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(廣西大學(xué)1.機(jī)械工程學(xué)院,2.土木建筑工程學(xué)院，南寧 530004)

0 引 言

作為一種常用的有色金屬材料，鋁合金具有良好的耐腐蝕性能、力學(xué)性能和可加工性等，在現(xiàn)代工業(yè)中占有很重要的地位。但是，鋁合金的強(qiáng)度不高、硬度低、摩擦因數(shù)高,且鋁合金容易拉傷、難以潤(rùn)滑，從而導(dǎo)致其耐磨性能較差，這在很大程度上限制了其應(yīng)用范圍[1]。由Hall-Petch關(guān)系可知，細(xì)化晶?？梢杂行岣卟牧系膹?qiáng)度與硬度，因此可通過(guò)細(xì)化鋁合金的晶粒來(lái)提高鋁合金的性能，并拓寬其應(yīng)用范圍。

強(qiáng)烈塑性變形技術(shù)[2]可以使材料產(chǎn)生較大的變形量，具有強(qiáng)烈細(xì)化晶粒的能力。目前，常用的強(qiáng)烈塑性變形技術(shù)主要包括高壓扭轉(zhuǎn)法(HPT)[3]、多向鍛造法(MF)[4]、累積軋合法(ARB)[5]、等徑角擠壓法(ECAP)[6]等。其中，多向鍛造法不需要特定的裝置，工藝簡(jiǎn)單、成本低且具有制造大塊致密細(xì)晶材料的潛力，因此可用于規(guī)?；a(chǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們已將多向鍛造法應(yīng)用于不同材料，如冉敏等[7]研究了多向鍛造工藝對(duì)Fe-17Mn-8Cr合金力學(xué)性能和阻尼性能的影響；屈嘯等[8]通過(guò)多向鍛造工藝在時(shí)效態(tài)鋁銅合金中獲得了超細(xì)等軸晶粒，晶粒尺寸可達(dá)到0.56～0.71 μm；徐志良[9]對(duì)AZ80A鎂合金分別進(jìn)行了多向鍛造和等徑角擠壓，發(fā)現(xiàn)多向鍛造變形后鎂合金的硬度、抗壓強(qiáng)度等均優(yōu)于等徑角擠壓變形后的。綜上可知，多向鍛造法是一種實(shí)用性強(qiáng)、效果好的晶粒細(xì)化方法。

目前，在多向鍛造法的研究中，始鍛溫度不易確定。當(dāng)始鍛溫度過(guò)低時(shí)，鋁合金的塑性和流動(dòng)性不足，空氣錘巨大的沖擊力會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生斷裂；而當(dāng)始鍛溫度過(guò)高時(shí)，即高于400 ℃時(shí)，鋁合金內(nèi)部的再結(jié)晶晶粒充分長(zhǎng)大，不利于其力學(xué)性能的改善。現(xiàn)有研究常采用試錯(cuò)法并進(jìn)行大量的試驗(yàn)來(lái)確定合適的工藝條件，但試錯(cuò)法的試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高，而有限元方法利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)多向鍛造工藝進(jìn)行模擬，可提高效率、節(jié)約成本。為了優(yōu)化鋁合金的多向鍛造工藝，作者以工業(yè)中常用的6061鋁合金為研究對(duì)象，采用有限元模擬方法對(duì)不同始鍛溫度下6061鋁合金的多向鍛造工藝進(jìn)行模擬，得到了最優(yōu)的始鍛溫度，并通過(guò)顯微組織觀察和拉伸性能測(cè)試對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為φ40 mm的T6態(tài)6061鋁合金棒，化學(xué)成分如表1所示。

表1 6061鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of 6061 aluminumalloy (mass) %

在6061鋁合金棒上截取尺寸為φ35 mm×55 mm的試樣。對(duì)試樣進(jìn)行300 ℃×1 h的固溶處理后水淬，然后在SRJX-8型箱式加熱爐中將試樣加熱到始鍛溫度，保溫20 min后，采用C41-65KG型空氣錘在試樣的x,y,z3個(gè)方向反復(fù)翻轉(zhuǎn)鍛造，鍛造順序?yàn)閦方向→y方向→x方向，每個(gè)方向上的變形量大約為30%，各方向鍛造一次為一次多向鍛造，每次多向鍛造結(jié)束后，將試樣重新加熱至始鍛溫度并保溫5 min，如此循環(huán)4次后水淬。

在鍛后試樣的中心平行于z軸方向上截取尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的金相試樣，依次在180#，400#，800#，1500#，2500#SiC水砂紙上研磨和機(jī)械拋光后，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的HF水溶液腐蝕20 s，酒精清洗，電吹風(fēng)吹干，在Axio Scope A1型光學(xué)顯微鏡上觀察顯微組織。

