體育器材用2024鋁合金塑性變形研究綜述

樊一婷

(西安醫(yī)學(xué)院,陜西西安 710021)

鋁在地殼中分布范圍最廣,儲(chǔ)存量在金屬中也是最多的,近幾十年在金屬材料方面的應(yīng)用僅排在鋼鐵之后。鋁是具有面心立方晶格結(jié)構(gòu)的一種元素,含有12 個(gè)滑移系,無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,相比其他結(jié)構(gòu)如體心立方晶格和密排六方晶格的金屬,塑性較高。同時(shí)鋁具有密度小、導(dǎo)熱導(dǎo)電性好、抗蝕性好、可回收再利用等優(yōu)良性能[1]。由于鋁具有這些特殊的性能,在工業(yè)生產(chǎn)中,鋁合金也逐漸被廣泛應(yīng)用于如交通、飛行器、土建、計(jì)算機(jī)以及機(jī)械制造、體育器材等方面。總之,鋁合金現(xiàn)已成為目前工業(yè)發(fā)展中的重要金屬材料。2024 鋁合金屬于Al-Cu-Mg 系可熱處理強(qiáng)化型的鋁合金,作為結(jié)構(gòu)型高強(qiáng)度硬鋁合金,應(yīng)用范圍非常廣。在體育器材中,鋁合金被大量使用,如:跳高丈量尺、接力棒、跳高架、跳高橫桿、跨欄架等,其中室溫冷軋變形和深冷軋制均屬于劇烈塑性變形方法[2]。作為一種重要的承重金屬,2024 鋁合金的力學(xué)性能也顯得尤為重要,需要具備高強(qiáng)度,還要具備良好的韌性、熱強(qiáng)性等。鋁合金材質(zhì)的體育器材在抗腐蝕性等各方面都有很大優(yōu)勢(shì),主要是鋁合金材料置于空氣中,表面會(huì)形成一層穩(wěn)定的氧化膜,阻止腐蝕的進(jìn)一步進(jìn)行。由于鋁的密度小,導(dǎo)熱性能好,導(dǎo)電性好,塑性好,具有良好的抗腐蝕能力,礦藏豐富,因此被廣泛地應(yīng)用于體育器材等諸多領(lǐng)域中。在工業(yè)處理中鋁及鋁合金能夠回收再利用,對(duì)環(huán)境友好,因此鋁及鋁合金的推廣使用具有良好的發(fā)展前景[3]。

1 概述

晶粒細(xì)化是目前提高材料強(qiáng)韌性最理想的方法,劇烈塑性變形可以使金屬材料的晶粒尺寸減小,而晶粒細(xì)化是使材料發(fā)生細(xì)晶強(qiáng)化的關(guān)鍵所在。有許多研究表明,在較低的溫度下,材料產(chǎn)生大變形更有利于獲得細(xì)小均勻的變形組織。因此低溫大變形已經(jīng)成為學(xué)者們的主要研究趨勢(shì)。

1.1 體育器材用鋁合金2xxx

2xxx 鋁合金的研發(fā)對(duì)體育器材制造業(yè)的發(fā)展意義重大,在體育器材的制造業(yè)中2xxx 鋁合金所占比例為25%,且主要做結(jié)構(gòu)材料。在工業(yè)發(fā)展初期,對(duì)于鋁合金的要求只是需要滿足一定的靜態(tài)強(qiáng)度,以降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量,因此在這期間研發(fā)出了2024-T3 鋁合金。2024 鋁合金可以說(shuō)是2xxx 鋁合金中最基礎(chǔ)、應(yīng)用最為廣泛的合金,合金具有較高的強(qiáng)度,優(yōu)良的耐熱性和加工性,但耐蝕性較低。隨著合金技術(shù)的研究發(fā)展,由于對(duì)鋁及其合金性能研究的日益加深,逐漸完善了2124、2224、2324等的使用性能,并逐步、廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)的各種體育器材中,使用鋁合金材料所占整體質(zhì)量的百分比為15%,如跳高丈量尺、接力棒、跳高架、跳高橫桿、跨欄架等,均由2024 鋁合金板材制造,具有較高的強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性[4]。

