HPT工艺参数对Al-Zn-Mg-Cu合金强韧化机理研究.pdf

年 月第 卷 第 期 工艺参数对 合金强韧化机理研究收稿日期:通讯联系人基金项目:安徽省教育厅高等学校科学研究项目()作者简介:刘海娟()女安徽合肥人副教授硕士 :.刘海娟张家玺丁永根薛克敏(.安徽文达信息工程学院 智能制造学院安徽 合肥.合肥工业大学 材料科学与工程学院安徽 合肥)摘 要:针对 合金进行了 变参数正交实验以探讨 工艺参数对合金力学性能的影响 通过多角度力学性能测试包括抗拉强度和延伸率等与常温试件的力学性能进行了比对分析了变化规律利用 对 合金在高温下的断口形态进行观察以揭示高温高压下 合金的破坏机制 研究内容将为该技术在工业上的推广与应用奠定一定的理论与技术基础关键词:正交实验变形工艺参数 合金力学性能破坏机制中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:制造业是一个国家发展的重要基础而新材料的应用是工业制造业革新和跃进的重要基础 新材料、新技术、新工艺已经成为工业制造业进步和创新的重要途径它涉及民用军用和航天航空等领域在以科技进步引领社会进步大背景下世界各国都在努力发展本国科技实力力求在资源匮乏和不平衡的时代为本国各个领域创造有利的科研环境其中航空航天领域的发展对材料的要求越发严苛各类民用、军用飞机和航空航天领域等对安全、舒适、耐疲劳、强韧性好等性能的追求使得该领域对材料综合性能的要求越发严苛这也给材料的研究指出了明确的发展方向:既要求材料强度高质量轻耐磨和耐蚀性好又要求材料的使用寿命和抗疲劳性能要足够高本研究以 合金作为试验材料在不同工艺参数条件下开展高压扭转试验以此获得理想的能够满足各项使用需求的材料为工业推广应用提供参考 试验工艺原理如图 所示图 高压扭转工艺原理图 实验材料及特性实验材料初始态为厚度 的轧制板材其成分百分比如图()所示除了铝之外主要合金成分为()、()、()常温下对 合金进行拉伸力学实验结果如图()所示 常温下该合金的延伸率约为 屈服应力约为 强度极限约为 根据实验数据在常温下 合金的延伸率仅为表现出较差的塑性 其屈服强度约为 强度极限约为 强度指标偏上 在常温实验基础上对该合金进行了不同高压扭转()工艺参数的实验并对拉伸试样的断口进行了相关分析以探究其断裂机理和强化机理 结果与讨论.温度对机械性能的影响如图 展示了 合金在不同变形温度下的拉伸曲线在此条件下加载压力 保持为 扭转圈数 固定为 圈 可以看出 合金在 变形后与初始状态(见图()比较其抗拉强度都有很大的提高其最高抗拉强度为 提高幅度最高约为 同时发现经 处理后的材料在特定的温度区间中随处理温度的升高()其抗拉强度也有显著的提升(由 至 )这是由于在一定程度上升高形变温度后材料的塑性流变得更好使材料在形变时产生更大的形变量位错密度明显增大材料的力学性能因位错间的相互作用而显著提升 然而在 以上的高温环境下材料的拉伸强度却逐步降低 此现象主要源于随着形变温度升高晶粒尺寸的增长趋势愈发明显 根据 公式晶粒尺寸越大合金强度则相应降低因此在高温条件下晶粒的粗化现象在一定程度上削弱了细晶强化的效果导致材料的力学性能随着变形温度的升高而减弱图 合金化学成分和常温力学参数图 不同扭转温度后的拉伸曲线 图 为不同扭转温度后的延伸率线结果表明在常温下该材料的延展率达到 比原始材料的延展率高出.拉伸速率随形变温度升高()显著降低其改变趋势与拉伸强度基本相吻合即随着温度升高合金的塑性指标和强度极限同时下降 说明了成形温度对 合金在高强度和高韧性有巨大的影响此研究具有重要的理论意义和应用价值刘海娟等 工艺参数对 合金强韧化机理研究图 不同扭转温度后材料的延伸率线.