70Q18.1060铝在累积轧制中的组织和性能演变-西安建筑科技大学张兵

2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳384累积复合轧制中1060铝组织和性能的演变张兵，王快社，袁守谦，吕爽，张西锋(西安建筑科技大学材料工程学院,陕西西安,710055)摘要：采用累积轧制方法在室温下对1060工业纯铝进行变形，分析了变形前后其微观组织和力学性能。实验结果表明，随着累积叠轧道次的增加，材料的抗拉强度和硬度提高，延伸率先降后升；材料在等效真应变为5.6的剧烈变形条件下得到了平均晶粒尺寸为520nm的超细晶组织。关键词:剧烈塑性变形；累积叠轧；工业纯铝；微观组织；力学性能EvolvementofMicrostructure&Propertyfor1060－AlduringAccumulativeRollBonding(ARB)ProcessZHANGBing,WANGKuaishe,YUANShouqian,LVShuang,ZHANGXifeng(Dept.ofMaterialEngineer,Xi’anUniversityofArchitecture&Technology,Xi’an710055,China)Abstract:Inthispaper,1060Alwasdeformedbyaccumulatedrollingbonding(ARB).Themicrostructureandmechanicalpropertyofthe1060AlbothofAnnealedandafterARBwerestudied.TheresultsshownthatastheARBpassesincreasing,boththematerial’smicrohardnessandtensilestrengthwereincreasing;theelongationdroppedatfirst,andincreasedafterreachedthelowest.Thegrainwerefineandaveragegrainssizewas520nmwhentheaccumulatedstrainwas5.6.Keywords:severeplasticdeformation(SPD);accumulativerollbonding(ARB);commerciallypurealuminum;microstructure;mechanicalproperty1前言近年来，采用剧烈塑性变形（SPD,SeverePlasticDeformation）的方法来获得晶粒尺寸小于1μm块体超细晶材料引起人们的广泛关注。超细晶结构的金属材料相对于传统金属材料在室温下具有高强度和高韧性，在低温或高变形速率下具有超塑性和一定的物理特性[1-3]，从而改善材料的综合性能。现已知的SPD方法有：高压扭转法(HTP,HighPressureTorsion)[4]、等通道角挤(ECAP,Equalchannelangularpressing)[5]、累积轧制（ARB,accumulativeroll-bonding）[6]、多向锻造法（MF,MultipleForging）[7]、往复挤压（CEC,CyclicExtrusionCompressionorReciprocalExtrusion）[8]等，这些方法都是通过对块体金属材料直接进行剧烈的塑性变形，材料内部的晶粒发生反复的相互剪切变形，在内摩擦力的作用下晶粒被剪切，逐步细化，最终达到超细晶尺寸，从而使材料的性能发生改变。其中ARB法可连续制备薄板类的超细晶结构材料，且设备简单，不受材料的限制，具有实际应用意义。累积轧制法是日本学者Satio提出的一种利用轧制进行大塑性变形的方法。图1说明了ARB过程的基本原理[6,9]。在这一过程中，将板材剪切成相同长度的两段，经表面处理后叠合在一起，然后进行轧制，压下率为50％，忽略宽展，轧制后板材厚度保持不变，接着将轧后的板材再次剪切，经表面处理后再进行轧合，通过多次重复上述的过程，实现材料的剧烈塑性变形，从而获得很大的累积变形，得到大体积的超细晶粒块体材料。本文在室温下对1060工业纯铝进行7道次累积轧制，并对变形后的组织和性能进行测试研究。2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳3852实验方法图1累积轧制示意图图21060工业纯铝退火后组织Fig.1SchematicrepresentationofFig2Opticalmicrographof1060Alafterannealingtheaccumulativeroll-bondingprocess本实验所选用的实验材料是1060工业纯铝（化学成分见表1），经400℃，1小时退火，薄板尺寸为300mm×100mm×1.84mm。其组织如图2所示，晶粒尺寸约为42μm。板材在轧制前用钢丝刷和丙酮处理，去除材料表面的氧化层和油污。然后叠合并用铆钉将两块板材一端铆紧，这样的处理是保证在轧制时使板材能够更好地复合。轧制是用轧辊直径为Φ170mm的二辊轧机，轧辊转速0.42m/s（即变形速率为23/s）。在室温下轧制，为保证轧制后能够更好地复合，每道次压下量不低于50%（等于每道次的真应变为0.8，总变形量为ε＝0.8n）[10]。轧制在无润滑的条件下完成，轧后的板材冷却后从中间剪切成两片进行表面处理，叠合后再进行下次轧制。轧制过程中由于板材边部容易发生裂纹，故在每道次轧制前对边部进行剪裁和修磨。试样经过7道次的轧制后，对各道次取样进行金相、透射电镜分析和性能测试。光学金相分析试样表面经过粗磨－电解抛光，然后用腐蚀剂（侵蚀液为Keller试剂）对样品表面进行腐蚀，在OLYMPUS-GX41金相显微镜下进行分析。利用日本生产的JEM－200CX透射电镜进行组织观察。拉伸试样根据GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法制备，拉伸性能测试在INSTRON1341电子拉伸仪上进行,每个试样不少于3根，加载速度为0.5mm/min，最大载荷为10KN。