1.2 鋁合金2xxx 成分組成

2024 作為2xxx 系基礎(chǔ)型鋁合金,其成分中元素基本為Cu 和Mg,同時(shí)還含有少量Mn,以及微量Si、Fe等元素,屬于以銅為主要添加元素的Al-Cu-Mg 系可熱處理強(qiáng)化型鋁合金[5]。銅元素在該系合金中起到非常重要的作用,它具有一定的強(qiáng)化效果,可以提高合金的強(qiáng)度與硬度,但同時(shí)也降低了合金的延伸率。銅的含量對(duì)合金性能很重要,在4%～6%時(shí)體現(xiàn)出的強(qiáng)化效果最好,因此許多硬鋁合金中的銅含量都在這個(gè)區(qū)間,銅含量如果大于這個(gè)區(qū)間,則合金的變形抗力會(huì)升高,也伴隨其他一些如抗腐蝕性和焊接性的下降。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,很多企業(yè)為了滿足一定的性能,在鋁合金中添加一些其他元素,比如鎂。鎂的含量對(duì)合金也構(gòu)成影響,它在經(jīng)過(guò)時(shí)效后所產(chǎn)生的效果比較明顯,力學(xué)性能顯著提高,尤其是經(jīng)過(guò)人工時(shí)效,強(qiáng)度明顯增加[6]。例如在合金中增加1%的鎂含量,抗拉強(qiáng)度就可以升高35MPa。在Al-Cu-Mg 合金中的鎂含量較低,要處理好雜質(zhì)鐵和硅的比值,防止Cu2FeAl7的形成,以免降低熱處理效果。材料中有的還加入少量Mn、Si、Cr、Ti 和Zr 等元素,這些元素可以提高合金的再結(jié)晶溫度,改善材料的焊接性能,同時(shí)起到細(xì)化晶粒的作用。

2 超細(xì)晶組織制備方法

2.1 超細(xì)晶

超細(xì)晶(UFG)具有非常小的晶粒尺寸(小于1μm),它的晶界面積要比粗晶(CG) 大,晶界處的缺陷也比粗晶多,因此細(xì)小的晶粒對(duì)材料強(qiáng)度有很大的改善。超細(xì)晶的晶界能量也非常高,處于不穩(wěn)定狀態(tài)。超細(xì)晶材料中大多數(shù)晶界處于非平衡狀態(tài),在適當(dāng)?shù)耐饨鐥l件下這種狀態(tài)將向亞穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)化,如晶粒的長(zhǎng)大、相變或固溶脫溶現(xiàn)象。例如,對(duì)純鋁進(jìn)行ECAP 變形,1 道次變形后位錯(cuò)明顯增多,晶粒為細(xì)長(zhǎng)的亞晶組織,小角度晶界增多；3 道次后出現(xiàn)1μm 大小的等軸晶,大角度晶界開(kāi)始增多；繼續(xù)變形到10 道次以后,1μm 大小均勻等軸晶形成。

