铝合金的大塑性变形及组织细化机理
2007-10-16 11:00阅读：
铝合金的大塑性变形及其组织细化机理
1.绪论
铝是元素周期表中第三周期主族元素,具有面心立方点阵,无同素异构转变,原子序数为13，原子量为26.9815[1].铝的密度为2.72g/㎝3,故铝基合金的密度都比较小,一般在2.5-2.88
g/㎝3之间,但比强度高,可与合金钢相比[2].
铝具有一系列比其它有色金属,钢铁，塑料和木材更优良的特性，密度小，良好的耐蚀性和耐侯性;良好的塑性和加工性能;良好的导热性和导电性;良好的耐低温性能;对光热电波的反射率高;无磁性,耐酸性好等等诸多优点.铝材在航天,航空,航海，汽车，交通运输，桥梁，建筑，电子电气,冶金化工等各个领域都获得了广泛的应用[3].
半个多世纪以来,科学研究者们在材料的大塑性机理,冶金学,力学特性和应用技术等方面开展了广泛的研究.大塑性研究从观察某些金属及合金的塑性现象开始,进而深入研究其力学性能和变形机理，直到应用研究,已走过了漫长的岁月.在现代科学技术飞速发展的21世纪,
大塑性的研究是否还有生命力,大塑性理论研究如何深入,应用前景如何,是大塑性研究者们及其它材料工作者密切关注的题.
晶粒细化及织构控制是改善、提高金属材料性能的有效途径之一[4].合金材料在获得超细结构后,其物理性能,机械性能有显著提高.细化材料组织有很多方法.传统方法有冶金学方法,热处理方法和热机械加工等等[5].
尽管其晶粒尺寸最小可达10μm 并形成变形织构和/
或再结晶织构,但仍难以满足对高性能材料的要求[4].近年来,为得到更细结构的材料,人们开发了很多新技术,如气相冷凝法,高能球磨法,但这类方法加工的材料组织不致密,而且很难制备超细晶的大体积试样,其应用受到限制[5.26].
采用大塑性变形(Severe Plastic Deformation ,SPD)技术制备的材料通常具有超细晶(Ultra
F
ine Grained ,UFG)组织,可获得晶粒尺寸小于1μm
的UFG材料并形成一些特殊的织构组分,因此具有优异的力学性能和使用性能,这主要是由SPD技术的变形特征所决定的.在SPD
工艺中,作用于材料上的真应变可超过4.0 ,所以这些经过大塑性变形后的材料可具有UFG组织.而材料在SPD
过程所承受的独特的应力状态还可使材料形成不同于普通塑性变形所形成的变形织构和退火处理所形成的再结晶织构,从而使材料的性能得以提高,如对于铝合金,由于冷轧和随后的退火处理会形成强烈的{100}〈001〉立方织构,难以获得优异的冲压性能,而采用SPD
工艺制备的带材则可形成常规加工难以得到的{111} ∥ND 类型的织构,从而提高其冲压性能[4.27]
.
2. 大塑性变形方法
金属材料在受到外界力的作用下会发生变形,当外力达到一定时会发生塑性变形,而外力过大会产生大塑性变形,其后,材料的强度,硬度和塑性都会有较大程度的提高.
在外加载荷的重复作用下，材料表面的粗晶组织通过不同方向产生的强烈塑性变形而逐渐细化至纳米量级.图1
是高能喷丸装置示意图.工作时，整个容器作垂直振动，使弹丸从各方向与样品下表面发生大能量碰撞，使得样品表面产生强烈塑性变形而导致晶粒细化.
图1.1 高能喷丸装置示意图
对于立方系金属，高层错能材料的塑性变形一般通过位错运动;而具有低层错能的材料则为机械孪生;对于层错能介于二者之间的材料，位错滑移和机械孪生两种方式均可发生.对于结构对称性较低的金属，由于滑移面较少，即使在层错能较高的材料中（如钛）也存在着机械孪生.
急剧塑性变形制备纳米/超细晶材料急剧塑性变形是具有强烈的细化晶粒的能力，甚至可以将晶体加工成非晶.急剧塑性变可以在低温下使金属材料的微观组织得到明显细化，从而大大提高其强度和韧性，近年来的研究表明，SPD
法可以制备出具有亚微米级甚至纳米级微观结构的金属材料，因而日益受到人们的关注[6].
