半固态5083铝合金压缩行为及触变轧制研究

论文摘要

半固态金属成形技术自20世纪70年代被提出以来,得到了飞速的发展,现已被誉为21世纪最具有发展前景的近净成形技术之一。该技术打破了传统的液态成形和固态塑性变形的模式,将半固态金属坯料加热到半固态温度区间进行成形,使其具有独特的变形特性和优势。相比于传统的铸造成形工艺,其加工温度低、可以延长模具寿命、改善生产条件和环境、成形性能好；较之锻压成形工艺,其变形抗力低、流动充型性能好、对于复杂零件可一次成形,提高生产率。本文以宽冷凝温度区间的5083铝合金为研究对象,研究了如何采用应变诱导熔化激活（SIMA）法制备半固态坯料,并基于Gleeble3500热压缩模拟试验机分别对铸态和半固态5083铝合金半固态温度区间压缩行为及组织特性进行了分析,此外,对该合金半固态二次加热重熔及触变轧制成形工艺也做了相关研究。研究结果表明：采用大挤压比热挤压为预变形方式的SIMA法可以制备出较理想的5083铝合金半固态坯料,优化的工艺参数为：挤压比为17.36左右,等温温度为605～610℃,保温时间为15～20min。SIMA法制备5083铝合金半固态坯料时,Mn元素的分布基本不受等温热处理温度影响,但Al、Mg元素的分布受温度影响较大,在晶界处偏聚的低熔点相主要由Mg元素构成。5083铝合金半固态非枝晶组织形成过程中,在加热阶段,晶粒一方面发生回复再结晶,另一方面偏聚在晶界处的低熔点液相会渗入小角度晶界中,使晶粒发生分离和破碎；在保温阶段,分离破碎的晶粒在原子扩散与表面张力等驱动力的作用下发生球化,晶粒长大的机制主要是Ostwald熟化和晶粒合并长大共同起作用。5083铝合金半固态热压缩实验结果表明：当其它变形条件相同时,随着变形温度的升高和应变速率的降低,半固态压缩应力也随之降低,且应变速率对应力－应变曲线形状影响较大。在半固态温度区间压缩变形时,该合金铸态坯料整体应力水平明显高于SIMA法制备的半固态坯料；而在固态温度区间内高温压缩变形时,二者曲线特征相似,半固态坯料没有明显优势。当两种不同状态5083铝合金在半固态温度区间内压缩变形时,存在三个典型变形区域,半固态坯料组织中液相均匀分布于各晶粒晶界处,而铸态坯料组织中液相分布位置很不均匀,半固态5083铝合金压缩变形后试样的致密度和均匀性好于铸态材料。二次加热结果表明：晶粒形状以及液相率受二次加热保温时间影响不大,主要受温度影响；二次加热保温时间主要影响晶粒尺寸大小,保温时间过长,会导致半固态晶粒粗大,不利于半固态成形,较理想的SIMA法制备5083铝合金半固态坯料二次加热保温时间为30-40min。一道次触变轧制实验结果表明：触变轧制过程中,球状初生固相颗粒与液相发生了分离,球状初生固相颗粒集中在板材中部,而液相在压力作用下流向板材边部；通过一道次触变轧制可以获得抗拉强度为264.45MPa,延伸率为27.51%的5083铝合金板材。对于5083铝合金,轧制温度控制在600℃C左右较好；且轧制板材的抗拉强度和延伸率随轧制变形量的增大而增大,但当轧制变形量达到80%时,板材边部会产生开裂。5083铝合金触变轧制板材的断裂方式为微孔聚集型的韧性断裂。触变轧制板材冷轧实验结果表明：冷轧后板材的抗拉强度得到明显的提升,比冷轧前平均提高70MPa左右,但延伸率有所下降,只有9～10%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 半固态成形技术概述
• 1.2.1 半固态成形技术的诞生及发展
• 1.2.2 半固态成形技术的特点
• 1.3 半固态金属坯料的制备
• 1.3.1 搅拌法
• 1.3.1.1 机械搅拌法
• 1.3.1.2 电磁搅拌法
• 1.3.2 非搅拌法
• 1.3.2.1 应变诱导熔化激活法
• 1.3.2.2 喷射成形法
• 1.3.2.3 单辊剪切冷却法
• 1.3.3 其它制备方法
• 1.4 半固态金属压缩行为研究现状
• 1.5 金属半固态轧制成形工艺
• 1.5.1 流变轧制成形
• 1.5.2 触变轧制成形
• 1.5.3 喷射轧制成形
• 1.6 论文的研究目的和主要内容
• 1.6.1 研究目的及意义
• 1.6.2 主要研究内容
• 第二章 SIMA法制备5083铝合金半固态坯料工艺研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 半固态温度区间
• 2.2.3 实验设备及方法
• 2.3 实验结果与讨论
• 2.3.1 不同工艺参数对半固态微观组织演变的影响规律
• 2.3.1.1 挤压比对半固态微观组织的影响
• 2.3.1.2 等温热处理温度对半固态微观组织的影响
• 2.3.1.3 等温热处理时间对半固态微观组织的影响
• 2.3.2 等温热处理工艺对半固态坯料主要合金元素成分偏析的影响
• 2.3.3 半固态坯料非枝晶组织形成机理
• 2.4 本章小结
• 第三章 半固态5083铝合金压缩变形行为及组织特性
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 实验设备及方法
• 3.2.2.1 实验设备
• 3.2.2.2 实验工艺参数
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 铸态和半固态坯料高温压缩变形行为
• 3.3.2 铸态5083铝合金半固态压缩变形行为
• 3.3.3 半固态5083铝合金压缩变形行为
• 3.3.3.1 不同温度对半固态压缩行为影响规律
• 3.3.3.2 不同应变速率对半固态压缩行为影响规律
• 3.3.4 铸态和半固态坯料半固态压缩变形后微观组织
• 3.4 本章小结
• 第四章 半固态5083铝合金触变轧制实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验过程及方法
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 二次加热重熔
• 4.2.3 触变轧制实验
• 4.2.4 拉伸实验
• 4.2.5 显微组织分析
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 半固态坯料二次加热组织演变规律
• 4.3.2 触变轧制工艺参数对板材质量的影响
• 4.3.3 触变轧制板材的微观组织及力学性能
• 4.3.3.1 触变轧制后板材微观组织
• 4.3.3.2 触变轧制后板材力学性能
• 4.3.3.3 拉伸断口形貌分析
• 4.3.4 二次冷轧后板材的力学性能
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 答辩委员会对论文的评定意见