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A2017鋁合金半固態壓縮變形力學特性
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2015-03-25
采用實驗室自行設計的SCR實驗機制備的非枝晶A2017合金和常規鑄造枝晶A2017合金進行半固態壓縮變形實驗，測定不同變形溫度和不同變形速率下的真應力-應變曲線，對SCR技術制備的A2017合金的半固態壓縮變形力學特性進行了研究。
1 前言
半固態金屬加工（Semi-solid Metal Processing）是在金屬或合金的固相線和液相線溫度區間進行的加工，與傳統的全液態鑄造相比，半固態加工具有收縮率小，無宏觀偏析，減小縮松和提高模具壽命等優點。與傳統的全固態塑性加工相比，半固態金屬屈服強度低，流動性能好，可實現高速近終成形，且精度高，一次成形具有復雜形狀的制件。半固態金屬加工所具有成形力低的特點，對于一些難變形金屬或合金來講，是一種有前途的加工工藝，由于半固態合金組織的特殊性質，使其力學行為及形變機制與固態合金相比有所不同。因此，研究半固態金屬的特殊力學行為以及形變機制，對推進半固態金屬加工的實際應用具有現實意義。
單輥剪切冷卻技術（Shearing/Cooling RollProcess，簡稱SCR）是一種半固態加工新技術。目前，該技術在日本東京大學已進行了卓有成效的實驗室階段的開發研究。本文采用實驗室自行設計的SCR實驗機制備的非枝晶A2017合金和常規鑄造枝晶A2017合金進行半固態壓縮變形實驗，測定不同變形溫度和不同變形速率下的真應力-應變曲線，對SCR技術制備的A2017合金的半固態壓縮變形力學特性進行了研究。
2 實驗
2.1 實驗材料
所用實驗材料為工業用鋁合金A2017。其固相線溫度為513℃，液相線溫度為641℃，半固態區溫度范圍為128℃，半固態敬意非常大，適合于半固態加工。A2017合金是Al-Cu-Mg系合金，其主要化學成分（質量分數，%）為：Cu3.8～4.8，Mg0.4～0.8，Mn 0.4～0.8，Al余量。圖1為SCR實驗機裝置示意圖，將合金在石墨坩堝中熔化，精煉扒渣后進行澆注，在輥靴型腔中，軋輥所提供的高剪切力與較高的冷卻強度使凝固過程中產生的初始枝晶在剪切攪拌作用下破碎形成非枝晶，半固態漿料排出輥-靴間隙后，直接進入水冷銅模鑄成半固態錠坯，實驗工藝參數為：澆注溫度760℃，輥靴間隙4mm，軋輥冷卻水流量200ml/s，軋輥轉速0.2m/s。 2.2實驗方法
將制備的關固態坯料加工成φ8×15mm的圓柱件，在Gleeble-1500熱學-力學模擬實驗機上進行壓縮實驗，測定真應力-真應變曲線，壓縮變形溫度分別取440℃、520℃、540℃、560℃，壓縮速率分別選取0.001s-1、0.1s-1、10s-1，壓縮工藝見圖2。壓縮實驗之前，試樣在加熱爐以600℃恒溫保溫30min，使合金完全恢復到半固態狀態，壓縮變形后試樣立即水淬。另外，為了減小壓縮過程中試樣與工具之間摩擦力的影響，在壓縮試樣兩端涂油質石墨。為了對比，對常規鑄造A2017合金進行了不同變形溫度下的固態和半固態壓縮實驗。 3 實驗結果與討論
3.1 A2017合金半固態組織
