限制模压变形6061铝合金的组织和性能❋

孙文波，池成忠，李洪力，李黎忱，梁 伟

（太原理工大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030024）

0 引言

剧塑性变形法是获得稳定超细晶组织的块体细晶材料的主要制备方法之一，它是对现有粗晶材料进行剧烈塑性变形，因而具有不易引入杂质、适用范围广、可制备大体积无残留孔洞试样等优点［1］。限制模压变形法（Constrained Groove Pressing，CGP）是一种可用于制备大体积、超细晶、应变均匀的金属板材的剧塑性变形法［2］，具有广阔的商业应用前景。目前研究主要集中于CGP变形对材料晶粒组织的影响，对力学性能的影响研究较少。本文以6061预拉伸板为实验材料，探究变形程度对晶粒、强度、硬度及延伸率的影响。

1 试样制备与实验方法

1.1 试样制备

试样材料为商用6061铝合金预拉伸板，将板料切割成44mm×44mm×2mm 方形CGP变形试样，在SX2－12－14高温箱式加热炉中加热到330 ℃、保温20min后空冷退火，以消除残余应力。模压实验在DNS200万能电子试验机上进行，压下速率为1 mm／min。测试试样分布如图1 所示，以纤维方向为0°方向，取0°（图1A）、45°（图1B）、90°（图1C）方向拉伸试样，性能测试在DNS200万能电子试验机上进行；取硬度试样（图1D），硬度测试在HB－3000B 型布氏硬度计上进行；取金相试样（图1E），晶粒尺寸测定在Leica DM 2500M 光学显微镜上进行，限制模压变形模具由压弯和压平两套模具组成，如图2所示，限制圈起到板料在变形过程中限定尺寸的作用，压弯模中模具的齿宽和板料的厚度一致。

图1 测试试样分布图

图2 CGP模具示意图

1.2 限制模压变形工艺的原理

限制模压变形以不改变板料尺寸为前提，通过对试样反复的压弯、压平变形，使试样的累积应变累积，从而达到晶粒细化的目的。该方法变形过程中的每道次包括4次变形：①板料在压弯模中的首次压弯，板料受到的是平面应变下的纯剪切变形，未变形区的等效应变为0，变形区的等效应变为0.58；②首次压弯后的板料在压平模中压平的过程，此过程依然是纯剪切变形，第二次变形完成后变形区的累计应变为1.16，未变形区没有受到剪切变形；③第三次变形前将模压试样旋转180°，对第一、二道次的未变形区进行压弯，这时第一、二道次的未变形区受到纯剪切变形；④再次使用压平模具进行压平。这样整个试样的等效应变εeff＝1.16，模压前后试样三维尺寸不变［3］。

1.3 试样放置方位的确定

在轧制实际生产过程中，经过多次辊轧的板料纤维会沿着主变形流动的方向呈流线分布，这会导致金属的组织性能和力学性能在不同方向上有明显的差别，所以确定试样放置方位对研究板料的模压变形有非常重要的意义。图3（a）为垂直纤维方向面的晶粒，多近圆形；图3（b）为纤维方向面的晶粒，其沿着轧制方向伸长。由图3可以看出，两个方向的晶粒表现出明显不同的组织特征。模压变形后的试样如图4 所示。

图3 纤维面与垂直面金相组织（500×）

图4 模压变形后的试样

2 实验结果分析与讨论

2.1 道次对晶粒大小的影响

如图5 所示，第一道次的模压变形后，晶粒从12.58μm下降到11.25μm，下降了10.57%，下降比较缓慢；第二道次变形使晶粒从11.25μm 下降到7.35μm，细化程度高达34.67%，远远高于第一道次过程中的10.57%。这是因为晶内位错密度和晶间位错密度在第一道次变形过程中迅速上升并且在第一道次结束时达到饱和［4］；由于退火后的晶粒晶内初始位错能较低，需要较高的应变量才能使晶粒破碎，所以第一道次变形过程中，大部分应变能消耗在提高晶内与晶间位错能上，细化程度较弱。经过一道次变形后的晶内与晶间位错密度达到饱和，所以第二道次变形过程中，随着变形的进行，应变能多消耗在形成大角度晶界上［5］。如图6所示，第二道次后的微观组织有明显的剪切变形痕迹，所以晶粒从11.25μm下降到7.35μm，细化程度高达34.67%。实验证明，模压变形对晶粒细化有显著的效果，经过两道次的模压变形，晶粒由12.58 μm 下降到7.35μm，细化程度达41.57%。

