6061鋁合金ECAP變形后的微觀組織和硬度

王明華(廣州番禺職業技術學院珠寶學院,廣州 511483)

6061鋁合金ECAP變形后的微觀組織和硬度

王明華
(廣州番禺職業技術學院珠寶學院,廣州 511483)

摘 要：對經過固溶時效處理的6061鋁合金在室溫下進行了4道次擠壓。采用光學顯微鏡分析了試樣ECAP變形前后的顯微組織變化，采用洛氏硬度計對6061合金ECAP變形前后進行了硬度測試。結果表明：ECAP工藝不僅能夠細化6061鋁合金晶粒，而且可提高6061鋁合金硬度，經過2道次擠壓后，合金洛氏硬度有了較明顯的提高，但在隨后道次的變形中，合金的洛氏硬度呈緩慢的下降趨勢，并且隨著變形道次的增加，擠壓試樣的各部分洛氏硬度值趨于一致，擠壓試樣各部分變形趨于均勻。

關鍵詞：6061鋁合金；等通道轉角擠壓；晶粒細化；洛氏硬度

等通道轉角擠壓(equal channel angular pressing，簡稱ECAP)是一種能使多晶金屬試樣產生強烈塑性變形以實現晶粒細化的技術[1,2]。相對傳統金屬材料塑性加工工藝而言，由于材料的橫截面面積和截面形狀在ECAP變形過程中不會改變，因而可以實現材料的反復定向、均勻剪切變形，在獲得大變形量同時又能使材料晶粒組織得到顯著細化[3-7]。由于ECAP 能有效地細化材料晶粒, 制備大塊超細晶材料, 因而目前該工藝受到材料科學界的普遍關注。

6061 鋁合金屬于熱處理可強化合金，具有良好的可成型性、良好的抗腐蝕性、可焊接性。廣泛應用于要求有一定強度和抗蝕性高的各種工業結構件，如制造卡車、塔式建筑、船舶等。本文以6061鋁合金為研究對象，在室溫下進行等通道轉角擠壓，分析擠壓行為，研究6061鋁合金擠壓前后微觀組織和硬度變化。

1 實驗過程與方法

1.1 模具介紹

等通道轉角擠壓工藝和模具示意圖如圖1所示，變形通道的內轉角Φ為90°，外轉角為0°。

1.2 實驗材料

實驗所用材料是商用6061鋁合金，將材料加工成15×15×65mm的方料，首先對試樣進行固熔時效熱處理。固熔時效熱處理規范如下：530℃ 1h+水淬，180℃ 8h+爐冷。加工爐選普通的電阻爐。對熱處理后的試樣進行ECAP 4道次擠壓實驗，擠壓路徑取C路徑，擠壓速度取4mm/s，擠壓過程中采用MoS2進行潤滑以減小摩擦對變形的不利影響。對每一擠壓道次試樣和1個原始試樣磨試樣，進行金相顯微組織觀察和分析，同時采用洛氏硬度計測量擠壓后試樣的表面硬度。

2 實驗結果與分析

2.1 擠壓工藝對材料的顯微組織的影響

圖2(a)為未經過擠壓6061鋁合金試樣在經過固熔時效熱處理后的金相組織圖。可以看出經過固熔時效熱處理后，試樣晶粒呈相對粗大的近似等軸分布。圖2(b)為材料在20℃下經路徑C一次擠壓后的金相組織圖，和未擠壓試樣組織圖相比，經過路徑C一次擠壓后的金相組織擠壓1次后，晶粒被擠碎拉長,晶粒細化非常明顯，但由于剪切變形的不均勻性，晶粒大小不均。圖2(c)為材料在20℃下經路徑C二次擠壓后的金相組織圖，可以看出，經過2道次擠壓后，晶粒沿剪切變形方向拉深變長，晶粒呈條帶狀排列，晶粒細化效果更加明顯。圖2(d)為材料在20℃下經路徑C三次擠壓后的金相組織圖，可以看出，3次擠壓后，晶粒沿剪切方向進一步拉深變長，晶粒呈條帶狀排列。圖為2(e)材料在20℃下經路徑C三次擠壓后的金相組織圖，可以看到，擠壓4道次后，經過強烈塑性變形后，晶粒得到顯著細化，晶粒內位錯明顯減少, 晶粒沿剪切方向進一步拉深變長，晶粒呈明顯的條帶狀排列，并且拉長的晶粒寬度變細，形成大量的排列很密的長條狀組織。說明經過擠壓后，由于剪切變形作用，材料的晶粒得到細化，而晶粒大小直接影響到材料的塑性，經過4次擠壓后的材料的晶粒最小，最均勻，同時從金相照片中我們可以清楚的看到一些黑點，初步推測其可能為基體中的第二相沉淀，但這需要進一步的研究。