圖3a為常規鑄造A2017合金組織，由圖可以看到，其組織樹枝發達，一次枝晶臂和二次枝晶臂都很粗大，且晶粒生長很不均勻。圖3b為常規鑄造A2017合金氬速度600℃恒溫保溫30min后水淬組織，從圖可以看到，常規鑄造A2017合金經二次加熱后仍然保留粗大的枝晶網絡結構，只有部分液相在晶界出現。 圖4a、b為SCR技術制備的A2017半固態合金試樣內部組織和試樣在600℃恒溫保溫30min后水淬組織。從圖可知，SCR技術制備的A2017半固態坯料內部組織與常規鑄造組織完全不同，其初始晶粒大部分為細小均勻的非枝晶等軸晶，少部分為枝晶或菊花晶，但枝晶臂大大縮短。坯料經二次加熱后，晶粒逐漸長大并球化，內部組織由球形結構的α（Al）晶粒與液相組成，低溶點共晶物先溶化并沿相晶界分布，少量液相在晶粒內部出現，呈小島狀，根據掃描電鏡能譜分析儀分析結果，先析出的液相和晶粒內部的小液滴為富銅的CuAl2相。二次加熱實驗結果表明，對SCR技術制備的A2017合金在580℃保溫40min～60min或者600℃保溫30min～40min，均可獲得具有球形晶粒與液相組織，由ISA-4圖像分析儀測定，初生α（Al）晶粒平均等積圓直徑為70μm～90μm，平均圓度0.6～0.8，固相率在65%～75%范圍內，同時A2017半固態坯料的強度能保持其整體形狀，可以用夾鉗進行夾取操作。 3.2 不同變形溫度下壓縮變形力學行為
圖5為SCR制備的A2017合金和常規鑄造A2017合金氬速度變形速率為0.001s-1時，不同變形溫度下的真應力-真應變曲線。由圖可以看出：
1）440℃固態下壓縮變形，SCR技術制備的A2017合金變形抗力較常規鑄造A2017合金固態下的變形抗力高，根據Hall-Petch關系式：
σs=σ0+Kd-1/2 σ0及K為材料常數，晶粒平均直徑d越小，屈服強度σs越大。SCR技術制備的A2017合金半固態下為均勻的近球形晶組織，使得合金壓縮變形抗力較高。
2）520℃～560℃半固態條件下，SCR技術制備的A2017合金不同溫度下半固態下的壓縮變形抗務均小于常規鑄造A2017合金半固態下的壓縮變形抗力，而且應變在0.05～0.6左右時A2017合金呈現穩定的塑性變形，這主要是SCR技術制備的A2017合金二次加熱后，在半固態下其內部組織由懸浮于液相的均勻球形晶粒組成，在小變形時，其變形主導機制主要由液相的流動和液相裹著球形晶移動，大變形時晶粒才參與變形，變形機制由球形晶粒的相互轉動與滑動組成，隨著球形晶粒不斷調整其運動方向與位置，使得滑移變形更容易進行，隨著應變增加，應力不斷降低，這種變形使得合金不但變形抗力低，且極限塑性好，不易產生開裂，保證加工制品的優良性能。
在半固態下壓縮變形，常規鑄造A2017合金變形抗力大于單輥攪拌A2017合金的變形抗力，而且常規鑄造A2017合金在壓縮程度達0.4～0.5時變形抗力發生急劇下降，這主要是，常規鑄造A2017合金二次加熱到半固態時雖然晶界也有局部熔化，出現液相，但其內容組織仍為粗大的枝晶形成的連續網絡骨架，在小形變量時即變形初期，發達的一次臂和二次臂容易互相咬合，阻礙變形的進行，因而承受應力的能力較強，壓縮變形時變形抗力較高，但壓縮程度達到0.4～0.5時，枝晶骨架開始破碎，因而呈現應力急劇下降，實驗中可以看到試樣出現鼓形并開裂破碎。
3）SCR技術制備A2017合金半固態壓縮變形時，隨著變形溫度的升高，變形抗力降低，這主要是隨著溫度的升高，半固態合金中液相比例增多，變形時，液體裹著固相顆粒移動，晶粒的滑動更容易進行。從圖還可以看到，隨著變形程度的提高，與一般固態壓縮變形發生應變-硬化相反，半固態壓縮變形發生應變軟化現象，應力隨應變的增加逐漸降低。
