樊一婷

(西安醫(yī)學院,陜西西安 710021)

鋁在地殼中分布范圍最廣,儲存量在金屬中也是最多的,近幾十年在金屬材料方面的應用僅排在鋼鐵之后。鋁是具有面心立方晶格結構的一種元素,含有12 個滑移系,無同素異構轉(zhuǎn)變,相比其他結構如體心立方晶格和密排六方晶格的金屬,塑性較高。同時鋁具有密度小、導熱導電性好、抗蝕性好、可回收再利用等優(yōu)良性能[1]。由于鋁具有這些特殊的性能,在工業(yè)生產(chǎn)中,鋁合金也逐漸被廣泛應用于如交通、飛行器、土建、計算機以及機械制造、體育器材等方面。總之,鋁合金現(xiàn)已成為目前工業(yè)發(fā)展中的重要金屬材料。2024 鋁合金屬于Al-Cu-Mg 系可熱處理強化型的鋁合金,作為結構型高強度硬鋁合金,應用范圍非常廣。在體育器材中,鋁合金被大量使用,如:跳高丈量尺、接力棒、跳高架、跳高橫桿、跨欄架等,其中室溫冷軋變形和深冷軋制均屬于劇烈塑性變形方法[2]。作為一種重要的承重金屬,2024 鋁合金的力學性能也顯得尤為重要,需要具備高強度,還要具備良好的韌性、熱強性等。鋁合金材質(zhì)的體育器材在抗腐蝕性等各方面都有很大優(yōu)勢,主要是鋁合金材料置于空氣中,表面會形成一層穩(wěn)定的氧化膜,阻止腐蝕的進一步進行。由于鋁的密度小,導熱性能好,導電性好,塑性好,具有良好的抗腐蝕能力,礦藏豐富,因此被廣泛地應用于體育器材等諸多領域中。在工業(yè)處理中鋁及鋁合金能夠回收再利用,對環(huán)境友好,因此鋁及鋁合金的推廣使用具有良好的發(fā)展前景[3]。

1 概述

晶粒細化是目前提高材料強韌性最理想的方法,劇烈塑性變形可以使金屬材料的晶粒尺寸減小,而晶粒細化是使材料發(fā)生細晶強化的關鍵所在。有許多研究表明,在較低的溫度下,材料產(chǎn)生大變形更有利于獲得細小均勻的變形組織。因此低溫大變形已經(jīng)成為學者們的主要研究趨勢。

1.1 體育器材用鋁合金2xxx

2xxx 鋁合金的研發(fā)對體育器材制造業(yè)的發(fā)展意義重大,在體育器材的制造業(yè)中2xxx 鋁合金所占比例為25%,且主要做結構材料。在工業(yè)發(fā)展初期,對于鋁合金的要求只是需要滿足一定的靜態(tài)強度,以降低結構質(zhì)量,因此在這期間研發(fā)出了2024-T3 鋁合金。2024 鋁合金可以說是2xxx 鋁合金中最基礎、應用最為廣泛的合金,合金具有較高的強度,優(yōu)良的耐熱性和加工性,但耐蝕性較低。隨著合金技術的研究發(fā)展,由于對鋁及其合金性能研究的日益加深,逐漸完善了2124、2224、2324等的使用性能,并逐步、廣泛應用于國內(nèi)的各種體育器材中,使用鋁合金材料所占整體質(zhì)量的百分比為15%,如跳高丈量尺、接力棒、跳高架、跳高橫桿、跨欄架等,均由2024 鋁合金板材制造,具有較高的強度和組織穩(wěn)定性[4]。

1.2 鋁合金2xxx 成分組成

2024 作為2xxx 系基礎型鋁合金,其成分中元素基本為Cu 和Mg,同時還含有少量Mn,以及微量Si、Fe等元素,屬于以銅為主要添加元素的Al-Cu-Mg 系可熱處理強化型鋁合金[5]。銅元素在該系合金中起到非常重要的作用,它具有一定的強化效果,可以提高合金的強度與硬度,但同時也降低了合金的延伸率。銅的含量對合金性能很重要,在4%～6%時體現(xiàn)出的強化效果最好,因此許多硬鋁合金中的銅含量都在這個區(qū)間,銅含量如果大于這個區(qū)間,則合金的變形抗力會升高,也伴隨其他一些如抗腐蝕性和焊接性的下降。在實際應用過程中,很多企業(yè)為了滿足一定的性能,在鋁合金中添加一些其他元素,比如鎂。鎂的含量對合金也構成影響,它在經(jīng)過時效后所產(chǎn)生的效果比較明顯,力學性能顯著提高,尤其是經(jīng)過人工時效,強度明顯增加[6]。例如在合金中增加1%的鎂含量,抗拉強度就可以升高35MPa。在Al-Cu-Mg 合金中的鎂含量較低,要處理好雜質(zhì)鐵和硅的比值,防止Cu2FeAl7的形成,以免降低熱處理效果。材料中有的還加入少量Mn、Si、Cr、Ti 和Zr 等元素,這些元素可以提高合金的再結晶溫度,改善材料的焊接性能,同時起到細化晶粒的作用。

