多向鍛造技術在工業中的應用

多向設計技術是大塑料變形法的代表性技術。所謂的大塑性變形法就是使材料產生劇烈的塑性變形以達到強烈細化晶粒的效果,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界公認為是制備塊體納米和超細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相比,多向鍛造技術由于其工藝簡單、成本低,使用現有的工業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點,有望直接應用于工業化生產。多向壓縮是在多向鍛造基礎上去掉拔長工序,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90°),再沿第二軸進行壓縮,反復變形以達到細化晶粒效果。多向壓縮便于精確計算變形量,本質上仍屬于多向鍛造技術。目前,多向鍛造技術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的原理和特點、材料組織演變規律、力學行為以及主要影響因素等,并對該技術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,通過反復變形達到細化晶粒、改善性能的效果。俄羅斯科學院超塑性問題研究所的Salishchev等在對脆性較大的TiAl的研究中進一步發展了該項工藝:首先對試樣進行熱機械變形以獲得細晶組織;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。與傳統的單向成形工藝如軋制、單向墩粗相比,多向鍛造技術最大的特點就是形變過程中外加載荷軸向是旋轉變化的。這種變形方式對材料變形時的流變應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,二者差別主要體現在細晶晶粒尺寸和體積分數方面。在單向變形里新產生的細晶粒尺寸約為5.5μm,其體積分數隨應變量的增加快速上升,而后穩定在0.2左右;在多向壓縮變形中新晶粒尺寸要比前者略大,但體積分數卻高達0.85。研究者認為引起上述現象的原因是在第一道次壓縮后材料內部變形帶基本平行,繼續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,新晶粒多數沿著晶界形成,而在晶粒內部產生的比例很小,故體積分數相對較低。反之采用多向鍛造工藝,變形帶取向將隨外加載荷軸向的變化而改變,在晶粒內部相互交錯,由于變形帶交匯處位錯塞積嚴重,密度較大,位錯間相互糾纏形成胞狀組織(具有幾何晶界)。變形量繼續增加就會促使胞狀組織轉變成亞晶粒(具有獨立的滑移系),進而轉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生,而且也能在晶粒內部大量出現,有利于組織細化。2應變誘發的晶界位向差多向鍛造變形初期,材料內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。研究者認為不均勻變形引發初始晶界周邊晶格旋轉,造成部分大角度亞晶界形成。隨著變形道次和應變量的增加,由晶內位錯滑移以及對亞晶間非協調應變伴隨產生的位錯吸收將導致晶內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域不同存在較大差異,靠近初始晶界處要比晶內快許多。隨著變形的進行,累積的塑性變形很大,導致動態再結晶溫度下降,材料的組織發生很大的變化。具有中(大)角度晶界的細小新晶粒開始在初始晶界處萌生,數量隨著變形的進行不斷增多。晶內低應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小新晶粒連續生成。Belyakov等研究了多晶純銅多向鍛造中的應變誘發晶界位向差分布與應變的關系。隨著應變的增加,晶界位向差逐漸增大。在低應變(0.6和1.15)下,平均晶界位向差為3.8°和7°;當應變增大到2.35時,位向差分布集中在4~6°和20~40°區間,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°的晶界數量增加,在應變為4.2時平均晶界位向差達到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生的相應晶格旋轉。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為旋轉軸,ˉn為滑移面法向)關系。材料經過多向鍛造大塑性變形后,內部位錯密度增加,晶粒組織呈現非平衡晶界,伴隨很高的內應力產生。通過一定的退火處理,非平衡晶界將向平衡晶界轉變,同時晶界和晶內部分缺陷消失,晶粒尺寸有所增大,內應力降低。