多向锻造及时效处理强韧化变形铝合金

严伟林

（广西大学 材料科学与工程学院，广西 南宁 530004）

铝合金的强度不高，易产生塑性变形，在很大程度上限制了铝合金的应用范围。强化可使铝合金胜任人类赋予的各种角色，完成各种功能。通常铝合金强化的主要方法，有固溶强化、时效强化、过剩相强化、冷变形强化、形变热处理强化、细晶强化及变质处理等。

上述的铝合金强化方法，主要存在两方面问题：一是强度显著提高，而塑性急剧降低；二是塑性显著增加，而强度提高的幅度很小。因此，探索新的强化方法，实现对铝合金材料更直接有效强化，具有重要的理论价值和实用价值

强塑性变形技术具有强烈细化晶粒的能力[1]，可以将材料的内部组织细化至亚微米甚至纳米级，如高压扭转（HPT）、等径角挤压（ECAP）、多向锻造（MF）、等径角轧制（ECAR）、超声波喷丸（USSP）和累积轧焊(ARB)等。通过强塑性变形技术制备的超细晶/纳米晶材料，具有独特的力学及物理化学性能，为提高传统材料的综合力学性能和服役行为开辟了新路。

研究结果表明，强塑性变形技术制备的纳米晶/超细晶材料，与利用其他方法制备的纳米晶/超细晶材料相似，强度很高，但塑性很差[2～5]。本工作采用多向锻造对铝合金施加强塑性变形，细化晶粒，并配合时效处理工艺，使变形铝合金的强度高且塑性良好。

1 试验过程

试验材料采用的6061变形铝合金，为供货状态（T6）。锻前坯料尺寸为20 mm×40 mm×40 mm，先对坯料进行固溶处理（加热至520℃，保温60 min，水淬）。然后利用637 N空气锤进行多向锻造加工，首先把坯料锻成正方体块，再在互相垂直的3个方向反复锻造，在每一方向上每次变形量大约为50%，3个轴向轮流进行，循环3次，最终锻成16 mm×25 mm×80 mm的板坯。最后进行时效处理（125℃加热并保温6h、9h、12h和15 h，空冷）。用光学显微镜分析原始样品和锻件的显微结构；用Instron8801拉伸试验机测试试样的室温力学性能。

2 试验结果及讨论

图1为原始样品光学显微组织。本试验是以6061铝合金挤压棒作为锻件的原始坯料,在多向锻造加工前，先对坯料进行固溶处理（加热至520℃，保温60 min，水淬），其目的在于消除或减轻坯料中的某些组织缺陷，使第二相微粒尽量溶解，以改善合金的工艺塑性。

图1 试样原始织织

图2 和图3为样品的组织。由图可见，显微组织显著细化，超细第二相微粒弥散分布。本研究采用多次换向、多道次镦粗、拔长，使锻件的变形组织尽可能均匀和细化。试验达到了组织细化效果。但时效处理没使锻件的组织发生明显的粗化。

图2 多向冷锻试样组织

图3 多向锻造然后时效处理15 h试样的组织

图4 为样品拉伸力学性变化情况。由于本试验采用冷锻加工试样，使其强度大幅度提高。时效处理后，锻件的抗拉强度略有增加，特别是经过多向锻造，然后时效处理15 h后，强度增加到396.3 MPa。时效处理使锻件的塑性提高，在保持较高强度的情况下，锻件延伸率达11.08%。但延长时效处理时间，强度和延伸率都会下降。

图4 试样拉伸应力应变曲线

锻件的强度显著提高，主要是组织显著细化，而晶粒尺寸的减小，将会增加位错运动的障碍，减少晶粒内位错塞积群的长度，导致其强度和硬度提高。Valiev发现多次累积应变[6]和低温退火处理[7]，改善晶界状态（如晶界结构与取向等），使材料的塑性变形易于以晶界滑移和晶粒旋转的方式进行，纯铜、纯钛的塑性获得提高。

本试验的试样在互相垂直的3个方向多向锻造，在每一方向上每次变形量大约为50%，3个轴向轮流进行，循环3次，累积应变量较大，然后再低温时效处理（通常6061铝合金的时效处理温度为175℃），这些因素起到改善晶界状态的作用，使锻件的延伸率明显增强，而且，时效处理减少锻造应力，也能提高锻件的塑性。

3 结束语

6061变形铝合金，经多向锻造加工及时效处理，抗拉强度增加到396.3 MPa，延伸率达11.08%。锻件强度大幅度提高，是由于组织显著细化和超细的第二相微粒弥散分布；多次累积应变和时效处理改善晶界状态，时效处理也减少锻造应力，使锻件的塑性增强。

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