多向鍛造及時效處理強(qiáng)韌化變形鋁合金

嚴(yán)偉林

（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。強(qiáng)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(qiáng)化的主要方法，有固溶強(qiáng)化、時效強(qiáng)化、過剩相強(qiáng)化、冷變形強(qiáng)化、形變熱處理強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化及變質(zhì)處理等。

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

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，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。

研究結(jié)果表明，強(qiáng)塑性變形技術(shù)制備的納米晶/超細(xì)晶材料，與利用其他方法制備的納米晶/超細(xì)晶材料相似，強(qiáng)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(qiáng)塑性變形，細(xì)化晶粒，并配合時效處理工藝，使變形鋁合金的強(qiáng)度高且塑性良好。

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）。鍛前坯料尺寸為20 mm×40 mm×40 mm，先對坯料進(jìn)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(jìn)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(fù)鍛造，在每一方向上每次變形量大約為50%，3個軸向輪流進(jìn)行，循環(huán)3次，最終鍛成16 mm×25 mm×80 mm的板坯。最后進(jìn)行時效處理（125℃加熱并保溫6h、9h、12h和15 h，空冷）。用光學(xué)顯微鏡分析原始樣品和鍛件的顯微結(jié)構(gòu)；用Instron8801拉伸試驗(yàn)機(jī)測試試樣的室溫力學(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。本試驗(yàn)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(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(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，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。但時效處理沒使鍛件的組織發(fā)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(xué)性變化情況。由于本試驗(yàn)采用冷鍛加工試樣，使其強(qiáng)度大幅度提高。時效處理后，鍛件的抗拉強(qiáng)度略有增加，特別是經(jīng)過多向鍛造，然后時效處理15 h后，強(qiáng)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(qiáng)度的情況下，鍛件延伸率達(dá)11.08%。但延長時效處理時間，強(qiáng)度和延伸率都會下降。

圖4 試樣拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線

鍛件的強(qiáng)度顯著提高，主要是組織顯著細(xì)化，而晶粒尺寸的減小，將會增加位錯運(yùn)動的障礙，減少晶粒內(nèi)位錯塞積群的長度，導(dǎo)致其強(qiáng)度和硬度提高。Valiev發(fā)現(xiàn)多次累積應(yīng)變[6]和低溫退火處理[7]，改善晶界狀態(tài)（如晶界結(jié)構(gòu)與取向等），使材料的塑性變形易于以晶界滑移和晶粒旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行，純銅、純鈦的塑性獲得提高。

本試驗(yàn)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(jìn)行，循環(huán)3次，累積應(yīng)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(tài)的作用，使鍛件的延伸率明顯增強(qiáng)，而且，時效處理減少鍛造應(yīng)力，也能提高鍛件的塑性。

3 結(jié)束語

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

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