2 超細晶組織制備方法

2.1 超細晶

超細晶(UFG)具有非常小的晶粒尺寸(小于1μm),它的晶界面積要比粗晶(CG) 大,晶界處的缺陷也比粗晶多,因此細小的晶粒對材料強度有很大的改善。超細晶的晶界能量也非常高,處于不穩(wěn)定狀態(tài)。超細晶材料中大多數(shù)晶界處于非平衡狀態(tài),在適當?shù)耐饨鐥l件下這種狀態(tài)將向亞穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)化,如晶粒的長大、相變或固溶脫溶現(xiàn)象。例如,對純鋁進行ECAP 變形,1 道次變形后位錯明顯增多,晶粒為細長的亞晶組織,小角度晶界增多；3 道次后出現(xiàn)1μm 大小的等軸晶,大角度晶界開始增多；繼續(xù)變形到10 道次以后,1μm 大小均勻等軸晶形成。

2.2 SPD 技術

劇烈塑性變形(SPD) 方式主要用于制備大塊體積材料的超細晶組織,因其能產(chǎn)生強大的晶粒細化的效果,能夠使材料發(fā)揮出優(yōu)異的力學性能,吸引了許多科學和技術領域研究者們的興趣。傳統(tǒng)的改變金屬材料性能的加工方法,如扭轉(zhuǎn)、鍛造、擠壓等,應變量都比較小,不足以使晶粒大小達到理想的尺寸,細晶強化的效果也不夠明顯。而大塑性變形技術是目前普遍使用的一種新方法,能夠使材料獲得更大的塑性應變量,起到細化晶粒的作用。對于許多材料,如銅、鎂以及部分鋁合金等,通過強烈塑性變形方法[7],材料的晶粒尺寸可以細化到20nm。近年來的研究和總結,許多以ECAP 技術為基礎的工藝也相繼出現(xiàn),并被應用到實際中,再比如НPT 技術和ARB 技術,這三種方法的應用較為常見,它們的特點是材料加工前后在加工方向的尺寸比較穩(wěn)定,通過反復變形可獲得較大的累積應變量。其他的方法如多向壓縮(MAC)、往復擠壓(CEC) 以及反復彎曲校平(RCS) 等都不是特別常見。

2.3 冷軋工藝

冷軋是工業(yè)生產(chǎn)中常用的一種使金屬材料產(chǎn)生塑性變形的方法,使用具有更高強度金屬制成的軋輥,使金屬樣品的厚度變薄,從而使金屬樣品產(chǎn)生塑性變形,樣品變形量的大小由軋輥的輥縫決定。金屬樣品多次通過軋輥進行軋制,必然增加樣品塑性變形量,使金屬樣品在宏觀上厚度變薄,從而使金屬樣品內(nèi)部得到晶粒細化。對各種金屬進行冷軋試驗得到結論,冷軋可以使金屬晶粒得到細化,但是這種方法不能使晶粒無限的細化,通常只能細化到幾百納米。實驗研究發(fā)現(xiàn)一種更好的能使晶粒細化的方法,這就是低溫冷軋變形方法,這種方法充分利用液氮的低溫性質(zhì),將金屬樣品放入液氮中,待其冷卻至液氮溫度后,取出樣品進行軋制。因為這種方法是在低溫下進行的,所以叫做低溫冷軋變形方法。利用這種方法可以使一些金屬的晶粒最小細化至二十幾納米[8]。

采用的加工工藝是軋制,軋制的溫度為室溫和液氮兩種溫度,即冷軋及深冷軋制。冷軋變形同ECAP 工藝類似,區(qū)別是冷軋變形后合金的塑性較差,并且變形量較大時容易產(chǎn)生裂紋。主要是因為ECAP 更容易獲得大角度晶界。已有許多相關鋁合金的研究得出,2xxx 和7xxx 鋁合金在進行200～300 ℃退火時,組織內(nèi)部晶粒仍然保持亞微米晶粒,非常穩(wěn)定。其他系列鋁合金則發(fā)發(fā)生晶粒長大的現(xiàn)象。

3 塑性變形過程中材料性能變化

材料在通過SPD 方法后得到超細晶組織結構,該結構中含有大量的位錯,并具有較大的應變能,組織的微觀結構不穩(wěn)定,因而性能與其他多晶材料不同。超細晶材料變形的條件是在低溫的情況下使材料受到較大的應變能并且使其迅速變形,而材料在通過以上處理后而具有的超塑性以及較低的應變硬化能力是超細晶材料的主要特征[9]。

