挤压道次对等径道挤压a356铝合金组织和性能的影响(附件)【字数：15533】
摘 要摘 要等径道挤压（ECAP）能够细化晶粒，且工艺简单、成本较低，是一种有效控制金属材料微观组织和性能的技术，具有良好的应用前景。本文主要研究了直径φ12mm×50mmA356铝合金棒材等径道挤压后微观组织和性能的变化，重点探讨了挤压道次对材料组织和性能的影响。本文对A356铝合金进行了四道次ECAP，对挤压后的试样通过蔡司显微镜观察微观组织，结果表明随着挤压道次的增加，A356铝合金试样晶粒逐渐细化，微观组织中细小的第二相来源于原始材料中被破碎的粗大第二相。对挤压后的试样进行拉伸实验，结果表明随着挤压道次的增加，A356铝合金的力学性能得到改善。经过4道次挤压后，抗拉强度由285.49MPa上升到735.18MPa，提升幅度达到了157.5%，试样的延伸率随着挤压道次的增加而下降，经过4道次挤压后，试样的延伸率由22.1%下降到9.7%。使用扫描电镜对拉伸后试样进行断口形貌观察，在室温下拉伸时，随着挤压道次的增加，韧窝的数量减少并且深度变浅，断裂方式由韧性断裂转变为韧脆混合断裂。对挤压后的试样进行硬度测试，测试结果表明，随着挤压道次的增加，试样的硬度也在提高。在4道次挤压后，试样的布氏硬度由91.8HBW上升到116HBW，增长了26.4%。关键词A356铝合金；等径道挤压；晶粒细化；微观组织；力学性能
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2等径道挤压原理及特点 1
1.2.1等径道挤压原理 1
1.2.2等径道挤压特点 3
1.2.3等径道挤压工业应用前景 4
1.3等径道挤压的研究进展 5
1.3.1国外ECAP研究进展 5
1.3.2连续等径道挤压技术 6
1.4课题的目的及主要内容 8
1.4.1研究目的 8
1.4.2主要内容 9
第二章 实验内容和研究方法 10
2.1等径道挤压模具 10
2.2实验材料及主要设备 10
2.2.1实验材料 10
2.2.2主要设备 11
2.3实验方案 12
2.4等径道挤压 13
2.4.1等径道挤压工艺参数 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
13
2.4.2等径道挤压操作规程 13
2.5分析测试实验 15
2.5.1金相分析实验 15
2.5.2拉伸实验 16
2.5.3硬度测试实验 17
2.5.4扫描电镜分析 18
第三章 实验结果及分析 19
3.1金相组织分析 19
3.1.1原始试样微观组织 19
3.1.2不同道次挤压后的微观组织 19
3.2力学性能分析 20
3.2.1拉伸实验 21
3.2.2硬度测试 25
结 论 27
致 谢 28
参考文献 29
第一章 绪论
1.1引言
随着现代工业、船舶和航空航天的快速发展，具有优良性能的金属材料需求量，更多的科研工作人员以此为研究目标及方向，制备具有高强度、高耐腐蚀性、高耐磨性等性能的新型材料成为重要内容之一。
根据HallPetch公式，晶粒细化是优化材料综合性能最为重要的途径，其中细晶材料或超细晶材料的制备是重要研发方向之一。超细晶材料由尺寸在1~100nm之间的超细微粒组成[1]，具有优异的塑性和较高的强度，超细晶材料的晶粒尺寸很小，晶界在整体组织中所占比例超出普通材料许多，表现出优异的物理、化学及加工成形性能[2]，所以受到科学工作者的广泛关注。制备超细晶材料的方法有快速凝固法、机械研磨法、机械合金化法和大塑性变形法等[3]。
大塑性变形（Severe Plastic Deformation，SPD）是指将大塑性应变应用于金属的成形过程中来获取超细晶材料的方法，大塑性变形和传统的细晶强化技术的区别是在材料本身上施加大塑性变形量，并且大塑性变形具有更高效的强化作用[4]。