2.2 SPD 技術(shù)

劇烈塑性變形(SPD) 方式主要用于制備大塊體積材料的超細(xì)晶組織,因其能產(chǎn)生強(qiáng)大的晶粒細(xì)化的效果,能夠使材料發(fā)揮出優(yōu)異的力學(xué)性能,吸引了許多科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域研究者們的興趣。傳統(tǒng)的改變金屬材料性能的加工方法,如扭轉(zhuǎn)、鍛造、擠壓等,應(yīng)變量都比較小,不足以使晶粒大小達(dá)到理想的尺寸,細(xì)晶強(qiáng)化的效果也不夠明顯。而大塑性變形技術(shù)是目前普遍使用的一種新方法,能夠使材料獲得更大的塑性應(yīng)變量,起到細(xì)化晶粒的作用。對(duì)于許多材料,如銅、鎂以及部分鋁合金等,通過(guò)強(qiáng)烈塑性變形方法[7],材料的晶粒尺寸可以細(xì)化到20nm。近年來(lái)的研究和總結(jié),許多以ECAP 技術(shù)為基礎(chǔ)的工藝也相繼出現(xiàn),并被應(yīng)用到實(shí)際中,再比如НPT 技術(shù)和ARB 技術(shù),這三種方法的應(yīng)用較為常見(jiàn),它們的特點(diǎn)是材料加工前后在加工方向的尺寸比較穩(wěn)定,通過(guò)反復(fù)變形可獲得較大的累積應(yīng)變量。其他的方法如多向壓縮(MAC)、往復(fù)擠壓(CEC) 以及反復(fù)彎曲校平(RCS) 等都不是特別常見(jiàn)。

2.3 冷軋工藝

冷軋是工業(yè)生產(chǎn)中常用的一種使金屬材料產(chǎn)生塑性變形的方法,使用具有更高強(qiáng)度金屬制成的軋輥,使金屬樣品的厚度變薄,從而使金屬樣品產(chǎn)生塑性變形,樣品變形量的大小由軋輥的輥縫決定。金屬樣品多次通過(guò)軋輥進(jìn)行軋制,必然增加樣品塑性變形量,使金屬樣品在宏觀上厚度變薄,從而使金屬樣品內(nèi)部得到晶粒細(xì)化。對(duì)各種金屬進(jìn)行冷軋?jiān)囼?yàn)得到結(jié)論,冷軋可以使金屬晶粒得到細(xì)化,但是這種方法不能使晶粒無(wú)限的細(xì)化,通常只能細(xì)化到幾百納米。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)一種更好的能使晶粒細(xì)化的方法,這就是低溫冷軋變形方法,這種方法充分利用液氮的低溫性質(zhì),將金屬樣品放入液氮中,待其冷卻至液氮溫度后,取出樣品進(jìn)行軋制。因?yàn)檫@種方法是在低溫下進(jìn)行的,所以叫做低溫冷軋變形方法。利用這種方法可以使一些金屬的晶粒最小細(xì)化至二十幾納米[8]。

采用的加工工藝是軋制,軋制的溫度為室溫和液氮兩種溫度,即冷軋及深冷軋制。冷軋變形同ECAP 工藝類(lèi)似,區(qū)別是冷軋變形后合金的塑性較差,并且變形量較大時(shí)容易產(chǎn)生裂紋。主要是因?yàn)镋CAP 更容易獲得大角度晶界。已有許多相關(guān)鋁合金的研究得出,2xxx 和7xxx 鋁合金在進(jìn)行200～300 ℃退火時(shí),組織內(nèi)部晶粒仍然保持亞微米晶粒,非常穩(wěn)定。其他系列鋁合金則發(fā)發(fā)生晶粒長(zhǎng)大的現(xiàn)象。

3 塑性變形過(guò)程中材料性能變化

材料在通過(guò)SPD 方法后得到超細(xì)晶組織結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)中含有大量的位錯(cuò),并具有較大的應(yīng)變能,組織的微觀結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,因而性能與其他多晶材料不同。超細(xì)晶材料變形的條件是在低溫的情況下使材料受到較大的應(yīng)變能并且使其迅速變形,而材料在通過(guò)以上處理后而具有的超塑性以及較低的應(yīng)變硬化能力是超細(xì)晶材料的主要特征[9]。