3.1 強度和塑性

關于超細晶材料的力學性能有兩種說法。一種是,由于劇烈塑性變形產(chǎn)生大量具有高角度晶界的細小等軸晶粒阻止位錯運動,提高了材料的強度,這些細小等軸晶粒還會促進晶界滑移等行為,因此提高了塑性。另一種是,劇烈塑性變形過程中引入了幾乎飽和的缺陷,削弱了位錯的活動能力,超細晶材料強度和硬度顯著提高的同時,斷裂延伸率卻顯著降低,即使對于具有較高韌性的金屬,其斷裂延伸率也不會超過5%。因此目前有許多國內(nèi)外學者致力于提高超細晶金屬材料塑性的研究,例如繼續(xù)對材料進行熱處理等[10]。

3.2 應變硬化行為

超細晶金屬材料在變形過程中具有較低的應變硬化能力。研究發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是超細晶金屬材料中平均自由程的減少。同時,合金在拉伸變形過程中,晶格位錯陷具有較快的移動動力,促使位錯與晶界相互合并、晶界遷移以及晶界合并等動態(tài)回復行為加速進行,使位錯密度降低,因此應變硬化能力減弱。ECAP 工藝獲得純Ti的超細晶,發(fā)現(xiàn)Ti的應變硬化能力也較低。透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn),在變形過程中,組織內(nèi)部形成了大量具有高內(nèi)應力的非平衡晶界,這種組織特征在ECAP 變形過程中較為普遍。非平衡晶界處的晶格位錯陷很容易發(fā)生分解,容易發(fā)生動態(tài)回復過程。在變形過程中,動態(tài)回復對金屬材料的應變硬化能力影響非常大[11]。同時還發(fā)現(xiàn),試樣在拉伸變形過程中大概需要154s,從而,在這一過程中,晶格位錯陷不斷擴展進入晶界,相互抵消,位錯逐漸減少,降低了應變硬化行為。在劇烈塑性變形的合金進行熱處理后發(fā)現(xiàn),熱處理可以使金屬的應力-應變曲線斜率發(fā)生明顯的改變,也就是超細晶材料的應變硬化能力增強的同時,斷裂延伸率也在提高。原因是熱處理提高了劇烈塑性變形后非平衡晶界的穩(wěn)定性。

4 劇烈塑性變形的相關細化機制

由于在劇烈塑性變形制備超細晶材料的過程中組織變化行為比較復雜,到目前為止還沒有形成統(tǒng)一的理論。目前,研究者們針對材料的特性,得出三種細化機制的觀點:位錯細化機制、孿晶細化機制和相變細化機制[12]。

4.1 位錯細化機制

Cu 和Al 具有較高的層錯能,這一類具有立方晶格結構的金屬,晶粒細化的主要機制一般是劇烈塑性變形所造成的位錯和位錯間界對大晶粒的分割,即位錯分割機制。對于大部分的多晶體材料,在塑性變形過程中,由于晶粒之間的方向具有各向異性,因此各晶粒的變形既相互抑制,又相互促進。

通過對純鋁的表面進行機械研磨處理(SMAT),在試樣表面形成了一層薄且致密的納米層。研究結論顯示:1)在對純鋁進行表面機械研磨后,在應變量增大的同時,它的顯微結構也在變化,依次為位錯胞、位錯墻、顯微帶、層狀結構、等軸亞微米晶、納米晶；2) 純鋁試樣表面在進行機械研磨時,由于應變的變化,使晶粒發(fā)生細化,生成尺寸更小的亞晶,隨著變形繼續(xù)增大,促使晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動和晶界的滑移,產(chǎn)生大角晶界,從而在純鋁試樣的表面形成隨機取向的納米晶[13]。研究表明純鋁ECAP擠壓變形超細晶演化過程:2 道次時,晶粒取向發(fā)生改變,組織中等軸晶粒數(shù)量較少；4 道次后,晶粒取向變化不明顯,晶粒開始細化,大角度晶界增多,晶粒尺寸細化到1μm 左右；繼續(xù)加大變形量,晶粒大小幾乎不發(fā)生變化,而是向等軸晶演化；當增加到10 道次時,組織由晶粒大小為1μm的等軸晶粒組成。張忠明等人分析認為,晶粒細化是在純剪切變形和應變量的同時作用下產(chǎn)生的。但是在不同階段,兩者所起的作用不同,并存在臨界晶粒尺寸。當晶粒尺寸小于臨界尺寸時,晶粒細化主要是通過剪切變形來實現(xiàn)的,應變量作用較小。當晶粒尺寸達到臨界尺寸,應變量則起到主要作用,表現(xiàn)在通過位錯的運動使合金組織形貌向等軸晶轉(zhuǎn)變。

