多向鍛造強化變形鋁合金

嚴偉林，黃錦元，陳 林

（廣西大學材料科學與工程學院,廣西 南寧530004）

鋁合金具有密度小、熱膨脹系數低、比剛度和比強度高等優異性能，在機械、建筑、交通、航空、航天和國防等領域中，廣泛得到應用。但鋁合金的強度不高,易產生塑性變形,在很大程度上限制了鋁合金的應用范圍。

面對21世紀人口的迅猛增加，資源的加速枯竭，生態環境的日益惡化等嚴峻問題，結構材料的工作條件也急劇復雜化，進一步提高結構材料的綜合性能，減輕結構總質量(提高材料單位強度)和提高材料壽命，已刻不容緩地擺在人們的面前。因此，采用新的強化方法，實現對鋁合金材料更直接有效的強化，以滿足各個領域的新需求，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。

多向鍛造方法由于其工藝簡單，成本低,使用現有的工業裝備，即可制備大塊致密材料以及可使材料性能得到改善等優點，有望直接應用于實際[1～2]。

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

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),然后分另利用65 kg空氣錘進行多向鍛造加工：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。以光學顯微鏡觀察和分析原始樣品和鍛件的顯微結構，以HVT-1000顯微硬度測量儀，所加載荷為0.980 7 N，加載時間為10 s對試樣進行硬度測試，以Instron 8801拉伸試驗機檢測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。

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為樣品拉伸力學性變化情況。

圖4 試樣硬度變化情況

圖5 試樣拉伸應力應變曲線

在鍛造過程中，熱機械變形在晶粒細化中起重要作用。鍛造過程中，鍛件由于受到錘擊發熱，會削弱應變作用的效果，即隨著溫度的升高，會發生回復和再結晶，然后發生晶粒長大。而且，多向鍛造過程的累積應變量仍然較大，導致再結晶溫度下降。

因此，為獲得超細組織的鋁合金，鍛造在較低的溫度下進行。試樣的鍛造加工溫度較低，因此，使組織明顯細化且強度和硬度大幅度提高，冷鍛和加熱130℃保溫20 min鍛造試樣的抗拉強度分別達到從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化，強度和硬度明顯下降。

鍛件的強度和硬度顯著提高，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，導致強度和硬度提高。Hall-Petch關系是建立在位錯塞積理論基礎上，經過大量試驗的證實，總結出來的多晶材料的屈服應力（或硬度）與晶粒尺寸的關系

式中，

σ0為位錯在晶粒內運動的摩擦阻力；

k為常數；

d 是平均晶粒尺寸。

這與Hall-Petch關系一致，也與其他超細晶材料的力學性能相符[1～6]。

3 結束語

6061變形鋁合金經多向鍛造加工，使組織明顯細化，且強度和硬度大幅度提高，冷鍛和加熱130℃保溫20 min鍛造試樣的抗拉強度，分別達到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度和顯微硬度分別為275 MPa和HV 95。強度和硬度大幅度提高，是由于組織顯著細化。

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