6061鋁合金及其SiC顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的ECAP變形研究.pdf

1、一直是材料學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，通過細(xì)化晶粒，可在不改變材料成分()高材料的強(qiáng)度和韌性，同時獲得相當(dāng)好的塑性和超塑性。在當(dāng)前各()細(xì)化晶粒的方法中，等徑角擠壓(ECAP-EqualChannelAngularPressing)以其獨(dú)特的工藝成為最有大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用前景的一種方法。此方法模具結(jié)構(gòu)簡單，可以在材料截面積不變的情況下獲得很大的剪切變形量，將材料的晶粒細(xì)化到亞微米級甚至納米級，使材料呈現(xiàn)出和常規(guī)變形方式不同的機(jī)械性能。 目前為

2、止，所有的ECAP過程都是作用于塊狀毛坯上的，并且研究主要集中在ECAP過程對材料的微觀組織的變化，及對材料機(jī)械性能的影響上，對材料在變形過程中的織構(gòu)變化，還沒有系統(tǒng)深入的研究。而織構(gòu)是金屬板材成形過程的一個重要性能參量，本文采用一種全新的基于ECAP原理，適用于板材ECAP變形的方法，對板料ECAP變形的變形機(jī)制，微觀組織和力學(xué)性能的變化，特別是板料的織構(gòu)的演變進(jìn)行了深入研究。 由于復(fù)合材料的塑性較差，ECAP變形過程應(yīng)用于非

3、連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料國內(nèi)外很少報(bào)道，而相應(yīng)于板狀ECAP過程的報(bào)道則基本未見。因此本文也將探討板狀ECAP過程應(yīng)用于顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料板材的可行性，ECAP變形的剪切變形模式對顆粒破碎的作用及對織構(gòu)和力學(xué)性能變化的影響。 試驗(yàn)中，本文利用了X射線衍射儀，透射電鏡，掃描電鏡，光學(xué)顯微鏡，萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)，硬度計(jì)，及取向分布函數(shù)等手段，重點(diǎn)進(jìn)行了以下幾個方面的研究： 1.通過改變板狀ECAP變形的模具及增加變形道次的方法

4、，研究了ECAP變形過程中材料變形量與宏觀變形織構(gòu)之間的關(guān)系。結(jié)果證明當(dāng)剪切變形量不斷增加時ECAP變形存在一個穩(wěn)定織構(gòu)。對6061鋁合金的試驗(yàn)表明，在相對較小的變形量下，材料內(nèi)會形成旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu)。但隨著ECAP變形量的增加，旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu)分量的強(qiáng)度的下降，{112}<110>分量的強(qiáng)度迅速增加并成為材料內(nèi)唯一一個織構(gòu)分量。表明ECAP變形時隨變形量的增加存在一個亞穩(wěn)態(tài)的旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu)和一個最終穩(wěn)定的一個{112}<110>織構(gòu)分量。微觀組

5、織的觀察表明ECAP過程可以得到晶?；騺喚С叽缧∮?μm的等軸細(xì)晶。 2.研究了ECAP變形過程的一個重要變形參數(shù)——變形溫度，對織構(gòu)形成及微觀組織演變的影響。制備出了具有<111>//ND的γ織構(gòu)線的板材。對6061鋁合金在不同的溫度下進(jìn)行的ECAP實(shí)驗(yàn)表明，在適當(dāng)?shù)淖冃螚l件下，材料內(nèi)將形成{332}<313>織構(gòu)分量，并且這些分量沿γ織構(gòu)線分散分布，構(gòu)成了事實(shí)上的γ織構(gòu)線。此時鋁合金板材的平均板厚方向性系數(shù)R值高達(dá)1.5，較

6、常規(guī)變形方式所能得到的提高了幾乎50％。微觀組織的觀測表明此時試樣內(nèi)并未出現(xiàn)明顯的亞晶尺寸長大的現(xiàn)象。此研究結(jié)果表明了ECAP變形可作為控制板料成形性的一種重要手段應(yīng)用于金屬板材的生產(chǎn)加工上。 3.對于可熱處理強(qiáng)化的鋁合金來說，其實(shí)際應(yīng)用中仍可能會對變形后的材料進(jìn)行去應(yīng)力退火等熱處理工序，或后續(xù)變形過程及應(yīng)用中在一定溫度下進(jìn)行，因此研究ECAP變形后材料內(nèi)的細(xì)晶組織的高溫穩(wěn)定性及退火過程中織構(gòu)的變化也是本文的研究內(nèi)容之一。對60

7、61鋁合金ECAP后變形組織的熱穩(wěn)定性研究表明ECAP變形后材料具有良好的熱穩(wěn)定性，退火結(jié)束時晶粒大小仍保持約為0.6μm.與軋制后鋁合金經(jīng)常出現(xiàn)的立方織構(gòu)不同，ECAP變形后6061鋁合金退火結(jié)束時的主要織構(gòu)為旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu)，這應(yīng)與ECAP變形的剪切變形方式有關(guān)。 4.ECAP變形可以顯著地提高材料的力學(xué)性能，本文中的顆粒增強(qiáng)鋁復(fù)合材料板材ECAP變形前已經(jīng)歷了較大的擠壓及軋制變形，因此本文將探討此時的ECAP變形是否能進(jìn)一步的

8、提高材料的力學(xué)性能，并將對ECAP變形前后的鋁基復(fù)合材料的顆粒狀況、微觀組織、拉伸力學(xué)性能及宏觀織構(gòu)的變化進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)成功的進(jìn)行了0.58變形量下的體積含量10％的SiC顆粒增強(qiáng)6061鋁基復(fù)合材料板料的ECAP變形。結(jié)果表明，雖然經(jīng)歷了大變形量的塑性變形，但隨后的ECAP變形仍然可以提高復(fù)合材料板料的拉伸力學(xué)性能，其ECAP變形后的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度分別較ECAP變形前提高了20％。 5.最后本文利用有限元方法，研究了ECA

9、P變形過程中的溫度場及應(yīng)力應(yīng)變場，以期深入了解并揭示板狀ECAP變形過程中的變形特點(diǎn)及變形機(jī)制。對ECAP變形時的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果表明，與常規(guī)塊狀的ECAP變形方式不同，板狀ECAP變形中摩擦力是ECAP成型的關(guān)鍵。塊狀ECAP變形中摩擦力的存在會使變形能過多的耗散于摩擦功，需要盡量減小摩擦系數(shù)。而板料ECAP過程中的一定的摩擦力和尺寸精確的模具結(jié)構(gòu)卻是使ECAP變形能正常進(jìn)行的關(guān)鍵。 可以預(yù)見，在能源與環(huán)境要求越來越高的今天，包