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多向鍛造技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用

多向設(shè)計技術(shù)是大塑料變形法的代表性技術(shù)。所謂的大塑性變形法就是使材料產(chǎn)生劇烈的塑性變形以達(dá)到強烈細(xì)化晶粒的效果,其平均晶粒尺寸一般都在亞微米乃至納米級。目前大塑性變形法已被國際材料學(xué)界公認(rèn)為是制備塊體納米和超細(xì)晶材料的最有前途的方法,正引起材料專家們越來越多的興趣和關(guān)注。與其它幾種代表性大塑性變形法如等徑角擠和高壓扭轉(zhuǎn)相比,多向鍛造技術(shù)由于其工藝簡單、成本低,使用現(xiàn)有的工業(yè)裝備即可制備大塊致密材料以及可使材料性能得到改善等優(yōu)點,有望直接應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。多向壓縮是在多向鍛造基礎(chǔ)上去掉拔長工序,操作上采用固定比例的方形試樣,每道次壓縮30%~45%,淬水,而后將變形試樣機加成原比例的試樣(長軸轉(zhuǎn)90°),再沿第二軸進行壓縮,反復(fù)變形以達(dá)到細(xì)化晶粒效果。多向壓縮便于精確計算變形量,本質(zhì)上仍屬于多向鍛造技術(shù)。目前,多向鍛造技術(shù)已在多種材料上得到研究,如鈦及鈦合金、多晶純銅、不銹鋼、鎳合金、鋁合金[4,5,19,20,21,22,23]以及鎂合金等。本文主要介紹多向鍛造技術(shù)的原理和特點、材料組織演變規(guī)律、力學(xué)行為以及主要影響因素等,并對該技術(shù)未來的研究方向進行了展望。1晶粒尺寸和組織演變多向鍛造技術(shù)是一種自由鍛工藝,其工藝原理如圖1所示。形變中材料隨外加載荷軸向變化而不斷被壓縮和拉長,通過反復(fù)變形達(dá)到細(xì)化晶粒、改善性能的效果。俄羅斯科學(xué)院超塑性問題研究所的Salishchev等在對脆性較大的TiAl的研究中進一步發(fā)展了該項工藝:首先對試樣進行熱機械變形以獲得細(xì)晶組織;然后通過超塑性變形以提高組織的均勻性;最后在保證超塑性變形的溫度-形變速率條件下,對試樣進行熱機械變形以獲得納米晶組織。Salishchev等采用該方法制得了晶粒尺寸為100nm的TiAl塊體材料,而后又制得了晶粒尺寸為60nm的Ti-6Al-3.2Mo塊體材料。與傳統(tǒng)的單向成形工藝如軋制、單向墩粗相比,多向鍛造技術(shù)最大的特點就是形變過程中外加載荷軸向是旋轉(zhuǎn)變化的。這種變形方式對材料變形時的流變應(yīng)力行為和顯微組織演變有很大影響。Sitdikov等對粗晶7475鋁合金高溫多向壓縮與單向變形組織演變進行比較,二者差別主要體現(xiàn)在細(xì)晶晶粒尺寸和體積分?jǐn)?shù)方面。在單向變形里新產(chǎn)生的細(xì)晶粒尺寸約為5.5μm,其體積分?jǐn)?shù)隨應(yīng)變量的增加快速上升,而后穩(wěn)定在0.2左右;在多向壓縮變形中新晶粒尺寸要比前者略大,但體積分?jǐn)?shù)卻高達(dá)0.85。研究者認(rèn)為引起上述現(xiàn)象的原因是在第一道次壓縮后材料內(nèi)部變形帶基本平行,繼續(xù)沿先前載荷方向壓縮時,隨著變形的進行,這些變形帶的位向差會有所增大,間距逐漸縮小,最終形成高密度流線組織。在這種變形方式下,新晶粒多數(shù)沿著晶界形成,而在晶粒內(nèi)部產(chǎn)生的比例很小,故體積分?jǐn)?shù)相對較低。反之采用多向鍛造工藝,變形帶取向?qū)㈦S外加載荷軸向的變化而改變,在晶粒內(nèi)部相互交錯,由于變形帶交匯處位錯塞積嚴(yán)重,密度較大,位錯間相互糾纏形成胞狀組織(具有幾何晶界)。變形量繼續(xù)增加就會促使胞狀組織轉(zhuǎn)變成亞晶粒(具有獨立的滑移系),進而轉(zhuǎn)變成具有小角度晶界或大角度晶界的新晶粒,使得新晶粒不僅能在晶界處產(chǎn)生,而且也能在晶粒內(nèi)部大量出現(xiàn),有利于組織細(xì)化。2應(yīng)變誘發(fā)的晶界位向差多向鍛造變形初期,材料內(nèi)部高密度位錯墻將晶粒分割成若干拉長單元體,同時,在初始晶界附近形成一些大角度亞晶界。研究者認(rèn)為不均勻變形引發(fā)初始晶界周邊晶格旋轉(zhuǎn),造成部分大角度亞晶界形成。