通过大塑性变形制备超细晶材料的主要方法有累积叠轧法、高压扭转变形、多向锻造、等径道挤压（ECAP）。等径道挤压是大塑性变形技术中发展最快的技术之一。ECAP最初是在20世纪80年代初期由前苏联科学家Segal等人在研究钢铁材料的微观组织结构时提出的。在保持材料横截面形状不变的情况下，晶粒通过纯剪切变形得到细化，从而提高金属材料的综合性能，关于等径道挤压已经对铝、镁、铜、钛等金属及其合金进行了大量的实验，并且应用于汽车制造业和航空航天工程中。
1.2等径道挤压原理及特点
1.2.1等径道挤压原理
ECAP模具由两个成一定角度且横截面形状相同的通道组成，如图11所示，通道相交处的内角为Φ，外接圆弧角为Ψ。等径道挤压的原理是利用加工过程中存在的加工硬化、动态回复以及动态再结晶来控制材料微观组织的形成和发展，从而达到细化晶粒、提高材料综合性能的目的。可以根据模具挤压通道的形状选择挤压圆柱或块状金属材料，挤压时通道内壁要使用润滑剂，减小内壁与试样之间的摩擦。ECAP过程中，将试样由竖直通道的上端放入，对冲头施加压力，试样从竖直通道挤压到两通道的交接处，在压力作用下充满拐角处，对试样产生纯剪切变形，材料剪切变形原理图如图12所示，试样从下通道被挤出，由于试样经挤压后和挤压前原始试样的横截面形状相同，可以进行多次挤压使各道次的剪切变形量积累叠加，形成更大的变形量，达到更加明显的细化晶粒效果，从而提高材料的综合性能。挤压时选择的挤压路径也会对材料微观结构和性能产生影响[5]。
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图11 ECAP过程示意图 图12 材料剪切变形原理图
相邻两道次挤压之间试样的旋转方向对ECAP后材料的组织性能有明显影响，可以把挤压路径分为三种：A、B、C，根据旋转方向的不同，路径B又细分为BC和BA。
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（a） （b）
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（c） （d）
图13 等径道挤压路径示意图
（a）A路径;（b）BA路径;（c）BC路径;（d）C路径
路径A是挤出的试样按照上一道次放入挤压通道中进行下一道次挤压；路径B是挤出的试样旋转90°后放入挤压通道中进行下一道次的挤压，其中路径BA是连续两次挤压之间试样的旋转方向相反，而路径BC是连续两次挤压时试样保持同一方向旋转；路径C是每次挤出的试样沿同一方向旋转180°后放入挤压通道中进行下一道次的挤压。各路径示意图如图13所示。
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2等径道挤压原理及特点 1
1.2.1等径道挤压原理 1
1.2.2等径道挤压特点 3
1.2.3等径道挤压工业应用前景 4
1.3等径道挤压的研究进展 5
1.3.1国外ECAP研究进展 5
1.3.2连续等径道挤压技术 6
1.4课题的目的及主要内容 8
1.4.1研究目的 8
1.4.2主要内容 9
第二章 实验内容和研究方法 10
2.1等径道挤压模具 10
2.2实验材料及主要设备 10
2.2.1实验材料 10
2.2.2主要设备 11
2.3实验方案 12
2.4等径道挤压 13
2.4.1等径道挤压工艺参数 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
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2.4.2等径道挤压操作规程 13
2.5分析测试实验 15
2.5.1金相分析实验 15
2.5.2拉伸实验 16
2.5.3硬度测试实验 17
2.5.4扫描电镜分析 18
第三章 实验结果及分析 19
3.1金相组织分析 19
3.1.1原始试样微观组织 19
3.1.2不同道次挤压后的微观组织 19
3.2力学性能分析 20