4.2 孿晶細化機制

以孿晶方式變形的金屬一般是具有較低層錯能的金屬。在劇烈塑性變形過程中,會產(chǎn)生許多孿晶界,孿晶界分割大晶粒,這種晶粒細化機制被稱為孿晶細化機制。何運斌等研究者通過240℃的ECAP 變形,對ZK60 鎂合金組織進行研究分析發(fā)現(xiàn),未變形的ZK60 微觀組織中大多為粗晶同時還有大量的孿晶,變形開始時主要為剪切變形,而后組織內(nèi)發(fā)生動態(tài)再結晶行為,兩種過程同時進行,使晶粒細化。

4.3 相變細化機制

晶格結構為面心立方的金屬或合金,在發(fā)生塑性變形時通常會伴隨著馬氏體轉(zhuǎn)變。這種通過馬氏體相變而使材料的塑性得到提高的方法被叫做馬氏體相變誘發(fā)塑性變形。通過對異步軋制低碳鋼的晶粒細化機制研究得出,鐵素體的數(shù)量隨著變形量的增大而逐漸增多,變形量相當大時,碳化物彌散分布于鐵素體晶粒的邊界上,并且冷卻速度極低的情況下也沒有珠光體的存在,這說明大部分鐵素體是在變形過程中形成的。對304 不銹鋼進行8 道次的ECAP 變形,獲得了晶粒尺寸為74nm的超細晶,微觀組織顯示通過形變誘導馬氏體轉(zhuǎn)變,大部分區(qū)域產(chǎn)生了許多等軸和拉長的納米級晶粒。

5 變形鋁合金強化方式

變形鋁合金材料的固溶、變形和時效處理,其中包括多種強化方式。鋁合金的強化方法分類很多,具體可細分為以下幾種類型:①固溶強化,合金元素固溶到基體金屬中形成固溶體時使強度增加、韌性下降的一種方法。原因是合金元素融入基體金屬后,與基體元素之間形成了晶格畸變,使強度增加。②加工硬化,材料通過塑性變形以后強度顯著提高的現(xiàn)象,主要通過變形時應力所產(chǎn)生的數(shù)量較多的位錯密度。位錯密度越大,繼續(xù)變形時由于位錯間的相互作用,組織內(nèi)變形抗力就越大,合金強度也隨即增加。③沉淀強化,淬火后所獲得的過飽和固溶體,經(jīng)過適當?shù)臏囟仁怪纸獠⑽龀鰪浬⑾?并導致合金強度增加的方法。沉淀強化是效果非常明顯的一種強化方法,工業(yè)中被廣泛應用。④過剩相強化,大多為又脆又硬的金屬化合物,是指在基體中加入了過量的合金元素導致其不能溶入固溶體而析出的第二相組織。原因是其在合金中阻礙了位錯和晶界的移動,使強度升高,韌性降低。⑤彌散強化,一般是非共格細小顆粒狀彌散物對合金的強化。這種彌散物一般在高溫下產(chǎn)生,大小在0.1μm 左右并且屬于不可變形顆粒,其在組織中溶解較緩慢,阻礙位錯運動,顆粒越聚集,阻礙作用就越強,強度越高。⑥細晶強化,晶粒尺寸變小、晶界逐漸增多使合金強度提高的方法。原因是由于晶界運動較晶內(nèi)難度大,并且相鄰晶粒取向不同使晶內(nèi)的滑移受到影響,變形抗力增加,即合金強化。晶粒細化是材料中最常用的強韌化方法之一,且主要強化方式有:細化鑄造組織晶粒,控制彌散相細化再結晶晶粒,以及采用變形和再結晶方法細化再結晶晶粒。

6 結語

在體育器材領域,晶粒超細化已成為材料界研究者們十分關注的方向,晶粒超細化對于材料的力學性能有著十分重大的影響。對于為2024 鋁合金的材質(zhì),體育器材領域占比較大?？赏ㄟ^兩種低溫軋制(冷軋和深冷軋制)方式,獲得2024 鋁合金的超細晶粒,提高合金的強度,并通過時效處理提高合金的塑性,隨著軋制真應變量增加,2024 鋁合金試樣的晶粒逐漸拉長,變形量達到一定程度時,在變形晶粒中通過動態(tài)再結晶方式生成非常細小的等軸晶粒,組織發(fā)生超細化。較冷變形相比,深冷劇烈塑性變形可以獲得更為細小均勻的超細晶組織,主要是深冷變形過程更有效地抑制了組織的動態(tài)回復行為,動態(tài)再結晶效果明顯。