這種結果的出現和塑性變形過程中位錯的增殖、湮滅及回復作用是分不開的。變形不大時，位錯密度較小，金屬基體內積聚的內能也較小，這時期位錯湮滅速度要小于增殖速度，回復作用不是很明顯，從總的效果看位錯在增加，位錯密度在增大，晶粒細化作用較明顯。當變形量達到一定程度后，位錯的增殖和湮滅達到動態平衡，同時隨著內能的增加回復作用逐漸明顯，再擠壓時晶粒的大小和縱橫比基本上不再變化。但在變形的過程中由于相鄰晶粒間的相互作用，晶粒還要發生轉動，因此晶粒間的晶界取向差會繼續大，大角度晶界的數量持續增加。6061鋁合金試樣ECAP變形后晶粒內部會出現高密度位錯，這些高密度位錯會促使合金組織動態再結晶，從而實現晶粒細化。在變形初始階段，塑性變形會導致分布雜亂的高密度位錯纏結，相互纏結的位錯間有較大的應力場，從而會導致位錯間相互作用并重排，形成胞狀結構。隨著變形量的增加，位錯胞數量增加，尺寸減小，胞內幾乎不存在位錯，胞壁的位錯密度會增加。當位錯胞尺寸達到極小值時，變形量的進一步增加不會使其尺寸減小。隨后若繼續進行ECAP變形，引起位錯的交滑移，發生動態回復過程。之后隨著變形量的不斷增加，胞壁位錯的纏結不斷地凝集，進一步演化成清晰的小角度的亞晶界或大角度晶界，從而細化合金晶粒[8]。

2.2 擠壓工藝對材料硬度的影響

對于擠壓后試樣, 取試樣橫截面上洛氏硬度平均值進行比，同一試樣選擇3個不同位置（如圖3所示）測量硬度，取平均值為最終結果，且將測得的值填入表1。對合金洛氏硬度隨擠壓道次增加而變化的關系如圖4所示，由圖4可見，擠壓前合金的洛氏硬度為69.2 ,合金硬度經2道次擠壓后洛氏硬度有了較大幅度的增加。經2道次擠壓后的試樣洛氏硬度達到79，與未擠壓試樣相比提高了11.7%。隨后合金洛氏硬度隨著擠壓次數的增加反而緩慢下降，在經過4道次擠壓變形后，合金洛氏硬度為71.8。但是與未擠壓時的洛氏硬度，還是提高了3.7%。同時我們還可以從表中數據看到，隨著擠壓道次的增加，試樣上所取的3個測試點的硬度都趨于一致，如擠壓道次為4時，測試點1的洛氏硬度為71，測試點2的洛氏硬度為72，測試點3的洛氏硬度為72.5，因此我們可以得出結論隨著變形道次的增加，擠壓件的各部分變形趨于均勻。

6061合金經2道次擠壓變形后，材料尚處于變形初期，此時材料內部晶界所占比例較大, 而亞晶比例不大，晶格的畸變能也隨之升高, 晶界會嚴重阻礙位錯的運動, 從而使位錯在晶界處不斷塞積纏繞。因此合金經變形初期的2道次擠壓后,晶粒得到明顯細化,同時會產生加工硬化, 使得硬度大幅度提高。此后隨著擠壓道次的增加, 位錯數量會越來越多, 但同時也容易會被晶界堆積、吸收、湮滅, 使得材料中出現細小的亞晶組織或大角度晶界,使得位錯密度并不會急劇增加 而是基本保持在某一相對穩定的水平上, 此時應變硬化作用和應變軟化作用同時存在，并且應變軟化作用要略大于應變硬化作用，故ECAP變形2～4道次變形后合金洛氏硬度呈緩慢下降趨勢。

表1 不同道次擠壓后試樣的硬度值擠壓道次 1 2 3 平均值

3 結論

（1） 試樣晶粒隨擠壓次數的增加而減小，但由于變形程度不同，同一試樣的不同部位晶粒大小及形態還是有比較大的差異。

（2） 經過2道次擠壓后，合金洛氏硬度有了較明顯的提高，但在隨后道次的變形中，合金的洛氏硬度呈緩慢的下降趨勢，這與變形后期位錯很容易在晶界處堆積、吸收、湮滅有關，并且隨著變形道次的增加，擠壓試樣的各部分洛氏硬度值趨于一致，擠壓件各部分變形趨于均勻。

參考文獻：

[1]索濤,李玉龍等.徑通道擠壓中晶粒細化影響因素的研究進展[J].材料科學與工程學報,2004,22(01):132-137.

[2]于彥東，周浩.MB15合金等通道轉角擠壓組織模擬和實驗分析[J]. 中國有色金屬學報,2011,21(11):296-302.

[3]Valiev R Z,Islamgaliev R K,Alexandrov I V.Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation[J].Progress in Materials Science .2000(45):103-189.

[4]Segal V M. Materials processing by simple shear[J]. Materials Science and Engineering A,1995,197 :157-164.

[5]Valiev R Z. Structure and mechanical properties of ultrafine grained metals [J]. Materials Science and Engineering A ,1997, A234-236:59-66.

[6]Iwahash Y,Horita Z ,Nemoto M,et al. The process of grain refinement in equal-channel angular pressing [J]. Acta Mater ,1998 ,46(9) :3317-3331.

[7]Furukawa M ,Horita Z ,Nemoto M, et al. Review processing of metals by equal channel angular pressing [J]. Journal of Materials Science, 2001,36:2835-2843.

[8]劉永波.Al-Mg-Mn合金ECAP變形組織和性能的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2006.

作者簡介：王明華（1986-），男，江西萍鄉人，助教，碩士研究生，研究方向：金屬材料及成型工藝。