表11060工业铝的主要化学成分(mass%)Table1Chemicalcompositionofthestudied1060commercialpurityaluminum元素SiFeCuMnMgTiZn其它元素Al含量0.250.350.050.030.030.030.050.03Bal.3实验结果3.1显微组织变化图3显示了累积轧制变形后不同道次纵断面的光学显微组织。从图2可以看到，未轧制前纯铝的组织为等轴状的再结晶晶粒，在累积轧制过程中，晶粒沿轧制方向被拉长、压扁，随着道次的增加，变形量的增大，纵向上晶粒排列得越来越细密。复合界面在头两道次结合不是很紧密，随着ARB变形道次的增加，变形程度的深入，界面结合状况逐渐好转，说明随着应变量的增加，材料复合界面结合度转好，层间结合紧密。但界面间存在夹杂物和氧化物，并被引入到材料内部，由于其不易发生塑性变形，在变形中易形成裂纹源，使材料呈现一定的脆性。2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳386图4显示ARB轧制2道次后通过透射电子显微镜的观察到的材料内部微观组织。可以看到，经过剧烈塑性变形后，材料内位错密度大幅度增加，形成了大量的位错胞，胞壁位错密集，胞内位错少于胞壁。随着变形的增加，这些位错胞尺寸相应减小。晶胞内的位错密度减少，尺寸较前几道次要小，位错胞状结构转变成亚晶，胞壁转化为亚晶界（图4－b,c,d）。7道次后，一部分亚晶消失，转变成由大角度晶界包围的细小晶粒，晶粒形状呈扁平状，被明显晶界包围（图4－f），但分布不均，所占比率比前几道次明显增加，细小晶粒的平均尺寸约为520nm，同时还残留有形变亚晶。图31060铝ARB变形后的金相组织a-1道次，b－2道次，c－5道次，d－7道次Fig.3opticalmicrostructureof1060aluminumafterARB:a-1cycle,b-2cycles,c-5cycles,d-7cycles图41060铝ARB后电镜显微组织a－2道次，b-3道次，c－4道次，d－5道次，e-6道次，f-7道次Fig.4TEMmicrographsshowingthemicrostructuralchangeof1060AlduringARB.a-2cycle,b-3cycles,c-4cycles,d-5cycles,e-6cycles,f-7cycles.2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳3873.2力学性能变化图5为室温下累积轧制1060工业纯铝经过不同道次的拉伸性能曲线。从图中可以看出，经过大塑性变形而强烈硬化的材料，其抗拉强度和屈服强度在第1道次轧制后强度增加最快并达到最大为197MPa，比初始态的强度提高了65MPa，随着变形量的增加，强度有所降低，到第5、7道次，强度基本保持在160MPa左右。强度增加的同时，延伸率在第1道次后下降较多，由变形前的23%下降到13%。第2道次后，延伸率减小到9％。但到第4道次后，延伸率开始回升，到第7道次后达到24％。试验表明材料通过ARB变形后，前四道次有明显硬化现象，强度提高，延伸率下降。但在第4道次后出现转折，强度基本保持不变，延伸率开始恢复，这与轧制过程中表现出的回复现象、叠合面质量变好的现象完全一致。试验表明，经过7道次累积轧制剧烈变形后，材料的显微组织和结构发生了明显变化，晶粒内部位错密度大幅度增加，位错相互缠结，形成形变亚结构，从而使试验开始时材料的强度急剧增加、塑性大幅度降低。随着变形量的增加，材料内部位错密度逐渐达到饱和，并且由于1060Al具有高层错能，在形变过程中发生动态回复，从而使材料内部位错密度减小，强度略微降低。同时，随着亚晶转变为细小晶粒，均匀程度的提高，对材料的强度、塑性、延展性有所改善。0.040.080.120.160.20040801201602007道次5道次2道次4道次1道次Stress[MPa]Strain0124570道次01020304050607012345678CycleNo.Microhardness/Hv图51060铝ARB变形前后的应力应变曲线图6累积轧制显微硬度变化曲线Fig.5stress-straincurveof1060-AlFig.6EvolutionofVickersMicrohardnessduringARBprocessing3.3显微硬度变化图6为显微硬度和轧制道次之间的关系曲线。从图中可知，经过7道次ARB试验后，材料的显微硬度总体呈上升趋势。这种力学性质的变化结果与其显微组织结构变化的结果相一致。主要由于大塑性变形在材料内部产生大量的位错，随着变形的深入，位错的增殖得到的性能变化和晶粒的细化程度有着密切关系。在前4道次，由于加工硬化使强度增加较快，材料内部位错缠结较多。从5道次起由于发生回复，导致材料变软，硬度略有降低。表明在随累积应变量的增加，晶体内显微组织结构发生变化，亚晶结构逐渐转变为细小的晶粒，且分布逐步均匀，界面增多，从而使材料的硬度值提高。此外，在变形过程中，由于材料表面应变大于内部，加上材料表面的氧化物在反复轧制中被嵌入表面中，这对材料的硬度有一定的贡献。4结论通过对1060铝ARB后各道次显微组织和性能演变的研究，得到以下结论：(1)材料经ARB后，可以获得尺寸≤１μm的超细晶粒。其显微组织随着轧制道次的增多，累积变形2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳388量的增加，由再结晶组织转变为形变亚晶和超细晶组织，在第7道次后，在等效真应变为5.6时，得到的超细晶粒平均尺寸为520nm。(2)通过ARB方法材料的强度在开始时增长很快，第1道次后达到197Mpa，比原始材料增加65MPa；延伸率在前2、3道次大幅度下降，从23％下降到９％。随着累积应变量的增加，材料在形变过程中发生动态回复，致使强度略有降低，使延伸率逐渐回升，到第7道次达到24％。拉伸断口表现为明显脆性断裂。(3)AR