表1為SCR技術制備的A2017合金和常規鑄造A2017合金不同溫度下壓縮變形時的屈服應力值。可以看到，相同變形溫度下，單輥攪拌A2017合金半固態壓縮變形屈服應力均小于常規鑄造A2017合金的屈服應力，而且隨著變形溫度的提高，開始屈服應力值顯著降低。
金屬或合金在半固態下的變形是典型的粘塑性行為，因此一定要考慮應變速率對變形抗力的影響。圖6為SCR技術制備的A2017半固態合金在560℃時不同壓縮變形速率下的真應力-應變曲線，由圖可知，不同變形速率下的真應力-應變曲線具有基本相似的形狀，即不同變形速率下都發生應變軟化現象，但相同變形程度時，隨著變形速率的升高，變形抗力增加，即合金在半固態下的變形行為對應變速率具有敏感性。其原因是變形速率升高，意味著液相的流動以及晶粒的移動都要加快，必然需要更大的切應力，則變形抗力提高。另外，由于變形速率增加，沒有足夠的時間發展軟化過程，這也促使變形抗力提高。 3.4 A2017合金半固態壓縮變形后組織
變形溫度為560℃，應變速率為0.1/s條件下將SCR技術制備的A2017合金半固態試樣分別壓縮40%和60%后立即水淬，其顯微組織如圖7a、b。軸圖7b可以看到，在壓縮40%后，試樣心部和邊部均沒有明顯出現液相偏析，晶粒仍然保持過球形。由圖7b可以看到，隨著變形程度增加到60%，與圖4b相比，試樣在局部范圍內出現了不量液相偏析，部分晶粒發生變形，這主要是合金漿料中固相顆粒與共晶液相的內摩擦力不同，共晶液相摩擦力小，變形達到一定程度，變形機制由液相裹著固相顆料一起運動轉變為固相顆粒相互擠壓，導致晶粒間隙的液相與固相顆粒出現分離，形成局部范圍內的液相偏析。
半固態金屬加工（Semi-solid Metal Processing）是在金屬或合金的固相線和液相線溫度區間進行的加工，與傳統的全液態鑄造相比，半固態加工具有收縮率小，無宏觀偏析，減小縮松和提高模具壽命等優點。與傳統的全固態塑性加工相比，半固態金屬屈服強度低，流動性能好，可實現高速近終成形，且精度高，一次成形具有復雜形狀的制件。半固態金屬加工所具有成形力低的特點，對于一些難變形金屬或合金來講，是一種有前途的加工工藝，由于半固態合金組織的特殊性質，使其力學行為及形變機制與固態合金相比有所不同。因此，研究半固態金屬的特殊力學行為以及形變機制，對推進半固態金屬加工的實際應用具有現實意義。
單輥剪切冷卻技術（Shearing/Cooling RollProcess，簡稱SCR）是一種半固態加工新技術。目前，該技術在日本東京大學已進行了卓有成效的實驗室階段的開發研究。本文采用實驗室自行設計的SCR實驗機制備的非枝晶A2017合金和常規鑄造枝晶A2017合金進行半固態壓縮變形實驗，測定不同變形溫度和不同變形速率下的真應力-應變曲線，對SCR技術制備的A2017合金的半固態壓縮變形力學特性進行了研究。
2 實驗
2.1 實驗材料
所用實驗材料為工業用鋁合金A2017。其固相線溫度為513℃，液相線溫度為641℃，半固態區溫度范圍為128℃，半固態敬意非常大，適合于半固態加工。A2017合金是Al-Cu-Mg系合金，其主要化學成分（質量分數，%）為：Cu3.8～4.8，Mg0.4～0.8，Mn 0.4～0.8，Al余量。圖1為SCR實驗機裝置示意圖，將合金在石墨坩堝中熔化，精煉扒渣后進行澆注，在輥靴型腔中，軋輥所提供的高剪切力與較高的冷卻強度使凝固過程中產生的初始枝晶在剪切攪拌作用下破碎形成非枝晶，半固態漿料排出輥-靴間隙后，直接進入水冷銅模鑄成半固態錠坯，實驗工藝參數為：澆注溫度760℃，輥靴間隙4mm，軋輥冷卻水流量200ml/s，軋輥轉速0.2m/s。 2.2實驗方法
