铝及铝铁合金的加工软化机理_李凤珍

铝及铝铁合金的加工软化机理

李凤珍 刘兆晶 金 铨 俞泽民

(哈尔滨理工大学材料科学与工程系, 哈尔滨150080)

l 2%Fe 合金在室温轧制状态下的加工软化行为及软化机理。试摘 要 研究了三种纯度的铝及其A-验证明:99. 996%Al 当轧制率为80%以上时出现加工软化现象; 99. 96%A l 和99. 6%Al 不发生加工软化。用99. 996%Al 配制的A-l 2%Fe 合金当轧制率为60%以上时出现加工软化; 用99. 96%Al 配制的A-l 2%Fe 合金当轧制率为90%以上时出现加工软化; 用99. 6%Al 配制的A-l 2%Fe 合金不发生加工软化。室温回复是加工软化的主要原因; F e 有净化铝基体的作用; 弥散的第二相有利于室温回复。

关键词 加工软化 回复 轧制率

研究发现, 铝及其合金在室温压力加工过程中, 当变形量增加到一定程度时, 强度和硬度下降, 即出现了加工软化现象[1-4]

铁含量均为2%。

将不同杂质含量的铝及铝铁合金分别经保护熔炼后, 在金属模中铸成200mm 140m m 30mm 的铸锭, 经673K, 24h 均匀化处理后轧制成6mm 厚试样, 并进行1h 的中间退火。在室温下将6mm 试样进行轧制, 轧制率分别为20%、40%、60%、80%、90%、95%。轧制率的计算方法为 d = (d 0-d ) /d 0 100%, 式中 d 0为轧制前试样厚度, d 为轧制后的试样厚度, d 为轧制率。1. 2 硬度的测定及拉伸试验

硬度测定采用71H 型显微硬度计, 每个试样在不同位置测定6点, 取其平均值做为试验数据。拉伸试验在1-5-2型万能精密拉伸试验机上进行, 每个轧制率下取3个拉伸试样, 将其平均抗拉强度作为该轧制率下的抗拉强度试验数据。

1. 3 组织分析方法

金相组织观察用4X 型金相显微镜, 薄膜试样组织TEM 分析使用荷兰PHLTPS 公司制造的EDAX 型透射电镜。微区成分用电子探针(EPA) 分析。薄膜试样采用双喷电解减薄, 电解液为30%HNO 3+70%CH 3OH , 电压为10

。但对其

加工软化规律及产生机理还需要进一步探讨,

以便对铝及其合金塑性变形理论及压力加工成型具有指导作用。本文研究了不同杂质含量的铝及用其配制的A-l 2%Fe 合金的加工软化行为, 并着重对软化机理进行了分析。

1 试样制备及试验方法

1. 1 试验材料及试样制备

试验用三种纯铝的化学成分见表1。

表1 铝的化学成分(%)

杂质含量( )

No.

Al 含量 99. 996 99. 96 99. 6

Fe

Si

Fe+S i --0. 36

Cu 0. 0010. 0050. 010

0. 0015 0. 0015 0. 015 0. 015 0. 25

0. 20

用铝铁中间合金按不同比例配制不同含铁量的铝铁合金, 经试验筛选出最佳软化效果的铝铁合金, 其铁含量为2%。本文的铝铁合金

: , ,

V, 电流为200mA 。

2 试验结果与分析

2. 1 杂质对纯铝软化行为的影响

从图1、图2可见, 当轧制率超过80%以上时, 99. 996%Al 硬度和抗拉强度下降, 出现加工软化, 99. 96%Al 和99. 6%Al 硬度和抗拉强度却随轧制率增加而提高,

表现加工硬化。

图3为99. 996%Al 在轧制率为95%时发生软化后的电镜照片, 可见亚结构趋于多边化, 形成等轴亚晶, 亚晶内无位错, 位错集中在亚晶界上, 并形成了较清晰的亚晶界。从99. 996%Al(轧制率95%) 出现软化后的金相观察可见被拉长或压扁的晶粒, 没发生再结晶。图4为99. 96%Al(轧制率95%) 电镜组织照片, 亚结构为大量缠结位错, 并有明显的方向性, 可见没发生回复。2. 2 纯铝软化行为的分析