扭转圈数对机械性能的影响图 是在 的加载压力和 的变形温度下不同扭曲圈数条件下合金的拉伸特性曲线(扭转圈数分别为、圈)经实验证明处理后 合金的强度极限显著提升远高于初始态强度极限 其最高强度极限分别达到了、最高提升程度可达 在 条件下改变扭转圈数系合金的强度极限均显著提高其主要影响因素包括以下几点:()随着旋扭次数的增加圆周方向的剪切强度相应增大原本粗大的晶粒发生显著碎裂并细化同时晶界呈现明显增加 这种现象是由于位错源数的增加导致位错在晶界上移动受到阻碍从而提升了晶格阻力和位错阻力()鉴于各晶粒之间位向性差异晶粒之间发生多重滑移从而导致位错间的相互作用这种相互作用妨碍了位错间的相互运动进而产生类似的位错强化效果图 合金在扭转圈数下的拉伸特征 ()系合金的显微结构中含有丰富的多元合金相经 成形时由于变形量的累积使得在晶界偏聚物中的合金元素发生了反向溶解、结晶起到类似于“焊接”效果从而增加了晶界的强度综合以上因素 系合金的变形难度得以提高从而使其力学性能获得显著优化 合金经过高压扭转()变形后不同扭矩圈数下合金的伸长率变化如图 所示图 合金扭转圈数对其延伸率的影响 由图 可知随着扭转圈数的增加合金的延伸率基本呈正比增长 当扭矩圈数达到 圈时材料延伸率最高达到.接近常温塑性指标的两倍 综合图、图 可以知道通过增加扭转圈数增大其变形程度 合金的塑性和强度均可得到极大的提高可以获得既强又韧的综合机械性能.加载压力对力学性能的影响图 展示了 合金在 下进行 圈扭转的变形前提下经不同载荷压强成形后的拉伸曲线 实验结果表明高压扭转变形过程中随着加载压力 的增加 合金的强度极限呈现出显著的提升其最高抗拉强度分别达到、最大提高幅度达到 值得注意的是随着扭转压力 的增大转矩在被压缩后能更好地向样品内部转移进而产生更大的剪切力 这种情况下材料内部的位错比率上升位错浓度显著提高(合金中的剪切位错对合金强化的影响显著从而提升了合金的整体力学性能蚌埠学院学报 年 月 第 卷 第 期(总第 期)图 压力对 合金拉伸性能的影响 图 是对 合金在各种载荷的作用下高压扭变后其伸长率的改变 结果表明随着扭转压力增加()材料的伸长率均在 以上均高于原始态塑性指标说明高压下扭转可在一定程度上提高材料塑性 且材料高压扭转时其伸长率变化规律为先升后降加载压力 时材料的伸长率达到 达到最大图 压力对 合金高压扭转变形后延伸率 合金断裂行为分析.初始态 合金断裂表面形貌特性研究图 展示了室温下初始态 合金的断裂形态特点图 初始态 合金断口形貌 扫描电子显微镜()检测结果表明该样品的宏观断口形貌呈现沿应力轴线方向的“”斜断特征表现出显著的剪切破坏特性(见图()通过显微断口观察可见断口表面存在一些长条形的第二相颗粒(见图()中所示圆圈部位)并且在第二相颗粒与晶界结合处产生了沿晶二次裂缝(见图()中箭头所指方向).变形温度对拉伸断口形貌的影响图 展示了在不同变形温度条件下 合金拉伸试样的宏观断口及微观断口形貌结果(加载压力为 扭转圈数为 圈)由此可知在试验过程中变形温度对样品的宏观断裂形态和显微断裂的韧窝的数量和大小都有很大的影响 在常温()下样品的宏观断裂形状为“”形断裂面相对整齐见图()根据断裂形态分析截面上存在少量尺寸较小、深度较浅的韧性坑其底部附着有直径为 的第二相颗粒 此外还观察到沿晶界分布的二次裂缝如图()箭头所指 在图()及()的圆形区域中可以看到在 下样品沿其应力轴方向总体上表现出“”的倾角其断口形貌为“峰峦”型其断口形貌为凹凸不平的 断裂形态观察结果表明横截面上出现了一条等轴形的深部韧性凹坑凹坑数目和大小均有显著增加且基部底部有细密的次生相颗粒当温度升高至 断裂面呈不规则形状断裂面呈撕裂状从断裂形态来看横截面上有几个纵深不大的凹陷有些地方还能见到撕裂岭呈梯级排列见图()及()在 的高温下材料的宏观断裂形态基本没有改变但在显微断裂过程中韧性凹陷中的第二相粒径增加撕裂岭面积显著增加见图()及()刘海娟等 工艺参数对 合金强韧化机理研究图 不同变形温度条件下 合金断口形貌.扭转圈数对合金性能的影响图 为不同的扭转圈数条件下合金的断口形貌实验结果(其中变形温度为 加载压力为 )实验结果表明在不同的扭曲次数下样品的断口形貌变化很小断口的形状参差不齐且总体上与应力轴线成“”的倾角扭曲圈数对断裂形态有很大的影响扭曲圈数越多断裂形态越明显断裂面的韧性凹陷较小韧性凹陷较深在较高的扭转圈数(次)时断裂面的某些部位有明显的滑动迹象如图()所示 断口表面韧窝尺寸的扩大、韧窝深度的增加以及滑移痕迹的显现表明在高压扭转()变形过程中 合金的塑性得到了显著提升与之相对应的其塑性指标延伸率亦随之上升图 不同扭转圈数条件下 合金断口形貌.