將制備的關固態坯料加工成φ8×15mm的圓柱件，在Gleeble-1500熱學-力學模擬實驗機上進行壓縮實驗，測定真應力-真應變曲線，壓縮變形溫度分別取440℃、520℃、540℃、560℃，壓縮速率分別選取0.001s-1、0.1s-1、10s-1，壓縮工藝見圖2。壓縮實驗之前，試樣在加熱爐以600℃恒溫保溫30min，使合金完全恢復到半固態狀態，壓縮變形后試樣立即水淬。另外，為了減小壓縮過程中試樣與工具之間摩擦力的影響，在壓縮試樣兩端涂油質石墨。為了對比，對常規鑄造A2017合金進行了不同變形溫度下的固態和半固態壓縮實驗。 3 實驗結果與討論
3.1 A2017合金半固態組織
圖3a為常規鑄造A2017合金組織，由圖可以看到，其組織樹枝發達，一次枝晶臂和二次枝晶臂都很粗大，且晶粒生長很不均勻。圖3b為常規鑄造A2017合金氬速度600℃恒溫保溫30min后水淬組織，從圖可以看到，常規鑄造A2017合金經二次加熱后仍然保留粗大的枝晶網絡結構，只有部分液相在晶界出現。 圖4a、b為SCR技術制備的A2017半固態合金試樣內部組織和試樣在600℃恒溫保溫30min后水淬組織。從圖可知，SCR技術制備的A2017半固態坯料內部組織與常規鑄造組織完全不同，其初始晶粒大部分為細小均勻的非枝晶等軸晶，少部分為枝晶或菊花晶，但枝晶臂大大縮短。坯料經二次加熱后，晶粒逐漸長大并球化，內部組織由球形結構的α（Al）晶粒與液相組成，低溶點共晶物先溶化并沿相晶界分布，少量液相在晶粒內部出現，呈小島狀，根據掃描電鏡能譜分析儀分析結果，先析出的液相和晶粒內部的小液滴為富銅的CuAl2相。二次加熱實驗結果表明，對SCR技術制備的A2017合金在580℃保溫40min～60min或者600℃保溫30min～40min，均可獲得具有球形晶粒與液相組織，由ISA-4圖像分析儀測定，初生α（Al）晶粒平均等積圓直徑為70μm～90μm，平均圓度0.6～0.8，固相率在65%～75%范圍內，同時A2017半固態坯料的強度能保持其整體形狀，可以用夾鉗進行夾取操作。 3.2 不同變形溫度下壓縮變形力學行為
圖5為SCR制備的A2017合金和常規鑄造A2017合金氬速度變形速率為0.001s-1時，不同變形溫度下的真應力-真應變曲線。由圖可以看出：
1）440℃固態下壓縮變形，SCR技術制備的A2017合金變形抗力較常規鑄造A2017合金固態下的變形抗力高，根據Hall-Petch關系式：
σs=σ0+Kd-1/2 σ0及K為材料常數，晶粒平均直徑d越小，屈服強度σs越大。SCR技術制備的A2017合金半固態下為均勻的近球形晶組織，使得合金壓縮變形抗力較高。
2）520℃～560℃半固態條件下，SCR技術制備的A2017合金不同溫度下半固態下的壓縮變形抗務均小于常規鑄造A2017合金半固態下的壓縮變形抗力，而且應變在0.05～0.6左右時A2017合金呈現穩定的塑性變形，這主要是SCR技術制備的A2017合金二次加熱后，在半固態下其內部組織由懸浮于液相的均勻球形晶粒組成，在小變形時，其變形主導機制主要由液相的流動和液相裹著球形晶移動，大變形時晶粒才參與變形，變形機制由球形晶粒的相互轉動與滑動組成，隨著球形晶粒不斷調整其運動方向與位置，使得滑移變形更容易進行，隨著應變增加，應力不斷降低，這種變形使得合金不但變形抗力低，且極限塑性好，不易產生開裂，保證加工制品的優良性能。