在变形初期, 99. 996%Al 随变形量的增加, 位错急剧增加, 应变能显著增大, 当应变能增大到一定程度时, 可诱发多边化回复, 使应力得到松驰。但这种回复是在继续变形中进行的, 硬化还是软化, 取决于回复作用和继续变形过程中不断产生硬化作用的综合结果[3]。

铝是面心立方晶格的金属材料, 具有较高的层错能。层错能随其杂质含量的降低而提高。99. 996%Al 杂质含量低, 层错能高, 高层错能晶体中扩展位错窄, 位错能借助交滑移来克服运动时所遇到的障碍, 具有较大的移动性, 随着变形量的增加, 位错不断增殖和运动, 会很快地形成胞状亚结构。当畸变能增加到一定程度时, 在室温下位错即可在弹性应力场的作用下使滑移和交滑移顺利进行, 完成多边化回复, 释放出大量的畸变能, 缓解

内应

[5]

图2 铝的轧制率与强度之间的关系曲线图3 99. 996%Al T EM 照片(轧制率95%)

100 中国有色金属学报 1997年3月

力, 使继续变形阻力减小。对99. 996%Al, 当轧制率超过80%时, 回复机制起到明显效果, 使软化速率大于硬化速率,

表现出加工软化。

(99. 996%)-2%Fe 合金当轧制率为95%时的电镜照片, 可见亚结构为粗大等轴状亚晶, 晶内无位错, 有弥散的第二相质点。

图8所示为用99. 96%Al 配制的Al

图4 99. 96%Al T EM 照片(轧制率95%)

对于99. 96%Al 和99. 6%Al, 由于基体中杂质元素含量高, 尤其是形成置换固溶体的杂质元素能显著降低层错能[6]。层错能低, 在塑性变形时位错易分解成甚宽的扩展位错, 使交滑移困难。由于位错移动性差, 在继续变形中增殖大量位错, 杂乱地排列于晶体中构成复杂的网络, 即使在大量变形时也不倾向于形成胞状亚结构, 不易通过多边化回复释放畸变能, 内应力得不到缓解, 进一步变形阻力加大。在轧制的从始至终, 硬化机制起主导作用, 没有软化行为。

2. 3 杂质对铝铁合金加工软化行为的影响

从图5、图6可见, 用99. 996%Al 配制的Al(99. 996%)-2%Fe 合金, 当轧制率超过60%时出现明显的软化。用99. 96%Al 配制的Al(99. 96%)-2%Fe 合金, 当轧制率超过90%时, 硬度和抗拉强度下降, 出现软化现象。用99. 6%Al 配制的Al(99. 6%)-2%Fe 合金, 硬度和抗拉强度随变形量的增加连续提高, 没发生加工软化。

配图6 A-l 2%F e 合金轧制率与强度之间的关系曲线

图10为Al(99. 96%)-2%Fe 合金当轧制率为95%时软化后的基体EPA 能谱线。谱线表明:基体上没有其它元素的能谱峰。

图11为Al(99. 96%)-2%Fe 合金当轧制率为95%时软化后的第二相区域的EPA 能谱线, 可见除Al 、Fe 能谱峰外还有Si 、Cu 等杂质元素的能谱峰。说明Si 、Cu 等主要杂质元素富集在第二相Al 3Fe

中。

图7 Al(99. 996%) -2%Fe 合金T EM 照片

(轧制率95%)

(99. 96%) -2%Fe 合金当轧制率为95%时的电镜照片, 可见亚结构为粗大等轴晶, 晶内几乎看不到位错, 已经发生了较充分的回复。在基体和晶界处还可见到第二相存在。

