葉 奔，丁 強，秦 未，周 健，李紅軍

(浙江理工大學(xué)機械與自動控制學(xué)院，杭州 310018)

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多道次攪拌摩擦加工制備的5083鋁合金細(xì)晶材料超塑性研究

葉 奔，丁 強，秦 未，周 健，李紅軍

(浙江理工大學(xué)機械與自動控制學(xué)院，杭州 310018)

通過多道次攪拌摩擦加工5083鋁合金材料，細(xì)化材料晶粒，使用倒置金相顯微鏡分析其晶體結(jié)構(gòu)、微觀形貌，然后對試樣進(jìn)行高溫拉伸實驗，通過分析其材料的延伸率、應(yīng)力和應(yīng)變的情況，研究試樣材料的超塑性性能。研究表明：經(jīng)過多道次攪拌摩擦加工后，材料晶粒細(xì)化均勻；通過高溫拉伸試驗，其延伸率是未進(jìn)行加工的2.6倍。多道次攪拌摩擦加工成本較低，具備加工大面積鋁合金材料的能力，這種加工方式在鋁合金晶粒細(xì)化的加工中有著廣闊的應(yīng)用前景。

5083鋁合金；攪拌摩擦加工；細(xì)化晶粒；超塑性

0 引 言

5083鋁合金材料展現(xiàn)超塑性的一個條件是細(xì)小的晶粒尺寸，如何高效、快速地制備超細(xì)晶材料是目前研究的一個重點。任峻等[1]和湯皓元等[2]分別在鋁合金材料中加入B2O3和Al-5Ti-1B來細(xì)化其晶粒，該方法需先將材料加熱至熔化狀態(tài)后才能加入化學(xué)元素，過程相對繁瑣且成本較高。郭曉亮等[3]研究發(fā)現(xiàn)超聲波處理可以細(xì)化晶粒，但是經(jīng)過超聲波處理后晶粒細(xì)化的效果不明顯，無法達(dá)到超細(xì)晶材料的晶粒尺寸要求。黃姝珂等[4]研究了通道轉(zhuǎn)角擠壓技術(shù)細(xì)化V-5Cr-5Ti合金晶粒。楊明剛等[5]采用熱處理的方法來細(xì)化晶粒尺寸，所需加熱的溫度較高，周期相對較長，而且制備大尺度超細(xì)化材料尚有一定難度。高雪等[6]通過研究攪拌摩擦加工技術(shù)對AZ31鎂合金晶粒尺寸的影響，發(fā)現(xiàn)攪拌摩擦加工能細(xì)化鎂合金的晶粒尺寸，但高溫拉伸試驗時，經(jīng)過攪拌摩擦加工后的鎂合金材料的塑性較之前變差。

攪拌摩擦加工技術(shù)利用攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)插入工件，在攪拌頭軸肩與工件緊密接觸并產(chǎn)生摩擦后，沿待加工方向移動，使攪拌頭位置材料產(chǎn)生強烈塑性變形，堆積形成新的微觀結(jié)構(gòu)。多道次攪拌摩擦加工技術(shù)是指在被加工大片區(qū)域重復(fù)使用單道次攪拌摩擦加工，通過調(diào)整加工參數(shù)，使被加工大片區(qū)域都得到新的微觀組織結(jié)構(gòu)。采用該技術(shù)，被加工材料會產(chǎn)生強烈塑性變形、混合和破碎，在微觀結(jié)構(gòu)上均勻化、致密化，使被加工材料可能具有超塑性。本文通過多道次攪拌摩擦加工制備晶粒細(xì)化的AA5083鋁合金材料，并進(jìn)行拉伸實驗研究其超塑性性能。

1 實 驗

1.1 細(xì)晶材料制備

攪拌摩擦加工實驗材料為200 mm×100 mm×5 mm的軋制AA5083鋁合金板。設(shè)置多道次攪拌摩擦加工的工藝參數(shù)：攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度1300 r/min、進(jìn)給速度400 mm/min、軸肩下壓量0.3 mm。在此工藝參數(shù)下，接頭試樣無缺陷且接頭的各力學(xué)性能較好。多道次加工時使用帶螺紋的錐形攪拌頭,各道次之間的間隔為3.66 mm，并在加工過程中進(jìn)行水冷卻。使用3.66 mm的間隔進(jìn)行加工時,試板的所有區(qū)域均被完全攪拌。

