多向鍛造強(qiáng)化變形鋁合金

嚴(yán)偉林，黃錦元，陳 林

（廣西大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣西 南寧530004）

鋁合金具有密度小、熱膨脹系數(shù)低、比剛度和比強(qiáng)度高等優(yōu)異性能，在機(jī)械、建筑、交通、航空、航天和國(guó)防等領(lǐng)域中，廣泛得到應(yīng)用。但鋁合金的強(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。

面對(duì)21世紀(jì)人口的迅猛增加，資源的加速枯竭，生態(tài)環(huán)境的日益惡化等嚴(yán)峻問題，結(jié)構(gòu)材料的工作條件也急劇復(fù)雜化，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)材料的綜合性能，減輕結(jié)構(gòu)總質(zhì)量(提高材料單位強(qiáng)度)和提高材料壽命，已刻不容緩地?cái)[在人們的面前。因此，采用新的強(qiáng)化方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁合金材料更直接有效的強(qiáng)化，以滿足各個(gè)領(lǐng)域的新需求，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(jí)，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。

多向鍛造方法由于其工藝簡(jiǎn)單，成本低,使用現(xiàn)有的工業(yè)裝備，即可制備大塊致密材料以及可使材料性能得到改善等優(yōu)點(diǎn)，有望直接應(yīng)用于實(shí)際[1～2]。

本工作采用多向鍛造加工6061變形鋁合金，使材料的強(qiáng)度明顯提高且塑性良好，并探討鍛件顯微組織和力學(xué)性能的變化。

1 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)材料采用的6061變形鋁合金為供貨狀態(tài)（T6）。鍛前坯料為20 mm×40 mm×40 mm，先對(duì)坯料進(jìn)行固溶處理(加熱至520℃保溫60 min,水淬),然后分另利用65 kg空氣錘進(jìn)行多向鍛造加工：冷鍛，加熱130℃，保溫20 min和加熱400℃保溫20 min，然后再鍛造，全部先鍛成正方體塊，然后在互相垂直的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。以光學(xué)顯微鏡觀察和分析原始樣品和鍛件的顯微結(jié)構(gòu)，以HVT-1000顯微硬度測(cè)量?jī)x，所加載荷為0.980 7 N，加載時(shí)間為10 s對(duì)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，以Instron 8801拉伸試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)試樣的室溫力學(xué)性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

圖1為原始樣品光學(xué)顯微組織。本工作是以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(duì)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,使第二相盡量溶解,以改善合金的工藝塑性。

圖1 試樣原始組織

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(zhǎng)，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。

圖2 多向冷鍛試樣組織

圖3 加熱130℃保溫30 min多向鍛造試樣組織

圖4為樣品硬度值變化情況，圖5為樣品拉伸力學(xué)性變化情況。

圖4 試樣硬度變化情況

圖5 試樣拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線

在鍛造過程中，熱機(jī)械變形在晶粒細(xì)化中起重要作用。鍛造過程中，鍛件由于受到錘擊發(fā)熱，會(huì)削弱應(yīng)變作用的效果，即隨著溫度的升高，會(huì)發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，然后發(fā)生晶粒長(zhǎng)大。而且，多向鍛造過程的累積應(yīng)變量仍然較大，導(dǎo)致再結(jié)晶溫度下降。

因此，為獲得超細(xì)組織的鋁合金，鍛造在較低的溫度下進(jìn)行。試樣的鍛造加工溫度較低，因此，使組織明顯細(xì)化且強(qiáng)度和硬度大幅度提高，冷鍛和加熱130℃保溫20 min鍛造試樣的抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到從391.3 MPa和341.9 MPa，顯微硬度分別為HV 130和HV 115，而原始樣品的抗拉強(qiáng)度和顯微硬度分別為275 MPa和HV 95。加熱400℃保溫20 min再鍛造，由于溫度較高，多向鍛造未能使材料獲得強(qiáng)化，強(qiáng)度和硬度明顯下降。

鍛件的強(qiáng)度和硬度顯著提高，主要是組織顯著細(xì)化，而晶粒尺寸的減小，將會(huì)增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，減少晶粒內(nèi)位錯(cuò)塞積群的長(zhǎng)度，導(dǎo)致強(qiáng)度和硬度提高。Hall-Petch關(guān)系是建立在位錯(cuò)塞積理論基礎(chǔ)上，經(jīng)過大量試驗(yàn)的證實(shí)，總結(jié)出來的多晶材料的屈服應(yīng)力（或硬度）與晶粒尺寸的關(guān)系

式中，

σ0為位錯(cuò)在晶粒內(nèi)運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力；

k為常數(shù)；

d 是平均晶粒尺寸。

這與Hall-Petch關(guān)系一致，也與其他超細(xì)晶材料的力學(xué)性能相符[1～6]。

3 結(jié)束語(yǔ)

6061變形鋁合金經(jīng)多向鍛造加工，使組織明顯細(xì)化，且強(qiáng)度和硬度大幅度提高，冷鍛和加熱130℃保溫20 min鍛造試樣的抗拉強(qiáng)度，分別達(dá)到391.3 MPa和341.9 MPa，顯微硬度分別為HV 130和HV 115，而原始樣品的抗拉強(qiáng)度和顯微硬度分別為275 MPa和HV 95。強(qiáng)度和硬度大幅度提高，是由于組織顯著細(xì)化。

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