大塑性变形技术具有强烈的晶粒细化能力,可以直接将材料的内部组织细化到亚微米级甚至纳米级.俄国著名科学家R Z
Valiev教授认为,SPD技术应该满足多项条件[7],其中主要有:①大塑性变形量;②相对低的变形温度;③变形材料内部承受高压.在这一原则的指导下,大塑性变形工艺得到迅猛的发展.等通道转角挤压(
Equal Channel Angular Extrusion or Pressing , ECAE or ECAP)
工艺,连续挤压(Continuous Extrusion or Pressing),累积叠轧(Accumulative roll
Bonding , ARB) 工艺,高压扭转( High Pressure Torsion , HPT)
工艺,多向锻造(Multiple Forging ,MF) 工艺,循环挤压压缩(Cyclic Extrusion
Compression ,CEC) 工艺,连续反复弯曲(Continuous Cyclic Bending ,CCB)
工艺以及反复弯曲矫直(Repetitive Corrugation and St raightening ,RCS)
工艺等.
2.1 等通道转角挤压(ECAE)工艺
ECAE
工艺是20世纪80年代初由前苏联科学家Segal等在研究钢的微观组织和变形织构时提出的,它是一种以纯剪切方式实现块状材料塑性变形的工艺.它利用加工过程中剪切变形和加工硬化,来控制显微组织,达到细化晶粒,提高性能的目的[8.18.19.20.21.27.29.33].等通道转角挤压采用的模具是由两个等截面通道按照一定的角度相互交截而成的.挤压过程中,在压头挤压下,试样向下经过两通道的交角时,就会产生近似于纯剪切的变形,由此导致位错的重排而使晶粒得到细化并形成新的剪切变形织构.
其基本原理如图1所示.在ECAE工艺中,影响材料组织和性能的工艺参数主要包括模具结构、挤压路径和挤压道次、挤压温度、挤压速度等。此外,材料的初始微观结构和相组成等对ECAE
材料的微观组织和力学性能也有重要的影响[9].在试样与模具壁完全润滑的条件下，等通道转角挤压产生的总应变量取决于N,两通道的内角Φ和外界弧角Ψ的大小,其总应变εN
计算公式如下[10.11.12]
N= 2cot + csc （1）
式中:N为挤压道次,Φ为两通道内侧夹角, Ψ为外侧圆弧角.
改变通道弯曲角度Φ和Ψ,可以改变试样的道次变形量和变形需要的挤压力.变形前后,试样的外形尺寸不变,转动900或1800后再进行多次挤压,能明显地细化多晶材料的晶粒,从而获得超细晶结构,同时成功得制备出块状亚细晶材料[11.21].在挤压过程中晶粒的细化过程一般可以分为三个阶段:
①粗大的晶粒沿剪切的方向被拉长成为带装组织,大晶粒被粉碎成一些具有小角度晶界的亚晶;
② 晶被继续破碎,开始出现具有大角度晶界的等轴晶组织,
具有大角度晶界的等轴晶组织大量形成,已经不能将他们再视为亚晶粒,必须视为独立的晶粒;
③
形量的增大,晶粒间的位向差继续增大,大角度晶界形成,晶粒内细化成亚微米级甚至纳米级[13].
等径角挤压的优越性[6.38]:
①减小了挤压力和挤压压强;
②由于挤压出来的试样横截面积保持不便，可以实现反复挤压;
③每次挤压都会产生很大的应变量,在多次挤压后剪切形变大大提高，形成亚微米超精细结构;
④挤压后的试样没有任何空洞;
⑤可以实现大块超细晶材料的制备.
燑/P> 图1 ECAE示意图
等通道转角挤压工艺路径有以下4种,如下图所示[14.30。37].
A:挤压件每次挤压后不旋转,直接按原方位再放入模具中进行下一道次的挤压;
BA:每次挤压后取出工件旋转900,连续两次旋转的方向相反;
BC:每次挤压后取出工件旋转900, 连续两次旋转的方向相同;
C:每次挤压后取出工件同一方向旋转1800,然后进入下一道次.
挤压路径的影响:对于Φ=900的模具而言,4种不同路径的剪切方向不同.当采用A路径挤压时,由于变形都是沿着同一个方向进行的,所以晶粒会强烈得变形为薄片状或沿着剪切面排列的纤维状
,多次变形后逐渐生成了织构.当采用BA路径时,由于每次挤压方向不同会引起随机织构的生成.采用BC路径时,在挤压奇数次时晶粒明显变形,而挤压偶数次时晶粒恢复成原始样,这样经过反复的挤压后,晶粒不断细化.当采用C路径时,由于是同一方向旋转,会由于挤压方向不同形成随机织构,但4道次挤压后晶粒又恢复到原始样.
燑/P>
图2.