1.2 拉伸試樣制備及拉伸試驗

試樣為板材結(jié)構(gòu)，故采用線切割機切取高溫拉伸試樣，切割完成后用砂紙進(jìn)行打磨以消除線切割留下的劃痕，防止拉伸過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中。拉伸試樣的切取位置和切割外形尺寸如圖1和圖2所示。

圖1 試樣切取位置

圖2 拉伸試樣尺寸(mm)

圖3 溫度、應(yīng)變速率與延伸率的關(guān)系

高溫拉伸試驗在萬能拉伸試驗機上進(jìn)行。將溫度上升至所需溫度后保溫2 min，然后開始進(jìn)行拉伸試驗，拉伸時在保溫爐中充入含量大于或等于99.99%的高純氮作為保護(hù)。拉伸過程的初始應(yīng)變速率和拉伸溫度，在參考其他對5083鋁合金超塑性研究[7-10]的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際研究情況選定。文獻(xiàn)[7-10]中的溫度、應(yīng)變速率、延伸率等數(shù)據(jù)如圖3(a)和圖3(b)所示，以此確定本次超塑性試驗的參數(shù)值，其中溫度設(shè)為460、500、530 ℃，初始應(yīng)變速率ε為3×10-3/s。

試樣的初始長度l0=15 mm，如圖2(a)所示。根據(jù)公式可以計算拉伸速度v：

v=ε×l0=3×10-3/s×15 mm=0.045 mm/s =2.7 mm/min，

本次實驗以該拉伸速度進(jìn)行，并記錄實驗數(shù)據(jù)。

2 實驗結(jié)果分析與討論

2.1 結(jié)果分析

2.1.1 晶粒細(xì)化分析

利用倒置金相顯微鏡觀察經(jīng)過加工和未加工的晶粒圖，如圖4(a)和圖4(b)所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過攪拌頭攪拌的區(qū)域晶粒尺寸約為9.5 μm；而未經(jīng)過攪拌頭攪拌的區(qū)域晶粒尺寸約為12.8 μm，可以明顯看出經(jīng)過加工的晶粒較之前均勻細(xì)化。

圖4 晶粒圖

2.1.2 真實應(yīng)力-真實應(yīng)變分析

圖5為高溫拉伸試驗所得到的載荷-位移(P-L)曲線。由圖5可知，試樣在勻速拉伸過程中，載荷迅速達(dá)到最大，然后下降直至試樣被拉斷。試樣在530 ℃時，拉伸位移最大。

圖5 載荷位移曲線

由于本次拉伸為勻速，故位移與時間成線性關(guān)系，載荷-位移(P-L)可計算為載荷-時間的函數(shù)關(guān)系，以方便得到每一時刻的載荷，計算材料的名義應(yīng)力σnom、名義應(yīng)變εnom，其計算公式為：

(1)

(2)

其中：Δl是鋁合金試樣的長度變化量；F是載荷；A0是試樣的初始載荷面積。

由真實應(yīng)變εtrue、真實應(yīng)力σtrue與名義應(yīng)變εnom、名義應(yīng)力σnom公式可得：

(3)

(4)

計算上述公式得到的真實應(yīng)力-真實應(yīng)變關(guān)系并繪制函數(shù)曲線，如圖6所示。從圖6中可以看出，在各個溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線都出現(xiàn)了應(yīng)力硬化、應(yīng)變硬化與應(yīng)變軟化平衡及應(yīng)變軟化過程。在應(yīng)變開始時，應(yīng)力隨著真實應(yīng)變的增加迅速上升，到達(dá)最高點后，隨后出現(xiàn)一個應(yīng)變硬化與應(yīng)變軟化動態(tài)平衡的穩(wěn)態(tài)過程，最后真實應(yīng)力迅速下降。