3.1 強(qiáng)度和塑性

關(guān)于超細(xì)晶材料的力學(xué)性能有兩種說(shuō)法。一種是,由于劇烈塑性變形產(chǎn)生大量具有高角度晶界的細(xì)小等軸晶粒阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),提高了材料的強(qiáng)度,這些細(xì)小等軸晶粒還會(huì)促進(jìn)晶界滑移等行為,因此提高了塑性。另一種是,劇烈塑性變形過(guò)程中引入了幾乎飽和的缺陷,削弱了位錯(cuò)的活動(dòng)能力,超細(xì)晶材料強(qiáng)度和硬度顯著提高的同時(shí),斷裂延伸率卻顯著降低,即使對(duì)于具有較高韌性的金屬,其斷裂延伸率也不會(huì)超過(guò)5%。因此目前有許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于提高超細(xì)晶金屬材料塑性的研究,例如繼續(xù)對(duì)材料進(jìn)行熱處理等[10]。

3.2 應(yīng)變硬化行為

超細(xì)晶金屬材料在變形過(guò)程中具有較低的應(yīng)變硬化能力。研究發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是超細(xì)晶金屬材料中平均自由程的減少。同時(shí),合金在拉伸變形過(guò)程中,晶格位錯(cuò)陷具有較快的移動(dòng)動(dòng)力,促使位錯(cuò)與晶界相互合并、晶界遷移以及晶界合并等動(dòng)態(tài)回復(fù)行為加速進(jìn)行,使位錯(cuò)密度降低,因此應(yīng)變硬化能力減弱。ECAP 工藝獲得純Ti的超細(xì)晶,發(fā)現(xiàn)Ti的應(yīng)變硬化能力也較低。透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn),在變形過(guò)程中,組織內(nèi)部形成了大量具有高內(nèi)應(yīng)力的非平衡晶界,這種組織特征在ECAP 變形過(guò)程中較為普遍。非平衡晶界處的晶格位錯(cuò)陷很容易發(fā)生分解,容易發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)過(guò)程。在變形過(guò)程中,動(dòng)態(tài)回復(fù)對(duì)金屬材料的應(yīng)變硬化能力影響非常大[11]。同時(shí)還發(fā)現(xiàn),試樣在拉伸變形過(guò)程中大概需要154s,從而,在這一過(guò)程中,晶格位錯(cuò)陷不斷擴(kuò)展進(jìn)入晶界,相互抵消,位錯(cuò)逐漸減少,降低了應(yīng)變硬化行為。在劇烈塑性變形的合金進(jìn)行熱處理后發(fā)現(xiàn),熱處理可以使金屬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率發(fā)生明顯的改變,也就是超細(xì)晶材料的應(yīng)變硬化能力增強(qiáng)的同時(shí),斷裂延伸率也在提高。原因是熱處理提高了劇烈塑性變形后非平衡晶界的穩(wěn)定性。

4 劇烈塑性變形的相關(guān)細(xì)化機(jī)制

由于在劇烈塑性變形制備超細(xì)晶材料的過(guò)程中組織變化行為比較復(fù)雜,到目前為止還沒(méi)有形成統(tǒng)一的理論。目前,研究者們針對(duì)材料的特性,得出三種細(xì)化機(jī)制的觀點(diǎn):位錯(cuò)細(xì)化機(jī)制、孿晶細(xì)化機(jī)制和相變細(xì)化機(jī)制[12]。

4.1 位錯(cuò)細(xì)化機(jī)制

Cu 和Al 具有較高的層錯(cuò)能,這一類(lèi)具有立方晶格結(jié)構(gòu)的金屬,晶粒細(xì)化的主要機(jī)制一般是劇烈塑性變形所造成的位錯(cuò)和位錯(cuò)間界對(duì)大晶粒的分割,即位錯(cuò)分割機(jī)制。對(duì)于大部分的多晶體材料,在塑性變形過(guò)程中,由于晶粒之間的方向具有各向異性,因此各晶粒的變形既相互抑制,又相互促進(jìn)。