四种工艺路线示意图
2.2 CEP工艺
1971年,英国原子能局斯普林菲尔德研究所的D.Green[15]发明了一种有效的方法,金属的连续挤压法.
该方法设计了独特的送料方法,将坯料以圆杆或粉末的形式送入一个旋转着的轮子的凹槽中.凹槽的三边随轮子旋转,以提供摩檫驱动力,同时凹槽的另一边被固定不动的靴座封住,由此将不断送进来的料限定在轮子上的凹槽里.坯料与靴座接触面之间的摩檫对送料过程来说是一种阻力.因此,坯料在随轮槽运动时,会受到三面给它的向前的驱动力和一面将它向后拖的阻力,坯料最终受的合力是向前的驱动力.送入的坯料在堵头处受阻后,将会沿其向前的方向或是与前进方向相垂直的方向从模口挤出.出口截面的形状一般都不同于凹槽的截面形状,那是因为该方法的目的是为了改变坯料的几何形状或者是粘接金属粉,所以通常挤一道次就可以了.
2.3 ARB工艺
ARB 工艺的主要原理如图3所示 .具体工艺流程为[16.19]:
① 将材料均匀切割;
② 将两块金属的复合面进行打磨,脱脂等表面处理;
③ 堆叠铆接使叠合紧密;
④
将叠合好的板材送入轧机,在适合的温度下进行压下率为50％的轧制.
轧后材料重复前面过程,该过程经过这样多道次的轧制后,材料表面产生的大量残余剪切应变也被带到材料内部,研究发现材料内部的晶粒尺寸分布和残余剪切应变的分布是一致的,可见是残余剪切应变导致了晶粒的细化.道次数越多,材料内部的残余剪切应变和超细晶分布就越复杂,使材料总体强度提高.
图3 ARB工艺示意图
研究表明 ,在ARB
工艺中,为了能取得好的焊合效果,表面处理是必不可少的.此外,在每道次叠轧过程中还存在一个临界压下量,当压下量低于该值时难以充分焊合.虽然临界压下量取决于材料,变形温度等,但一般每道次的压下量必须超过35%
,所以与普通轧制相比该工艺的轧制力比较大.在ARB 工艺中,一个严重的问题就是开裂.因为ARB
工艺的累积总应变很大且其应力状态又较差,所以板材常常会发生边裂现象,特别是在轧制道次较多时.在某些材料如Al2Mg
合金中,其边部裂纹往往会扩展至板材中心,在这种情况下就不可能继续进行ARB
加工[4].
2.4 MF 工艺
MF工艺是由Salishchev[22] 等提出的一种制备UFG 材料的方法.
MF工艺的实质是一个多次循环锻造过程,其原理如图4所示.该工艺的变形温度通常在0. 1Tm～0. 5Tm ( Tm 金属熔点) 之间.
MF
工艺中材料处于平面压缩应力状态,当材料变形较大时在边部容易出现破裂,同时又由于在高温下变形,晶粒容易长大,所以为了获得最佳的晶粒细化效果,必须选择合理的工艺规程,严格控制变形温度和应变量.此外,MF工艺制备的材料还存在组织不均匀现象,这也是由锻造过程中不同锻造区域材料变形的不均匀性所致.目前,对钛,钛合金,镁合金,镍基合金等材料的MF工艺研究表明,采用该工艺可有效细化晶粒,获得UFG组织[23.24.25].
燑/P> 图4 多向锻造工艺示意图
2.7 HPT工艺
高压扭转是大塑性变形技术中发展较为迅猛的技术一.Bridgma最早研究了静水压力对塑性变形的影响,后来高压扭转逐渐发展成为一种制备纳米结构材料的新方法[7].其基本原理如图5.高压扭转法的装置主要由模具和压头组成,一端固定,另一端是运动的,试样被放置于模具中,然后靠近压头和模具,在几个吉帕的压力下扭转变形,大量的试验证明压头扭转1/2转后,试样的内部微观结构就已经发生了显著的变化.高压扭转法使试样在压头旋转产生的高压力,摩檫力和剪切力的共同作用下得到超细晶材料[17].在变形过程中,试样的尺寸不发生改变,所以在试样的外侧可引入很大的剪切应变.由于模具的作用,材料在许用压力和试样外层压力的作用下,在类似于静压力的条件下发生剪切变形,因此尽管其应变量较大,试样仍不易发生破裂.