在半固態下壓縮變形，常規鑄造A2017合金變形抗力大于單輥攪拌A2017合金的變形抗力，而且常規鑄造A2017合金在壓縮程度達0.4～0.5時變形抗力發生急劇下降，這主要是，常規鑄造A2017合金二次加熱到半固態時雖然晶界也有局部熔化，出現液相，但其內容組織仍為粗大的枝晶形成的連續網絡骨架，在小形變量時即變形初期，發達的一次臂和二次臂容易互相咬合，阻礙變形的進行，因而承受應力的能力較強，壓縮變形時變形抗力較高，但壓縮程度達到0.4～0.5時，枝晶骨架開始破碎，因而呈現應力急劇下降，實驗中可以看到試樣出現鼓形并開裂破碎。
3）SCR技術制備A2017合金半固態壓縮變形時，隨著變形溫度的升高，變形抗力降低，這主要是隨著溫度的升高，半固態合金中液相比例增多，變形時，液體裹著固相顆粒移動，晶粒的滑動更容易進行。從圖還可以看到，隨著變形程度的提高，與一般固態壓縮變形發生應變-硬化相反，半固態壓縮變形發生應變軟化現象，應力隨應變的增加逐漸降低。
表1為SCR技術制備的A2017合金和常規鑄造A2017合金不同溫度下壓縮變形時的屈服應力值。可以看到，相同變形溫度下，單輥攪拌A2017合金半固態壓縮變形屈服應力均小于常規鑄造A2017合金的屈服應力，而且隨著變形溫度的提高，開始屈服應力值顯著降低。
表1 A2017合金不同變形溫度下的屈服強度
金屬或合金在半固態下的變形是典型的粘塑性行為，因此一定要考慮應變速率對變形抗力的影響。圖6為SCR技術制備的A2017半固態合金在560℃時不同壓縮變形速率下的真應力-應變曲線，由圖可知，不同變形速率下的真應力-應變曲線具有基本相似的形狀，即不同變形速率下都發生應變軟化現象，但相同變形程度時，隨著變形速率的升高，變形抗力增加，即合金在半固態下的變形行為對應變速率具有敏感性。其原因是變形速率升高，意味著液相的流動以及晶粒的移動都要加快，必然需要更大的切應力，則變形抗力提高。另外，由于變形速率增加，沒有足夠的時間發展軟化過程，這也促使變形抗力提高。 3.4 A2017合金半固態壓縮變形后組織
變形溫度為560℃，應變速率為0.1/s條件下將SCR技術制備的A2017合金半固態試樣分別壓縮40%和60%后立即水淬，其顯微組織如圖7a、b。軸圖7b可以看到，在壓縮40%后，試樣心部和邊部均沒有明顯出現液相偏析，晶粒仍然保持過球形。由圖7b可以看到，隨著變形程度增加到60%，與圖4b相比，試樣在局部范圍內出現了不量液相偏析，部分晶粒發生變形，這主要是合金漿料中固相顆粒與共晶液相的內摩擦力不同，共晶液相摩擦力小，變形達到一定程度，變形機制由液相裹著固相顆料一起運動轉變為固相顆粒相互擠壓，導致晶粒間隙的液相與固相顆粒出現分離，形成局部范圍內的液相偏析。
4 結論
1）SCR技術制備的A2017合金組織為細小的等軸晶，二次加熱后完全轉變為均勻的球形晶和共晶液相組成的半固態組織，在變形量為40%，無明顯液相偏析，α（Al）晶粒仍能保持近球形；常規鑄造A2017合金組織為粗大的枝晶，二次加執粕仍然保留為粗大的枝晶網絡結構，小變形量下易出現裂紋。
2）SCR技術制備的A2017合金半固態壓縮變形抗力低于常規鑄造A2017合金半固態壓縮變形抗力，更適合于半固態成形。
3）SCR技術制備的A2017半固態合金壓縮變形，應變隨應變發生軟化現象；隨著變形溫度升高，變形抗力降低；隨著變形速率升高，變形抗力增加。
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