2.1.3 延伸率分析

試樣經(jīng)過高溫拉伸試驗后試樣的延伸率情況如圖7所示。從圖7中可以看出在初始應(yīng)變速率為3×10-3/s。攪拌摩擦加工能明顯增加材料的塑性。在530 ℃條件，加工后試樣的延伸率能達(dá)到未加工延伸率的2.6倍。

圖6 真實應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖7 高溫拉伸試驗后試樣的延伸率

2.2 討 論

AA5083鋁合金經(jīng)過攪拌摩擦加工后，晶粒得到細(xì)化，尺寸從12.8μm下降到9.5μm，降低了25.8%，晶界變多，晶粒位錯變形阻力就越大，造成材料屈服強度和抗拉強度提高。從圖6的曲線來看，在530 ℃下，晶粒細(xì)化后的材料屈服強度是未被攪拌材料的3倍，抗拉強度提高了2.1倍。Hall-petch公式可以表示為:σs=σ0+Kd-1/2，其中：σs是材料的屈服強度，σ0和K是常數(shù)，d是晶粒直徑。[11-12]根據(jù)該公式，材料的屈服強度與晶粒尺寸倒數(shù)的平方根成正比。因此,晶粒細(xì)化能改善材料的強度。

材料在攪拌后，晶粒變小的同時，也更加均勻，有利于減少晶粒滑動和轉(zhuǎn)動阻礙。在變形過程中，晶粒的滑移與轉(zhuǎn)動相配合，能有效防止裂紋產(chǎn)生，提高材料延伸率，從而使材料具有超塑性。在本研究的拉伸實驗中，材料的最大真實應(yīng)變達(dá)110%，與未攪拌試樣相比，延伸率顯著提高。

3 結(jié) 論

本文采用攪拌摩擦加工技術(shù)對AA5083鋁合金板材進(jìn)行多道次攪拌加工，獲得了晶粒細(xì)化的鋁合金材料；通過分析其晶粒尺寸、延伸率以及真實應(yīng)力和真實應(yīng)變以研究材料超塑性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

a) 材料在進(jìn)行高溫拉伸時會出現(xiàn)應(yīng)力硬化、應(yīng)變硬化與應(yīng)變軟化平衡以及應(yīng)變軟化三個階段。

b) 通過高溫拉伸試驗的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，試樣在初始應(yīng)變速率為3×10-3/s，溫度為530 ℃時所對應(yīng)的延伸率最大。

c) 相比于未經(jīng)過加工的試樣，經(jīng)過多道次攪拌摩擦加工后試樣的平均晶粒尺寸降低到9.5 μm，在高溫拉伸時的延伸率是未加工試樣的2.6倍。

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(責(zé)任編輯： 康 鋒)

Superplastic Study of AA5083 Aluminum Alloy Processed by Multi-Pass Friction Stir Technology

YEBen,DINGQiang,QINWei,ZHOUJiang,LIHongjun

(Faculty of Mechanical and Automation, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

5083 Aluminum Alloy was processed by multi-pass friction stir technology to refine grain. The crystal structure and micromorphology of sample materials were researched by inverted metallurgical microscope, and then the specimens were experimented with the high temperature tensile. We researched the superplastic properties of specimens by the analysis of elongation rate, stress and strain. The results show that grain refinement is uniform by use of the multi-pass friction stir processing; after the experiment of high temperature tensile, the elongation rate is 2.6 times as much as while it is not processed. Meanwhile the low cost of multi-pass friction stir processing has the condition of processing Aluminum Alloy material in a large area, and makes this processing method have a good application prospect in the processing of grain refinement of Aluminum Alloy.

5083 aluminum alloy; friction stir processing; grain refinement; superplastic

10.3969/j.issn.1673-3851.2017.07.006

2016-12-13 網(wǎng)絡(luò)出版日期： 2017-04-25

國家自然科學(xué)基金項目(51475431)

葉 奔(1990-)，男，安徽淮北人，碩士研究生，主要從事汽車輕量化技術(shù)方面的研究。

李紅軍，E-mail：lihongjun@zstu.edu.cn

TG456.9

A

1673- 3851 (2017) 04- 0502- 04