图9为用99. 6%Al 配制的Al(99. 6%)-2%Fe 合金当轧制率为95%时的电镜照片, 可见少部分晶粒有多边化趋势, 非等轴晶有方向性,

亚晶内有大量位错。

图9 Al(99. 6%) -2%Fe 合金T EM 照片

(轧制率95%)

2. 4 A-l 2%Fe 合金加工软化行为分析

用99. 996%Al 和99. 96%Al 配制的A-l 2%Fe 合金, 由A-l Fe 相图可知, Al 中加入2%Fe, 这一合金成分在共晶点附近, 因此A-l

2%Fe 合金在熔铸和均匀化处理过程中, Al 与Fe 及其它杂质元素易形成第二相, 经EPA 能谱分析, 该第二相主要为A-l Fe 化合物, 结合相图可确认为Al 3Fe 相。能谱分析同时发现Al 中的Si 、Cu 等主要杂质元素富集于Al 3Fe 第二相中(见图11) 。而基体能谱线没有杂质峰(见图10) 。说明Al 于Fe 及其它杂质元素形成的第二相减少了铝基体中杂质元素含量。Fe 的加入起到了净化铝基体的作用。铝的纯度越

图8 Al(99. 96%)-2%F e 合金T EM 照片

(轧制率95%)

高, 净化效果越好。净化后的铝基体层错能进一步提高, 有利于多边化回复, 促进软化行为

发生。

Al(99. 996%) -2%Fe

合金基体杂质含量低, Fe 的净化作用使铝基体纯度进一步提高, 层错能也得到进一步提高, 多边化回复易进行, 当轧制率达60%时即出现软化现象。Al (99. 96%)-2%Fe 合金, 基体杂质含量高, 净化后的基体仍有一定量杂质, 层错能得到一定提高, 促使了多边化回复, 当轧制率达90%时出现软化现象。

Al(99. 6%) -2%Fe 合金基体杂质含量很高, Fe 净化后的基体杂质含量仍较高, 层错能仍很低[5], 位错运动很困难, 在继续变形过程中产生的足够大的内应力不能通过多边化回复来缓解, 继续变形阻力不断增大, 加工软化现象难以出现。

参考文献

1 当摩建, 竹内庸. 轻金属, 1976, (26) :10. 2 竹井 见等. 轻金属, 1980, 30:626.

3 金 铨等. 哈尔滨科学技术大学学报, 1993, 17(2) :28. 4 刘兆晶等. 哈尔滨科学技术大学学报, 1994, 18(4) :41. 5 冯 端等编著. 金属物理. 北京:科学出版社, 1987:350. 6 葛列里克 S S. 金属和合金的再结晶. 北京:机械工业出

版社, 1985:63-65.

图11 Al(99. 96%)-2%Fe 合金第二相区EPA 能谱

(轧制率95%)

WORK -SOFTENING MECHANISM OF PURE ALUMINUMS AND A-l Fe ALLOYS

Li Feng zhen, Liu Zhaojing, Jin Quan, Yu Zem in Dep ar tment o f M ater ial Science and Engineer ing ,

H ar bin Univer sity of Science and T echnology , H ar bin 150080

-softening behaviors and mechanisms of three kinds of pur e aluminium and three A-l 2%Fe a-l ABSTRAC T T he w ork

lo ys in the rolling state at room temperatur e were studied. the results show that when the rolling r at io is ov er 80%, t here occurs w ork -softening in the 99. 996%Al but not in t he 99. 96%Al and 99. 6%Al; t hat t here occur work -softening in the A l(99. 996%) -2%Fe alloy when the rolling ratio is o ver 60%and in the A l(99. 96%) -2%Fe alloy when the rolling r at ion is over 90%, but not in the Al(99. 6%) -2%F e alloy. T he main r eason of work -softening is room -temper ature re -covery w hich is caused by the dispersive second phases.

l F e alloys wo rk -softening rolling r at io recovery Key words pur e aluminiums A-

(编辑 彭超群)