多向锻造强化变形铝合金

严伟林，黄锦元，陈 林

（广西大学材料科学与工程学院,广西 南宁530004）

铝合金具有密度小、热膨胀系数低、比刚度和比强度高等优异性能，在机械、建筑、交通、航空、航天和国防等领域中，广泛得到应用。但铝合金的强度不高,易产生塑性变形,在很大程度上限制了铝合金的应用范围。

面对21世纪人口的迅猛增加，资源的加速枯竭，生态环境的日益恶化等严峻问题，结构材料的工作条件也急剧复杂化，进一步提高结构材料的综合性能，减轻结构总质量(提高材料单位强度)和提高材料寿命，已刻不容缓地摆在人们的面前。因此，采用新的强化方法，实现对铝合金材料更直接有效的强化，以满足各个领域的新需求，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。

多向锻造方法由于其工艺简单，成本低,使用现有的工业装备，即可制备大块致密材料以及可使材料性能得到改善等优点，有望直接应用于实际[1～2]。

本工作采用多向锻造加工6061变形铝合金，使材料的强度明显提高且塑性良好，并探讨锻件显微组织和力学性能的变化。

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),然后分另利用65 kg空气锤进行多向锻造加工：冷锻，加热130℃，保温20 min和加热400℃保温20 min，然后再锻造，全部先锻成正方体块，然后在互相垂直的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。以光学显微镜观察和分析原始样品和锻件的显微结构，以HVT-1000显微硬度测量仪，所加载荷为0.980 7 N，加载时间为10 s对试样进行硬度测试，以Instron 8801拉伸试验机检测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。本工作是以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,使第二相尽量溶解,以改善合金的工艺塑性。

图1 试样原始组织

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。

图2 多向冷锻试样组织

图3 加热130℃保温30 min多向锻造试样组织

图4为样品硬度值变化情况，图5为样品拉伸力学性变化情况。

图4 试样硬度变化情况

图5 试样拉伸应力应变曲线

在锻造过程中，热机械变形在晶粒细化中起重要作用。锻造过程中，锻件由于受到锤击发热，会削弱应变作用的效果，即随着温度的升高，会发生回复和再结晶，然后发生晶粒长大。而且，多向锻造过程的累积应变量仍然较大，导致再结晶温度下降。

因此，为获得超细组织的铝合金，锻造在较低的温度下进行。试样的锻造加工温度较低，因此，使组织明显细化且强度和硬度大幅度提高，冷锻和加热130℃保温20 min锻造试样的抗拉强度分别达到从391.3 MPa和341.9 MPa，显微硬度分别为HV 130和HV 115，而原始样品的抗拉强度和显微硬度分别为275 MPa和HV 95。加热400℃保温20 min再锻造，由于温度较高，多向锻造未能使材料获得强化，强度和硬度明显下降。

锻件的强度和硬度显著提高，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，导致强度和硬度提高。Hall-Petch关系是建立在位错塞积理论基础上，经过大量试验的证实，总结出来的多晶材料的屈服应力（或硬度）与晶粒尺寸的关系

式中，

σ0为位错在晶粒内运动的摩擦阻力；

k为常数；

d 是平均晶粒尺寸。

这与Hall-Petch关系一致，也与其他超细晶材料的力学性能相符[1～6]。

3 结束语

6061变形铝合金经多向锻造加工，使组织明显细化，且强度和硬度大幅度提高，冷锻和加热130℃保温20 min锻造试样的抗拉强度，分别达到391.3 MPa和341.9 MPa，显微硬度分别为HV 130和HV 115，而原始样品的抗拉强度和显微硬度分别为275 MPa和HV 95。强度和硬度大幅度提高，是由于组织显著细化。

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