隨著變形道次和應(yīng)變量的增加,由晶內(nèi)位錯滑移以及對亞晶間非協(xié)調(diào)應(yīng)變伴隨產(chǎn)生的位錯吸收將導(dǎo)致晶內(nèi)和晶界處亞晶界位向差增大。亞晶界位向差增加的幅度隨區(qū)域不同存在較大差異,靠近初始晶界處要比晶內(nèi)快許多。隨著變形的進行,累積的塑性變形很大,導(dǎo)致動態(tài)再結(jié)晶溫度下降,材料的組織發(fā)生很大的變化。具有中(大)角度晶界的細(xì)小新晶粒開始在初始晶界處萌生,數(shù)量隨著變形的進行不斷增多。晶內(nèi)低應(yīng)變下拉長的亞晶橫向尺寸增加,縱向尺寸減小,趨于等軸化,同時晶內(nèi)和初始晶界處所有的亞晶界位向差增大。晶界位向差的增大有助于細(xì)小新晶粒連續(xù)生成。Belyakov等研究了多晶純銅多向鍛造中的應(yīng)變誘發(fā)晶界位向差分布與應(yīng)變的關(guān)系。隨著應(yīng)變的增加,晶界位向差逐漸增大。在低應(yīng)變(0.6和1.15)下,平均晶界位向差為3.8°和7°;當(dāng)應(yīng)變增大到2.35時,位向差分布集中在4~6°和20~40°區(qū)間,平均晶界位向差為19.8°;隨后形變中小角度晶界急劇減少,位向差超過20°的晶界數(shù)量增加,在應(yīng)變?yōu)?.2時平均晶界位向差達(dá)到29.3°。引起晶界位向差增大的原因主要有兩類:形變中晶界處位錯塞積和臨近晶界位錯滑移產(chǎn)生的相應(yīng)晶格旋轉(zhuǎn)。前者符合:θ=ˉb/h=ˉb√ρ(式中θ為位向差,ˉb為Burgers矢量,h為同一晶界處位錯平均距離,ρ為晶界處位錯密度);后者滿足:ˉω=ˉn×ˉb(式中ˉω為旋轉(zhuǎn)軸,ˉn為滑移面法向)關(guān)系。材料經(jīng)過多向鍛造大塑性變形后,內(nèi)部位錯密度增加,晶粒組織呈現(xiàn)非平衡晶界,伴隨很高的內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生。通過一定的退火處理,非平衡晶界將向平衡晶界轉(zhuǎn)變,同時晶界和晶內(nèi)部分缺陷消失,晶粒尺寸有所增大,內(nèi)應(yīng)力降低。退火溫度越高,時間越長,晶粒變化越明顯。對304奧氏體不銹鋼多向壓縮后的退火組織研究發(fā)現(xiàn),應(yīng)變誘發(fā)產(chǎn)生的細(xì)晶材料在退火過程中的組織演變與傳統(tǒng)成形工藝制備的材料相同,也經(jīng)歷3個階段:回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大。第一階段回復(fù)過程不會改變晶粒尺寸和位向差,只是對非平衡晶界引起的內(nèi)應(yīng)力進行松弛。隨著退火時間的延長,晶粒尺寸和位向差急劇增大。亞結(jié)構(gòu)不均勻性和晶界能的存在是導(dǎo)致第二階段晶??焖匍L大的兩個主要驅(qū)動力。最后一階段平均晶粒尺寸與退火時間呈冪指數(shù)關(guān)系,而平均位向差基本保持不變,維持在45°左右。張廷杰等對多向鍛造大變形7075鋁合金經(jīng)390~450℃、1h退火的組織進行觀察,認(rèn)為由多向大變形鍛造發(fā)展出的動態(tài)再結(jié)晶(DRX)晶粒結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定。三類DRX結(jié)構(gòu)即DRX晶核、生長著的DRX晶粒(晶界和晶粒內(nèi)部有明顯的位錯密度梯度)和經(jīng)受應(yīng)變硬化過的DRX晶粒(晶粒中有清楚的分布均勻的亞結(jié)構(gòu))在熱變形停止后變化不一。DRX晶核可連續(xù)生長導(dǎo)致其局部位置亞穩(wěn)定動態(tài)再結(jié)晶(MDRX),生長著的DRX晶粒則僅發(fā)生亞穩(wěn)定動態(tài)回復(fù)(MDRV),而加工硬化過的DRX晶粒則能發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶(SRX)。這種混合結(jié)構(gòu)(MDRX、SRX、MDRV)在進一步退火過程中,新的再結(jié)晶晶粒生長很慢,特別是包含高密度位錯的MDRV晶粒在高溫下能夠穩(wěn)定存在很長時間,從而使動態(tài)再結(jié)晶基體在靜態(tài)退火中晶粒生長速度很慢,以確保產(chǎn)品有細(xì)小的晶粒尺寸。3應(yīng)力應(yīng)變對材料力學(xué)性能的影響多向鍛造大塑性變形能強烈細(xì)化組織,使材料力學(xué)性能得到很大提高。