按照GB/T 228.1-2010，在鍛造前后的試樣上截取如圖1所示的拉伸試樣，采用島津萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)中的光學(xué)引伸計(jì)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為1 mm·min-1，測(cè)3個(gè)試樣取平均值，得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線，分析6061鋁合金在多向鍛造前后的拉伸性能變化。

圖1 拉伸試樣的形狀與尺寸Fig.1 Shape and dimensions of tensile specimen

2 多向鍛造的數(shù)值模擬

2.1 有限元模型的建立

通過(guò)Pro/E三維建模軟件繪制幾何模型，圓柱體試樣的尺寸設(shè)定為φ35 mm×55 mm，將建好的幾何模型和上下模導(dǎo)入到DEFORM-3D軟件中，裝配好位置，整體模型如圖2所示。

圖2 多向鍛造的有限元模型示意Fig.2 Diagram of finite element model for multi-directional forging

將試樣的材料屬性設(shè)置為求解效率比較高的塑性體，上下模具均設(shè)置為剛性體。采用剪切摩擦方式，試樣與上下模具間的接觸摩擦因數(shù)設(shè)為0.3。為了防止擠壓過(guò)程中的網(wǎng)格畸變并提高運(yùn)算精度，采用相對(duì)網(wǎng)格生成法，即根據(jù)網(wǎng)格目標(biāo)總數(shù)及生成后的大單元和小單元的比例自動(dòng)調(diào)整并生成網(wǎng)格。始鍛溫度分別設(shè)置為250，300，350 ℃，模具溫度設(shè)置為20 ℃，環(huán)境溫度設(shè)置為20 ℃，試驗(yàn)的斷裂閾值設(shè)置為1.34，斷裂單元數(shù)目設(shè)置為4個(gè)。加載的方式設(shè)置為鍛打，鍛造方案與試驗(yàn)過(guò)程的相同，當(dāng)上模具沿z方向下壓時(shí)，試樣的應(yīng)變速率瞬間達(dá)到10 s-1。

2.2 模擬結(jié)果與分析

在試樣內(nèi)部zOy截面上取5個(gè)追蹤點(diǎn)分析其晶粒尺寸變化，追蹤點(diǎn)的位置和模擬結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，當(dāng)始鍛溫度為300 ℃，試樣原始晶粒尺寸約為50 μm，隨著鍛造時(shí)間的延長(zhǎng)，即鍛造循環(huán)周次的增加，試樣不同位置的晶粒在經(jīng)歷不同時(shí)長(zhǎng)的孕育期后，尺寸先迅速減小，后小幅增大，最后逐漸趨于穩(wěn)定。由于小角度晶界隨著等效應(yīng)變的增加逐漸演變?yōu)榇蠼嵌染Ы?，?dǎo)致動(dòng)態(tài)再結(jié)晶速率減小，因此隨著鍛造過(guò)程的進(jìn)行，晶粒先迅速減小后小幅增大，但循環(huán)周次的增加使晶粒進(jìn)一步緩慢細(xì)化，并最終達(dá)到穩(wěn)定。

圖3 始鍛溫度為300 ℃時(shí)試樣zOy截面上5個(gè)追蹤點(diǎn)的位置及其晶粒尺寸變化曲線Fig.3 Positions of 5 trace points (a) taken from zOy section of the sample and curves of grain size (b) at the initial forging temperature of 300 ℃

圖4 始鍛溫度為250 ℃時(shí)4次循環(huán)多向鍛造后試樣的晶粒模擬結(jié)果及晶粒尺寸分布Fig.4 Grain simulation results (a) and size distribution (b) of the sample after four cycles of multi-directional forging at the initial forging temperature of 250 ℃

圖5 始鍛溫度為350 ℃時(shí)4次循環(huán)多向鍛造后試樣的晶粒模擬結(jié)果及晶粒尺寸分布Fig.5 Grain simulation results (a) and size distribution (b) of the sample after four cycles of multi-directional forging at the initial forging temperature of 350 ℃

由圖4可知，始鍛溫度為250 ℃時(shí)，多向鍛造循環(huán)4次后，除少部分應(yīng)變量不足的邊緣區(qū)域外，試樣大部分粗大晶粒均發(fā)生了強(qiáng)烈細(xì)化，晶粒尺寸主要分布在5～15 μm，平均晶粒尺寸約為8.9 μm。由圖5可以看出，當(dāng)始鍛溫度為350 ℃時(shí)，多向鍛造循環(huán)4次后，試樣的粗大晶粒發(fā)生了強(qiáng)烈細(xì)化，晶粒尺寸主要分布在4～6 μm，標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.4。

