶粒細(xì)化非常明顯，但由于剪切變形的不均勻性，晶粒大小不均。圖2(c)為材料在20℃下經(jīng)路徑C二次擠壓后的金相組織圖，可以看出，經(jīng)過(guò)2道次擠壓后，晶粒沿剪切變形方向拉深變長(zhǎng)，晶粒呈條帶狀排列，晶粒細(xì)化效果更加明顯。圖2(d)為材料在20℃下經(jīng)路徑C三次擠壓后的金相組織圖，可以看出，3次擠壓后，晶粒沿剪切方向進(jìn)一步拉深變長(zhǎng)，晶粒呈條帶狀排列。圖為2(e)材料在20℃下經(jīng)路徑C三次擠壓后的金相組織圖，可以看到，擠壓4道次后，經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈塑性變形后，晶粒得到顯著細(xì)化，晶粒內(nèi)位錯(cuò)明顯減少, 晶粒沿剪切方向進(jìn)一步拉深變長(zhǎng)，晶粒呈明顯的條帶狀排列，并且拉長(zhǎng)的晶粒寬度變細(xì)，形成大量的排列很密的長(zhǎng)條狀組織。說(shuō)明經(jīng)過(guò)擠壓后，由于剪切變形作用，材料的晶粒得到細(xì)化，而晶粒大小直接影響到材料的塑性，經(jīng)過(guò)4次擠壓后的材料的晶粒最小，最均勻，同時(shí)從金相照片中我們可以清楚的看到一些黑點(diǎn)，初步推測(cè)其可能為基體中的第二相沉淀，但這需要進(jìn)一步的研究。

這種結(jié)果的出現(xiàn)和塑性變形過(guò)程中位錯(cuò)的增殖、湮滅及回復(fù)作用是分不開(kāi)的。變形不大時(shí)，位錯(cuò)密度較小，金屬基體內(nèi)積聚的內(nèi)能也較小，這時(shí)期位錯(cuò)湮滅速度要小于增殖速度，回復(fù)作用不是很明顯，從總的效果看位錯(cuò)在增加，位錯(cuò)密度在增大，晶粒細(xì)化作用較明顯。當(dāng)變形量達(dá)到一定程度后，位錯(cuò)的增殖和湮滅達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，同時(shí)隨著內(nèi)能的增加回復(fù)作用逐漸明顯，再擠壓時(shí)晶粒的大小和縱橫比基本上不再變化。但在變形的過(guò)程中由于相鄰晶粒間的相互作用，晶粒還要發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，因此晶粒間的晶界取向差會(huì)繼續(xù)大，大角度晶界的數(shù)量持續(xù)增加。6061鋁合金試樣ECAP變形后晶粒內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)高密度位錯(cuò)，這些高密度位錯(cuò)會(huì)促使合金組織動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，從而實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。在變形初始階段，塑性變形會(huì)導(dǎo)致分布雜亂的高密度位錯(cuò)纏結(jié)，相互纏結(jié)的位錯(cuò)間有較大的應(yīng)力場(chǎng)，從而會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)間相互作用并重排，形成胞狀結(jié)構(gòu)。隨著變形量的增加，位錯(cuò)胞數(shù)量增加，尺寸減小，胞內(nèi)幾乎不存在位錯(cuò)，胞壁的位錯(cuò)密度會(huì)增加。當(dāng)位錯(cuò)胞尺寸達(dá)到極小值時(shí)，變形量的進(jìn)一步增加不會(huì)使其尺寸減小。隨后若繼續(xù)進(jìn)行ECAP變形，引起位錯(cuò)的交滑移，發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)過(guò)程。之后隨著變形量的不斷增加，胞壁位錯(cuò)的纏結(jié)不斷地凝集，進(jìn)一步演化成清晰的小角度的亞晶界或大角度晶界，從而細(xì)化合金晶粒[8]。