同時由于外加載荷軸變化使得鍛件各方向變形程度和力學(xué)性能相同,避免了擠壓、軋制等其它常規(guī)成形工藝通常出現(xiàn)的各向異性。Zherebtsov等通過多向鍛造工藝制備了具有均勻超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的大尺寸(Φ150mm×200mm)Ti-6Al-4V鍛坯,其力學(xué)性能優(yōu)越,同時各個方向性能相當(dāng),徑向和切向的強度差異在2%以內(nèi),伸長率和斷面收縮率一致。張小明等研究了多向鍛造對改善7075鋁合金性能的作用。由于晶粒的細(xì)化,鍛件的力學(xué)性能有很大提高。退火狀態(tài),其室溫強度的增幅較大;淬火時效狀態(tài),塑韌性的提高十分顯著,在保持較高強度的情況下,室溫拉伸伸長率達(dá)到18%,高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的2倍,接近退火態(tài)水平。筆者等對AZ80鎂合金進行多向反復(fù)熱鍛,達(dá)到了較好細(xì)化晶粒的效果,同時材料的綜合力學(xué)性能得到較大提高,鍛壓7個道次,其材料硬度、屈服強度和抗拉強度達(dá)到最大,分別為87.3HB、258.78MPa和345.04MPa,是鍛前試樣的1.43倍和2倍。伸長率在6個道次時達(dá)到最大,為7.85%,是鍛前的2.45倍。鍛前鑄態(tài)試樣室溫拉伸斷口為準(zhǔn)解理斷裂加少量剪切斷裂,鍛后試樣斷口出現(xiàn)大量細(xì)小韌窩。隨應(yīng)變量的增加,韌窩數(shù)目增多,分布趨向均勻,材料延性增大。4道次應(yīng)變量對材料組織的影響影響多向鍛造技術(shù)的因素有很多,主要有累積應(yīng)變量、道次應(yīng)變量、變形溫度、應(yīng)變速率和初始晶粒度等。隨著累積應(yīng)變量的增加,加工軟化占主導(dǎo),流變應(yīng)力降低,(亞)晶內(nèi)平均位錯密度逐漸降低并趨于穩(wěn)定。(亞)晶粒尺寸在變形早期先迅速減小而后維持在某一范圍,基本不隨累積應(yīng)變量變化。而應(yīng)變誘發(fā)(亞)晶界平均位向差隨著應(yīng)變量的增加不斷增大,在高應(yīng)變下形成具有大角度晶界的新晶粒,材料組織得到充分細(xì)化。在一定范圍內(nèi),道次應(yīng)變量越大,材料變形中的加工軟化越顯著,流變應(yīng)力越快達(dá)到穩(wěn)態(tài)。同時增加道次應(yīng)變量能有效加快材料晶粒細(xì)化進程,在相近的累積應(yīng)變量下,較大道次應(yīng)變量變形的材料組織具有更大的應(yīng)變誘發(fā)晶界密度,新晶粒平均位向差和體積分?jǐn)?shù)增大,尺寸減小。溫度影響材料動態(tài)再結(jié)晶行為和晶粒細(xì)化進程,多向鍛造工藝的變形溫度一般低于0.5Tm,由于累計的塑性變形很大,導(dǎo)致動態(tài)再結(jié)晶溫度下降。在可變形范圍內(nèi),相同條件下變形溫度越低,動態(tài)再結(jié)晶新晶粒尺寸減小,同時組織內(nèi)大角度(亞)晶界比例增大。在同一變形溫度下,應(yīng)變速率越大,相同變形程度所需的時間縮短,由動態(tài)再結(jié)晶等提供的軟化過程縮短,塑性變形進行不充分,位錯數(shù)目增多,從而使合金變形的臨界切應(yīng)力提高,導(dǎo)致流變應(yīng)力增大。Belyakov等研究了初始晶粒度對不銹鋼材料多向鍛造工藝的影響。相同應(yīng)變量下,隨著初始晶粒度的減小,大角度晶界比例增加,達(dá)到相同比例數(shù)量大角度晶界所需的累積應(yīng)變量較小。由于相鄰晶粒的約束,初始晶界成為應(yīng)變誘發(fā)大角度(亞)晶界擇優(yōu)生長區(qū)域。因此,晶粒初始尺寸越小,晶界處能夠形成大角度晶界(亞)晶粒的有效區(qū)間增多,晶粒細(xì)化進程加快,有利于組織細(xì)化。5對今后研究的建議近10多年來,國內(nèi)外興起一研究熱點,即采用強烈的塑性變形來獲得亞微米、納米級晶粒,在保持較好的塑韌性下,顯著地提高材料的強度。多向鍛造大塑性變形制備超細(xì)晶組織具有很多誘人的使用性能和發(fā)展前景,但是要在工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用,筆者認(rèn)為還需要對以下方面進行更深

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