图5 道次对晶粒细化的影响

图6 第二道次模压后的微观组织

2.2 道次对硬度的影响

道次与硬度关系如图7所示，试样经过CGP两道次变形后硬度值从51.2HBW 提高到63.6 HBW，提高了24.2%。尤其是第一道次提高程度明显较大，由51.2HBW 提高到58.7 HBW，提高了13.5%，这是因为硬度的提高主要是由晶粒的细化及位错堆叠的累积双重因素造成的，其中位错密度的积累影响更明显一些。由于位错密度在第一道次迅速上升，在第一道次结束时达到饱和，所以6061铝合金在限制模压第一道次变形过程中，随着金属塑性变形的进行，位错密度迅速增加，导致位错在运动交互中加剧，产生位错缠结、固定割阶等障碍，增加了阻碍位错运动的阻力，使塑性变形变得困难，产生硬度的提高。第二道次位错密度基本不变，但是晶粒细化明显，细化后小晶粒的应力集中小，需要较大的外力作用下才能使相邻晶粒发生塑性变形，这也能够提高硬度和强度。所以虽然第一道次和第二道次硬度都得到提高，但提高机制却不尽相同，因为位错密度的积累效果更显著，所以第一道次硬度的提高程度较高。

2.3 道次对强度的影响

屈服强度σ0.2也受到晶粒大小和晶胞位错密度双重因素的影响，位错密度效果依然较大，所以以0°方向为例，第一道次屈服强度σ0.2从183.03 MPa提高到279.306 MPa，提高了52.62%，第二道次屈服温度由279.306提高到283.22 MPa，仅仅提高了1.4%。第一道次位错密度迅速地提高并且达到饱和，虽然晶粒细化效果较差，但位错密度对屈服强度σ0.2的影响更大，所以σ0.2从183.03 MPa提高到279.306 MPa。第二道次，位错密度基本保持不变，提高的部分主要是晶粒细化导致的。道次对屈服强度σ0.2的影响见图8。

图7 道次对硬度的影响

图8 道次对屈服强度σ0.2的影响

由于模压具有方向性，使细化后的晶粒也具有明显的方向性，第一道次过程中0°方向屈服强度提高较大，从183.03 MPa 提 高 到279.306 MPa，提 高 了52.62%；90°方向平行于模压方向，受到的剪切作用较弱，斜率明显较低。

2.4 道次对延伸率的影响

从图9中可以看出道次对6061铝合金延伸率的影响，在两道次变形过程中，三个取向试样延伸率的变化趋势基本相同，都是先迅速降低然后达到稳定。以0°方向为例，延伸率在一道次后由24.556%下降到17.062%，下降了30.52%；在第二道次从17.062%到17.031%，几乎保持不变。这是因为位错密度的提高导致延伸率的降低，第一道次位错密度迅速升高，第二道次后达到饱和，所以延伸率在第一道次迅速降低后不再随道次的增加而降低。

3 结论

（1）由于退火后晶内残余应力消除，第一道次的位错密度迅速上升后达到饱和值，这导致第一道次晶粒的细化能力较差，硬度、屈服强度迅速上升和延伸率迅速下降。第二道次晶粒迅速细化，从12.25μm 下降到7.35μm。第二道次后由于位错密度已达到饱和，道次对硬度、屈服强度和延伸率的影响较小。

图9 道次对延伸率的影响

（2）模压对金属材料的性能提高具有明显的各向异性。0°方向与模压方向垂直，受到的剪切作用最强，所以在0°方向上道次对屈服强度来说影响较大；在90°方向上几乎受不到纯剪切作用的影响，抗拉强度和屈服强度受到道次的影响较小。

［1］ Zhu Y T，Lowe T C，Langdon T G.Performance and applications of nanostructured materials produced by severe plastic deformation［J］.Scripta Materialia，2004，51：825－830.

［2］ Valiev R Z，Islamgaliev R K，Alexandrov I V.Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation［J］.Progress in Materials Science，2000，45：103－189.

［3］ Dong Hyuk Shin，Jong－Jin Park，Yong－Seog Kim.Constrained groove pressing and its application to grain refinement of aluminum［J］.Materials Science and Engineering，2002，A328：98－103.

［4］ Hosseini E，Kazeminezhad M ，Mani A，et al.On the evolution of flow stress during constrained groove pressing of pure copper sheet［J］ .Computational Materials Science，2009，45：855－859.

［5］ 崔忠圻.金属学及热处理［M］.北京：机械工业出版社，2001.