通過(guò)對(duì)純鋁的表面進(jìn)行機(jī)械研磨處理(SMAT),在試樣表面形成了一層薄且致密的納米層。研究結(jié)論顯示:1)在對(duì)純鋁進(jìn)行表面機(jī)械研磨后,在應(yīng)變量增大的同時(shí),它的顯微結(jié)構(gòu)也在變化,依次為位錯(cuò)胞、位錯(cuò)墻、顯微帶、層狀結(jié)構(gòu)、等軸亞微米晶、納米晶；2) 純鋁試樣表面在進(jìn)行機(jī)械研磨時(shí),由于應(yīng)變的變化,使晶粒發(fā)生細(xì)化,生成尺寸更小的亞晶,隨著變形繼續(xù)增大,促使晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和晶界的滑移,產(chǎn)生大角晶界,從而在純鋁試樣的表面形成隨機(jī)取向的納米晶[13]。研究表明純鋁ECAP擠壓變形超細(xì)晶演化過(guò)程:2 道次時(shí),晶粒取向發(fā)生改變,組織中等軸晶粒數(shù)量較少；4 道次后,晶粒取向變化不明顯,晶粒開(kāi)始細(xì)化,大角度晶界增多,晶粒尺寸細(xì)化到1μm 左右；繼續(xù)加大變形量,晶粒大小幾乎不發(fā)生變化,而是向等軸晶演化；當(dāng)增加到10 道次時(shí),組織由晶粒大小為1μm的等軸晶粒組成。張忠明等人分析認(rèn)為,晶粒細(xì)化是在純剪切變形和應(yīng)變量的同時(shí)作用下產(chǎn)生的。但是在不同階段,兩者所起的作用不同,并存在臨界晶粒尺寸。當(dāng)晶粒尺寸小于臨界尺寸時(shí),晶粒細(xì)化主要是通過(guò)剪切變形來(lái)實(shí)現(xiàn)的,應(yīng)變量作用較小。當(dāng)晶粒尺寸達(dá)到臨界尺寸,應(yīng)變量則起到主要作用,表現(xiàn)在通過(guò)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)使合金組織形貌向等軸晶轉(zhuǎn)變。

4.2 孿晶細(xì)化機(jī)制

以孿晶方式變形的金屬一般是具有較低層錯(cuò)能的金屬。在劇烈塑性變形過(guò)程中,會(huì)產(chǎn)生許多孿晶界,孿晶界分割大晶粒,這種晶粒細(xì)化機(jī)制被稱為孿晶細(xì)化機(jī)制。何運(yùn)斌等研究者通過(guò)240℃的ECAP 變形,對(duì)ZK60 鎂合金組織進(jìn)行研究分析發(fā)現(xiàn),未變形的ZK60 微觀組織中大多為粗晶同時(shí)還有大量的孿晶,變形開(kāi)始時(shí)主要為剪切變形,而后組織內(nèi)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為,兩種過(guò)程同時(shí)進(jìn)行,使晶粒細(xì)化。

4.3 相變細(xì)化機(jī)制

晶格結(jié)構(gòu)為面心立方的金屬或合金,在發(fā)生塑性變形時(shí)通常會(huì)伴隨著馬氏體轉(zhuǎn)變。這種通過(guò)馬氏體相變而使材料的塑性得到提高的方法被叫做馬氏體相變誘發(fā)塑性變形。通過(guò)對(duì)異步軋制低碳鋼的晶粒細(xì)化機(jī)制研究得出,鐵素體的數(shù)量隨著變形量的增大而逐漸增多,變形量相當(dāng)大時(shí),碳化物彌散分布于鐵素體晶粒的邊界上,并且冷卻速度極低的情況下也沒(méi)有珠光體的存在,這說(shuō)明大部分鐵素體是在變形過(guò)程中形成的。對(duì)304 不銹鋼進(jìn)行8 道次的ECAP 變形,獲得了晶粒尺寸為74nm的超細(xì)晶,微觀組織顯示通過(guò)形變誘導(dǎo)馬氏體轉(zhuǎn)變,大部分區(qū)域產(chǎn)生了許多等軸和拉長(zhǎng)的納米級(jí)晶粒。

