多向鍛造及時效處理強韌化變形鋁合金

嚴偉林

（廣西大學 材料科學與工程學院，廣西 南寧 530004）

鋁合金的強度不高，易產生塑性變形，在很大程度上限制了鋁合金的應用范圍。強化可使鋁合金勝任人類賦予的各種角色，完成各種功能。通常鋁合金強化的主要方法，有固溶強化、時效強化、過剩相強化、冷變形強化、形變熱處理強化、細晶強化及變質處理等。

上述的鋁合金強化方法，主要存在兩方面問題：一是強度顯著提高，而塑性急劇降低；二是塑性顯著增加，而強度提高的幅度很小。因此，探索新的強化方法，實現對鋁合金材料更直接有效強化，具有重要的理論價值和實用價值

強塑性變形技術具有強烈細化晶粒的能力[1]，可以將材料的內部組織細化至亞微米甚至納米級，如高壓扭轉（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。通過強塑性變形技術制備的超細晶/納米晶材料，具有獨特的力學及物理化學性能，為提高傳統材料的綜合力學性能和服役行為開辟了新路。

研究結果表明，強塑性變形技術制備的納米晶/超細晶材料，與利用其他方法制備的納米晶/超細晶材料相似，強度很高，但塑性很差[2～5]。本工作采用多向鍛造對鋁合金施加強塑性變形，細化晶粒，并配合時效處理工藝，使變形鋁合金的強度高且塑性良好。

1 試驗過程

試驗材料采用的6061變形鋁合金，為供貨狀態（T6）。鍛前坯料尺寸為20 mm×40 mm×40 mm，先對坯料進行固溶處理（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個方向反復鍛造，在每一方向上每次變形量大約為50%，3個軸向輪流進行，循環3次，最終鍛成16 mm×25 mm×80 mm的板坯。最后進行時效處理（125℃加熱并保溫6h、9h、12h和15 h，空冷）。用光學顯微鏡分析原始樣品和鍛件的顯微結構；用Instron8801拉伸試驗機測試試樣的室溫力學性能。

2 試驗結果及討論

圖1為原始樣品光學顯微組織。本試驗是以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，顯微組織顯著細化，超細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化。試驗達到了組織細化效果。但時效處理沒使鍛件的組織發生明顯的粗化。

圖2 多向冷鍛試樣組織

圖3 多向鍛造然后時效處理15 h試樣的組織

圖4 為樣品拉伸力學性變化情況。由于本試驗采用冷鍛加工試樣，使其強度大幅度提高。時效處理后，鍛件的抗拉強度略有增加，特別是經過多向鍛造，然后時效處理15 h后，強度增加到396.3 MPa。時效處理使鍛件的塑性提高，在保持較高強度的情況下，鍛件延伸率達11.08%。但延長時效處理時間，強度和延伸率都會下降。

圖4 試樣拉伸應力應變曲線

鍛件的強度顯著提高，主要是組織顯著細化，而晶粒尺寸的減小，將會增加位錯運動的障礙，減少晶粒內位錯塞積群的長度，導致其強度和硬度提高。Valiev發現多次累積應變[6]和低溫退火處理[7]，改善晶界狀態（如晶界結構與取向等），使材料的塑性變形易于以晶界滑移和晶粒旋轉的方式進行，純銅、純鈦的塑性獲得提高。

本試驗的試樣在互相垂直的3個方向多向鍛造，在每一方向上每次變形量大約為50%，3個軸向輪流進行，循環3次，累積應變量較大，然后再低溫時效處理（通常6061鋁合金的時效處理溫度為175℃），這些因素起到改善晶界狀態的作用，使鍛件的延伸率明顯增強，而且，時效處理減少鍛造應力，也能提高鍛件的塑性。

3 結束語

6061變形鋁合金，經多向鍛造加工及時效處理，抗拉強度增加到396.3 MPa，延伸率達11.08%。鍛件強度大幅度提高，是由于組織顯著細化和超細的第二相微粒彌散分布；多次累積應變和時效處理改善晶界狀態，時效處理也減少鍛造應力，使鍛件的塑性增強。

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