燑/P>
图5 HPT工艺示意图
从图5不难看出,材料的剪切应变是由压杆的旋转所引入的,因此剪切应变量的大小随材料所处位置的半径不同而不同,应变速率也是如此,所以HPT工艺制备材料存在从中心向外侧组织不均匀的现象.但由于HPT工艺通常只用于小薄片盘状试样的加工,对这种组织的不均匀性可忽略,因此该工艺也不具备实际的应用价值,但或许具有一定的科学研究价值[4.28].
2. 8 其它SPD 工艺
除了上述几种SPD工艺外,还有一些其它的SPD 工艺.图6(a)为CEC 工艺示意图
.往复挤压模具由两个挤压筒,一个凹模和放置于两挤压筒内的冲头组成,两挤压筒截面积相等,在同一条轴线上,通过中间的凹模连接.挤压时,将坯料放入中间有一缩颈区的挤压筒中,当一边冲头压入时,另一边冲头不动,坯料经缩颈区受到挤压后再经过压缩镦粗,然后,另一边冲头将坯料按上述过程反向压回,完成一个循环,经过反复来回挤压和压缩,材料受到很大的变形，从而得到超细,等轴的细晶组织的工艺.往复挤压工艺的特点在于:①能够制备大体积均匀细晶材料;②可以获得任意大的应变而没有试样破裂的危险;③挤压工艺与压缩工艺同时进行,连续变形,无需改变试样的原始形状[7.31.32.39].
CCB 工艺是通过反复弯曲与反弯曲来实现材料塑性变形的,该过程类似于板材的矫直工序,如图6(b)所示
.在CCB工艺中,虽然一个弯曲道次在材料表面产生的最大应变比较小,但该工艺的反复加工非常容易进行,因此通过多道次弯曲后材料的累积应变量仍然较大.现有的研究表明,该工艺并未制备出UFG材料,这可能是CCB工艺中的反复变形(弯曲与反弯曲)不利于晶粒细化.
RCS 工艺的主要原理与CCB
工艺类似,即弯曲与反弯曲变形,其差异主要在于单道次的应变量不同(如图6(c)所示).此外,在RCS工艺中,随着模具圆角半径的减小,每道次应变量增加,则不可避免地会产生应变局部化的现象.对铜的研究表明,采用RCS
工艺可获得UFG组织[4].
燑/P>
图6 CEC、CCB和RCS
工艺示意图
3. 研究课题前期构想
近来引人注目的是铝合金在汽车工业中的应用[34].铝合金材料是促进汽车轻量化的最佳选择.铝合金及其加工材由于具有一系列优良特性,诸如密度小,比强度和比刚度高,弹性好,抗冲击性能良好,耐腐蚀,耐磨,高导电,高导热,易表面着色,良好的加工成型性以及高的回收再生性等,因此,在工程领域内,铝一直被认为是“机会金属”或“希望金属”,铝工业一直被认为是“朝阳工业”[1.2].
有关资料介绍,2020年，中国国内汽车拥有量将多达1.4亿辆，这说明了我国汽车工业发展空间还很大.汽车工业早已成为发达国家和地区国民经济的支柱产业，并带动着冶金，石化，机械，电子，城建等很多相关产业的迅速发展.铝合金材料大量用于汽车工业，无论从汽车制造，汽车运营，废旧汽车回收等方面考虑，它都带来巨大的经济效益和社会效益.而且这种效益在目前资源稀缺，环境污染严重的大背景下越来越大[1]:
1）
明显的减重效应;
2）
客观的节能效应.据资料接受，一般车重减轻1千克，每行驶10000千米可节省汽油0.7千克;
3）
减少大气污染，改善环境质量.汽车节能同时也减少了汽油的使用，减少了二氧化碳排放量;
4）
有助于提高汽车行使的平稳性，安全性.
据此可看出铝合金在汽车工业上有很大的应用空间和发展前途.中国汽车用材与国外有一定的差距，尤以轿车最为突出，我国轿车产品大多是引进国外二十世纪八九十年代的产品和技术，铝材用量远低于当前国外各类汽车[1.2.35.36].目前，我国暂无汽车用变形铝合金材料体系，国内汽车厂家就吉利汽车，奇瑞汽车等少数几家用铝合金车轮，铝合金发动机气缸，而国外轿车用铝量占车重已高达40-50％,将铝合金大塑性变形运用于汽车工业一定有很大的价值.
当然,做这方面课题研究有很大的难度.首先,要将材料加工与汽车制造结合起来,这里面要学一些汽车结构,汽车CAD制图等等相关知识;再次,具体的实验要用到哪些实验设备,目前还不可知,有的实验还可能要到其他院校或研究所做;最后，我们实验室目前有没有相关的课题还不知道
.所以这只是我的初步想法,是否可行,有待讨论.
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