5 變形鋁合金強(qiáng)化方式

變形鋁合金材料的固溶、變形和時(shí)效處理,其中包括多種強(qiáng)化方式。鋁合金的強(qiáng)化方法分類(lèi)很多,具體可細(xì)分為以下幾種類(lèi)型:①固溶強(qiáng)化,合金元素固溶到基體金屬中形成固溶體時(shí)使強(qiáng)度增加、韌性下降的一種方法。原因是合金元素融入基體金屬后,與基體元素之間形成了晶格畸變,使強(qiáng)度增加。②加工硬化,材料通過(guò)塑性變形以后強(qiáng)度顯著提高的現(xiàn)象,主要通過(guò)變形時(shí)應(yīng)力所產(chǎn)生的數(shù)量較多的位錯(cuò)密度。位錯(cuò)密度越大,繼續(xù)變形時(shí)由于位錯(cuò)間的相互作用,組織內(nèi)變形抗力就越大,合金強(qiáng)度也隨即增加。③沉淀強(qiáng)化,淬火后所獲得的過(guò)飽和固溶體,經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臏囟仁怪纸獠⑽龀鰪浬⑾?并導(dǎo)致合金強(qiáng)度增加的方法。沉淀強(qiáng)化是效果非常明顯的一種強(qiáng)化方法,工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。④過(guò)剩相強(qiáng)化,大多為又脆又硬的金屬化合物,是指在基體中加入了過(guò)量的合金元素導(dǎo)致其不能溶入固溶體而析出的第二相組織。原因是其在合金中阻礙了位錯(cuò)和晶界的移動(dòng),使強(qiáng)度升高,韌性降低。⑤彌散強(qiáng)化,一般是非共格細(xì)小顆粒狀彌散物對(duì)合金的強(qiáng)化。這種彌散物一般在高溫下產(chǎn)生,大小在0.1μm 左右并且屬于不可變形顆粒,其在組織中溶解較緩慢,阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),顆粒越聚集,阻礙作用就越強(qiáng),強(qiáng)度越高。⑥細(xì)晶強(qiáng)化,晶粒尺寸變小、晶界逐漸增多使合金強(qiáng)度提高的方法。原因是由于晶界運(yùn)動(dòng)較晶內(nèi)難度大,并且相鄰晶粒取向不同使晶內(nèi)的滑移受到影響,變形抗力增加,即合金強(qiáng)化。晶粒細(xì)化是材料中最常用的強(qiáng)韌化方法之一,且主要強(qiáng)化方式有:細(xì)化鑄造組織晶粒,控制彌散相細(xì)化再結(jié)晶晶粒,以及采用變形和再結(jié)晶方法細(xì)化再結(jié)晶晶粒。

6 結(jié)語(yǔ)

在體育器材領(lǐng)域,晶粒超細(xì)化已成為材料界研究者們十分關(guān)注的方向,晶粒超細(xì)化對(duì)于材料的力學(xué)性能有著十分重大的影響。對(duì)于為2024 鋁合金的材質(zhì),體育器材領(lǐng)域占比較大?？赏ㄟ^(guò)兩種低溫軋制(冷軋和深冷軋制)方式,獲得2024 鋁合金的超細(xì)晶粒,提高合金的強(qiáng)度,并通過(guò)時(shí)效處理提高合金的塑性,隨著軋制真應(yīng)變量增加,2024 鋁合金試樣的晶粒逐漸拉長(zhǎng),變形量達(dá)到一定程度時(shí),在變形晶粒中通過(guò)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶方式生成非常細(xì)小的等軸晶粒,組織發(fā)生超細(xì)化。較冷變形相比,深冷劇烈塑性變形可以獲得更為細(xì)小均勻的超細(xì)晶組織,主要是深冷變形過(guò)程更有效地抑制了組織的動(dòng)態(tài)回復(fù)行為,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶效果明顯。