加载压力对合金性能的影响如图 所示 合金在不同加载压力条件下的断口形貌均在 的变形温度下扭转圈数为 圈 实验结果表明扭转压力为 时样品的宏观断裂形态较为规整而细观断裂形态上有少量的韧性凹陷韧性凹陷的底部有次生相颗粒扭转压力为 时样品的宏观破坏形态为斜向破坏而在细观破坏的界面上出现了大量的凹坑凹坑的形态呈现出等轴形在 的压力下样品整体与应力轴线呈 角断裂显微断面上呈现出明显的等轴韧窝和撕裂岭部分区域还可观察到韧窝底部镶嵌的碎屑 对图 中的()、()、()图片进行分析发现 合金变形后断口表面韧窝基底的第二相颗粒数量减少颗粒大小也显著降低 颗粒尺寸的变化促使试样在拉伸试验中细观裂缝来源减少界面处的力学性能得以提升从而使合金力学性能呈现随加载压力增大而逐步提高的趋势图 压力对 合金断口形貌的影响.合金断裂机制分析经对 合金进行常温力学实验及参数正交高压扭转实验的研究并结合不同实验条件下拉伸实验结果及断口电镜扫描实验结果的分析得出以下结论:()在不同变形温度下 合金经过高压扭转()处理后材料的拉伸性能均显著提升总体提高幅度为 其中最高可达 在特定的温度区间热处理温度升高()亦可显著地改善材料的拉伸强度 在 以上继续升高则会使材料的拉伸强度再次显著降低 在常温下该材料的伸长系数达到了 且随高温()显著降低其伸长系数的改变蚌埠学院学报 年 月 第 卷 第 期(总第 期)与其拉伸强度的改变相吻合()对 系铝合金进行了 成形并对其进行了各种扭曲次数的处理结果表明:系铝合金的拉伸强度都有显著提高随扭曲次数的增多拉伸强度提高了 最高可达 ()在初始状态下 合金的断口形貌呈现出显著的剪切性特征其断口形貌与应力轴线呈 倾斜角 在显微断口形貌中可见沿晶界的二次裂纹 强韧化机理分析研究表明该合金材料主要存在四种破坏方式:穿晶剪切破坏、穿晶韧窝破坏、第二相粗化破坏和沿晶破坏 鉴于 体系在制造过程中的微观结构呈现不均匀性加之高压扭转处理()导致的非均质变形从而使得 体系的破坏行为受到显著影响多种破坏模式相互交织在 的原始状态下其晶粒中的纯原子位错浓度很小且在常温下不会发生弥散相的脱溶和沉淀且在晶界中不会受到形变的破坏具有很高的晶界强度 在这种情况下样品的断口形貌与应力轴线成“”状并有几条沿晶面的二次裂缝说明该材料在初始状态下的破坏形式是以穿晶面的剪切型和沿晶面的破坏为主 对 合金进行 变形改变变形温度、扭转圈数及载荷压力使其晶界多元合金相及晶内弥散相发生显著改变破坏模式发生改变 实验结果显示在拉伸断裂过程中断裂部位存在较多的韧性凹陷韧性凹陷底部分布有不同尺寸的第二相晶粒并有一些较粗的晶粒发生断裂说明高压拉伸对韧性凹陷有一定的作用金属材料的破坏机理包括:微观空洞聚合性塑性凹陷(穿晶塑性凹陷)和粗大的第二相脆性裂纹它们是决定材料破坏行为的重要因素 在 合金的塑性形变中当位错遇到障碍(第二相颗粒)时会在第一相颗粒的尖端处产生一个位错环而在这个位置上则会产生一个微小的空洞当这个空洞出现之后位错之间的斥力就会减小从而促进了位错在空洞处的积累从而使微小空洞的生长更快 微观空洞的生长与聚集以及晶界中的二次相等颗粒的存在使晶界中的二次相间的颗粒对晶界的力学性能造成极大的影响从而使微观空洞之间的衔接成为裂缝的源头同时在单方向拉伸的情况下二次相间的颗粒与基底的二次相间的颗粒很难协同进行塑性形变 在此过程中随着裂纹的扩展次生相与基质逐渐脱开造成材料的断口面上出现了许多的断口凹坑参考文献:丁永根王薄笑天李萍等.铝合金高压扭转变形微观组织及力学性能分析.塑性工程学报():.丁永根.基于高压扭转变形的 合金微观组织及力学性能研究.合肥:合肥工业大学.宋健.高压扭转工艺对 超强铝合金的组织及力学性能影响.合肥:合肥工业大学.董杰崔建忠刘晓涛等.超高强铝合金的低频电磁铸造()直径.锭坯的铸态组织.中国有色金属学报():.董杰刘晓涛赵志浩等.超高强铝合金的低频电磁铸造()直径.锭坯合金元素晶内固溶度及其力学性能.中国有色金属学报():.张北江崔建忠路贵明等.电磁场频率对电磁铸 铝合金微观组织的影响.金属学报():.王少卿.粉末热挤压 合金的制备工艺及组织性能研究.济南:山东大学./.():./.():.(/):.():.:.刘海娟等 工艺参数对 合金强韧化机理研究