2.2 擠壓工藝對(duì)材料硬度的影響

對(duì)于擠壓后試樣, 取試樣橫截面上洛氏硬度平均值進(jìn)行比，同一試樣選擇3個(gè)不同位置（如圖3所示）測(cè)量硬度，取平均值為最終結(jié)果，且將測(cè)得的值填入表1。對(duì)合金洛氏硬度隨擠壓道次增加而變化的關(guān)系如圖4所示，由圖4可見(jiàn)，擠壓前合金的洛氏硬度為69.2 ,合金硬度經(jīng)2道次擠壓后洛氏硬度有了較大幅度的增加。經(jīng)2道次擠壓后的試樣洛氏硬度達(dá)到79，與未擠壓試樣相比提高了11.7%。隨后合金洛氏硬度隨著擠壓次數(shù)的增加反而緩慢下降，在經(jīng)過(guò)4道次擠壓變形后，合金洛氏硬度為71.8。但是與未擠壓時(shí)的洛氏硬度，還是提高了3.7%。同時(shí)我們還可以從表中數(shù)據(jù)看到，隨著擠壓道次的增加，試樣上所取的3個(gè)測(cè)試點(diǎn)的硬度都趨于一致，如擠壓道次為4時(shí)，測(cè)試點(diǎn)1的洛氏硬度為71，測(cè)試點(diǎn)2的洛氏硬度為72，測(cè)試點(diǎn)3的洛氏硬度為72.5，因此我們可以得出結(jié)論隨著變形道次的增加，擠壓件的各部分變形趨于均勻。

6061合金經(jīng)2道次擠壓變形后，材料尚處于變形初期，此時(shí)材料內(nèi)部晶界所占比例較大, 而亞晶比例不大，晶格的畸變能也隨之升高, 晶界會(huì)嚴(yán)重阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng), 從而使位錯(cuò)在晶界處不斷塞積纏繞。因此合金經(jīng)變形初期的2道次擠壓后,晶粒得到明顯細(xì)化,同時(shí)會(huì)產(chǎn)生加工硬化, 使得硬度大幅度提高。此后隨著擠壓道次的增加, 位錯(cuò)數(shù)量會(huì)越來(lái)越多, 但同時(shí)也容易會(huì)被晶界堆積、吸收、湮滅, 使得材料中出現(xiàn)細(xì)小的亞晶組織或大角度晶界,使得位錯(cuò)密度并不會(huì)急劇增加 而是基本保持在某一相對(duì)穩(wěn)定的水平上, 此時(shí)應(yīng)變硬化作用和應(yīng)變軟化作用同時(shí)存在，并且應(yīng)變軟化作用要略大于應(yīng)變硬化作用，故ECAP變形2～4道次變形后合金洛氏硬度呈緩慢下降趨勢(shì)。

表1 不同道次擠壓后試樣的硬度值擠壓道次 1 2 3 平均值

3 結(jié)論

（1） 試樣晶粒隨擠壓次數(shù)的增加而減小，但由于變形程度不同，同一試樣的不同部位晶粒大小及形態(tài)還是有比較大的差異。

（2） 經(jīng)過(guò)2道次擠壓后，合金洛氏硬度有了較明顯的提高，但在隨后道次的變形中，合金的洛氏硬度呈緩慢的下降趨勢(shì)，這與變形后期位錯(cuò)很容易在晶界處堆積、吸收、湮滅有關(guān)，并且隨著變形道次的增加，擠壓試樣的各部分洛氏硬度值趨于一致，擠壓件各部分變形趨于均勻。

參考文獻(xiàn)：

[1]索濤,李玉龍等.徑通道擠壓中晶粒細(xì)化影響因素的研究進(jìn)展[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,22(01):132-137.

[2]于彥東，周浩.MB15合金等通道轉(zhuǎn)角擠壓組織模擬和實(shí)驗(yàn)分析[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2011,21(11):296-302.

[3]Valiev R Z,Islamgaliev R K,Alexandrov I V.Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation[J].Progress in Materials Science .2000(45):103-189.

[4]Segal V M. Materials processing by simple shear[J]. Materials Science and Engineering A,1995,197 :157-164.

[5]Valiev R Z. Structure and mechanical properties of ultrafine grained metals [J]. Materials Science and Engineering A ,1997, A234-236:59-66.

[6]Iwahash Y,Horita Z ,Nemoto M,et al. The process of grain refinement in equal-channel angular pressing [J]. Acta Mater ,1998 ,46(9) :3317-3331.

[7]Furukawa M ,Horita Z ,Nemoto M, et al. Review processing of metals by equal channel angular pressing [J]. Journal of Materials Science, 2001,36:2835-2843.

[8]劉永波.Al-Mg-Mn合金ECAP變形組織和性能的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2006.

作者簡(jiǎn)介：王明華（1986-），男，江西萍鄉(xiāng)人，助教，碩士研究生，研究方向：金屬材料及成型工藝。