3.2.1拉伸实验 21
3.2.2硬度测试 25
结 论 27
致 谢 28
参考文献 29
第一章 绪论
1.1引言
随着现代工业、船舶和航空航天的快速发展，具有优良性能的金属材料需求量，更多的科研工作人员以此为研究目标及方向，制备具有高强度、高耐腐蚀性、高耐磨性等性能的新型材料成为重要内容之一。
根据HallPetch公式，晶粒细化是优化材料综合性能最为重要的途径，其中细晶材料或超细晶材料的制备是重要研发方向之一。超细晶材料由尺寸在1~100nm之间的超细微粒组成[1]，具有优异的塑性和较高的强度，超细晶材料的晶粒尺寸很小，晶界在整体组织中所占比例超出普通材料许多，表现出优异的物理、化学及加工成形性能[2]，所以受到科学工作者的广泛关注。制备超细晶材料的方法有快速凝固法、机械研磨法、机械合金化法和大塑性变形法等[3]。
大塑性变形（Severe Plastic Deformation，SPD）是指将大塑性应变应用于金属的成形过程中来获取超细晶材料的方法，大塑性变形和传统的细晶强化技术的区别是在材料本身上施加大塑性变形量，并且大塑性变形具有更高效的强化作用[4]。
通过大塑性变形制备超细晶材料的主要方法有累积叠轧法、高压扭转变形、多向锻造、等径道挤压（ECAP）。等径道挤压是大塑性变形技术中发展最快的技术之一。ECAP最初是在20世纪80年代初期由前苏联科学家Segal等人在研究钢铁材料的微观组织结构时提出的。在保持材料横截面形状不变的情况下，晶粒通过纯剪切变形得到细化，从而提高金属材料的综合性能，关于等径道挤压已经对铝、镁、铜、钛等金属及其合金进行了大量的实验，并且应用于汽车制造业和航空航天工程中。
1.2等径道挤压原理及特点
1.2.1等径道挤压原理
ECAP模具由两个成一定角度且横截面形状相同的通道组成，如图11所示，通道相交处的内角为Φ，外接圆弧角为Ψ。等径道挤压的原理是利用加工过程中存在的加工硬化、动态回复以及动态再结晶来控制材料微观组织的形成和发展，从而达到细化晶粒、提高材料综合性能的目的。可以根据模具挤压通道的形状选择挤压圆柱或块状金属材料，挤压时通道内壁要使用润滑剂，减小内壁与试样之间的摩擦。ECAP过程中，将试样由竖直通道的上端放入，对冲头施加压力，试样从竖直通道挤压到两通道的交接处，在压力作用下充满拐角处，对试样产生纯剪切变形，材料剪切变形原理图如图12所示，试样从下通道被挤出，由于试样经挤压后和挤压前原始试样的横截面形状相同，可以进行多次挤压使各道次的剪切变形量积累叠加，形成更大的变形量，达到更加明显的细化晶粒效果，从而提高材料的综合性能。挤压时选择的挤压路径也会对材料微观结构和性能产生影响[5]。
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图11 ECAP过程示意图 图12 材料剪切变形原理图
相邻两道次挤压之间试样的旋转方向对ECAP后材料的组织性能有明显影响，可以把挤压路径分为三种：A、B、C，根据旋转方向的不同，路径B又细分为BC和BA。
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（a） （b）
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（c） （d）
图13 等径道挤压路径示意图
（a）A路径;（b）BA路径;（c）BC路径;（d）C路径
路径A是挤出的试样按照上一道次放入挤压通道中进行下一道次挤压；路径B是挤出的试样旋转90°后放入挤压通道中进行下一道次的挤压，其中路径BA是连续两次挤压之间试样的旋转方向相反，而路径BC是连续两次挤压时试样保持同一方向旋转；路径C是每次挤出的试样沿同一方向旋转180°后放入挤压通道中进行下一道次的挤压。各路径示意图如图13所示。
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