由圖6可以看出：當(dāng)始鍛溫度為350 ℃時(shí)，試樣最先發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，始鍛溫度為300 ℃時(shí)的次之，始鍛溫度為250 ℃時(shí)的最晚；始鍛溫度為300 ℃時(shí)，試樣的晶粒細(xì)化效果最好，晶粒尺寸達(dá)到了1 μm甚至亞微米級(jí)，即形成了超細(xì)晶。因此，6061鋁合金進(jìn)行4次循環(huán)多向鍛造的最優(yōu)始鍛溫度為300 ℃。

圖6 不同始鍛溫度下試樣中心追蹤點(diǎn)P2的晶粒尺寸變化曲線Fig.6 Curves of grain size of the center tracking point P2 of the sample at different initial forging temperatures

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 宏觀形貌與顯微組織

由圖7可知，在最優(yōu)始鍛溫度下鍛造過(guò)程中,試樣保持完整，未發(fā)生開(kāi)裂。

圖7 最優(yōu)始鍛溫度下多向鍛造6061鋁合金的宏觀形貌Fig.7 Macroscopic morphology of 6061 aluminum alloy after multi-directional forging at the optimal initial forging temperature

由圖8可以看出：鍛造前，6061鋁合金組織中的晶界清晰，晶粒粗大，且大小不均勻，平均晶粒尺寸在40～60 μm，還有少量的第二相分布在晶界以及晶粒內(nèi)部；經(jīng)過(guò)3次循環(huán)多向鍛造后，晶粒均勻細(xì)化，晶粒間的位錯(cuò)發(fā)生重組，第二相開(kāi)始破碎，這說(shuō)明6061鋁合金已經(jīng)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；經(jīng)過(guò)4次循環(huán)多向鍛造后，晶粒內(nèi)部和晶界處彌散分布著第二相顆粒，原始粗晶晶界已不存在，晶粒高度細(xì)化且均勻分布，部分晶粒尺寸小于1 μm，6061鋁合金呈超細(xì)晶的組織狀態(tài)。6061鋁合金中彌散分布的第二相會(huì)阻礙晶粒的長(zhǎng)大，改善6061鋁合金的力學(xué)性能。綜上可知，當(dāng)始鍛溫度為300 ℃時(shí)，4次循環(huán)多向鍛造后6061鋁合金的晶粒細(xì)化效果明顯。

圖8 最優(yōu)始鍛溫度下6061鋁合金多向鍛造前后的顯微組織Fig.8 Microstructures of 6061 aluminum alloy before (a) and after multi-directional forging (b-c)at the optimal initial forging temperature:(b) three cycles and (c) four cycles

3.2 常溫拉伸性能

圖9 多向鍛造前后6061鋁合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.9 Stress-strain curves of 6061 aluminum alloy before and after multi-directional forging

由圖9可知：鍛造前，6061鋁合金的屈服強(qiáng)度較低，加工硬化明顯，斷后伸長(zhǎng)率較大；經(jīng)過(guò)4次循環(huán)多向鍛造后，6061鋁合金發(fā)生了完全的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒劇烈細(xì)化并達(dá)到超細(xì)晶狀態(tài)，雖然斷后伸長(zhǎng)率有所下降，塑性略有降低，但抗拉強(qiáng)度由鍛造前的265.33 MPa增加到344.74 MPa。經(jīng)多向鍛造后，6061鋁合金的晶粒細(xì)化，晶界變多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到的阻礙作用增強(qiáng)；隨著多向鍛造循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)變不斷累積，晶粒的細(xì)化程度增大，取向差增大，晶界繼續(xù)增多，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用繼續(xù)增強(qiáng)，從而導(dǎo)致鋁合金的抗拉強(qiáng)度明顯增大，而塑性略有降低：多向鍛造工藝可以顯著提高6061鋁合金的力學(xué)性能。綜上可知，在由有限元模擬得到的最優(yōu)始鍛溫度下，6061鋁合金的力學(xué)性能得到顯著提高。

4 結(jié) 論

(1) 有限元模擬得到6061鋁合金多向鍛造工藝的最優(yōu)始鍛溫度為300 ℃。

(2) 在最優(yōu)始鍛溫度下，經(jīng)過(guò)4次循環(huán)多向鍛造后，6061鋁合金發(fā)生了完全的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒高度細(xì)化且均勻分布，部分晶粒尺寸小于1 μm，鋁合金呈超細(xì)晶的組織狀態(tài)；6061鋁合金的拉伸性能得到顯著提高，抗拉強(qiáng)度由鍛造前的265.33 MPa增加到344.74 MPa，斷后伸長(zhǎng)率略有下降。