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現,應變誘發產生的細晶材料在退火過程中的組織演變與傳統成形工藝制備的材料相同,也經歷3個階段:回復、再結晶和晶粒長大。第一階段回復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應力進行松弛。隨著退火時間的延長,晶粒尺寸和位向差急劇增大。亞結構不均勻性和晶界能的存在是導致第二階段晶粒快速長大的兩個主要驅動力。最后一階段平均晶粒尺寸與退火時間呈冪指數關系,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390~450℃、1h退火的組織進行觀察,認為由多向大變形鍛造發展出的動態再結晶(DRX)晶粒結構十分穩定。三類DRX結構即DRX晶核、生長著的DRX晶粒(晶界和晶粒內部有明顯的位錯密度梯度)和經受應變硬化過的DRX晶粒(晶粒中有清楚的分布均勻的亞結構)在熱變形停止后變化不一。DRX晶核可連續生長導致其局部位置亞穩定動態再結晶(MDRX),生長著的DRX晶粒則僅發生亞穩定動態回復(MDRV),而加工硬化過的DRX晶粒則能發生靜態再結晶(SRX)。這種混合結構(MDRX、SRX、MDRV)在進一步退火過程中,新的再結晶晶粒生長很慢,特別是包含高密度位錯的MDRV晶粒在高溫下能夠穩定存在很長時間,從而使動態再結晶基體在靜態退火中晶粒生長速度很慢,以確保產品有細小的晶粒尺寸。3應力應變對材料力學性能的影響多向鍛造大塑性變形能強烈細化組織,使材料力學性能得到很大提高。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性能相同,避免了擠壓、軋制等其它常規成形工藝通常出現的各向異性。Zherebtsov等通過多向鍛造工藝制備了具有均勻超細晶結構的大尺寸(Φ150mm×200mm)Ti-6Al-4V鍛坯,其力學性能優越,同時各個方向性能相當,徑向和切向的強度差異在2%以內,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。由于晶粒的細化,鍛件的力學性能有很大提高。退火狀態,其室溫強度的增幅較大;淬火時效狀態,塑韌性的提高十分顯著,在保持較高強度的情況下,室溫拉伸伸長率達到18%,高于標準規定值的2倍,接近退火態水平。筆者等對AZ80鎂合金進行多向反復熱鍛,達到了較好細化晶粒的效果,同時材料的綜合力學性能得到較大提高,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個道次時達到最大,為7.85%,是鍛前的2.45倍。鍛前鑄態試樣室溫拉伸斷口為準解理斷裂加少量剪切斷裂,鍛后試樣斷口出現大量細小韌窩。隨應變量的增加,韌窩數目增多,分布趨向均勻,材料延性增大。4道次應變量對材料組織的影響影響多向鍛造技術的因素有很多,主要有累積應變量、道次應變量、變形溫度、應變速率和初始晶粒度等。隨著累積應變量的增加,加工軟化占主導,流變應力降低,(亞)晶內平均位錯密度逐漸降低并趨于穩定。(亞)晶粒尺寸在變形早期先迅速減小而后維持在某一范圍,基本不隨累積應變量變化。而應變誘發(亞)晶界平均位向差隨著應變量的增加不斷增大,在高應變下形成具有大角度晶界的新晶粒,材料組織得到充分細化。在一定范圍內,道次應變量越大,材料變形中的加工軟化越顯著,流變應力越快達到穩態。同時增加道次應變量能有效加快材料晶粒細化進程,在相近的累積應變量下,較大道次應變量變形的材料組織具有更大的應變誘發晶界密度,新晶粒平均位向差和體積分數增大,尺寸減小。溫度影響材料動態再結晶行為和晶粒細化進程,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,導致動態再結晶溫度下降。在可變形范圍內,相同條件下變形溫度越低,動態再結晶新晶粒尺寸減小,同時組織內大角度(亞)晶界比例增大。在同一變形溫度下,應變速率越大,相同變形程度所需的時間縮短,由動態再結晶等提供的軟化過程縮短,塑性變形進行不充分,位錯數目增多,從而使合金變形的臨界切應力提高,導致流變應力增大。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。相同應變量下,隨著初始晶粒度的減小,大角度晶界比例增加,達到相同比例數量大角度晶界所需的累積應變量較小。由于相鄰晶粒的約束,初始晶界成為應變誘發大角度(亞)晶界擇優生長區域。因此,晶粒初始尺寸越小,晶界處能夠形成大角度晶界(亞)晶粒的有效區間增多,晶粒細化進程加快,有利于組織細化。5對今后研究的建議近10多年來,國內外興起一研究熱點,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晶組織具有很多誘人的使用性能和發展前景,但是要在工業上大規模應用,筆者認為還需要對以下方面進行更深