（材料加工工程专业论文）梯度复合铝合金材料的塑性变形研究.pdf

摘要 摘要 双流浇注连续铸造( d s p c c ) 是一项制备复合材料的新技术，它为解 决材料内部和外部需要不同性能要求这一类问题提供了一条有效的途 径。采用双流浇注连续铸造技术制各的梯度复合材料铸锭，在塑性加工 后其组织特征以及成分、性能分布是值得深入探讨的。本文主要进行了 a l s i ，a l 、a l ，a l s i 、2 0 2 4 3 0 0 3 三种梯度复合铝合金材料的高温自由压制 变形、热轧变形及高温反挤压变形的研究，系统的分析了不同塑性加工 工艺下三种梯度复合铝合金材料的组织变化特征和塑性变形机理以及其 形变后成分、硬度的分布特征。主要的研究内容和结论如下： 研究了三种梯度复合铝合金材料不同压制变形量下沿压制方向不同 区域的组织变化规律及其形变后的成分、性能分布特征。通过研究发现： 压制板材沿压制方向不同区域的组织以及形变后的成分、性能分布都是 呈现梯度变化特征的，而且其梯度分布特征不会随着压制变形量的增大 而改变。另外，随着压制变形量的增大，一方面合金组织沿压制方向的 变形程度将会增加；另一方面内、外层合金在梯度过渡区的相互流动现 象及不均匀分布现象会减少。 研究了三种梯度复合铝合金板材在不同轧制变形量下沿轧制高向不 同区域组织的变化规律及其形变后的成分、性能分布特征。和自由压制 变形一样，热轧板材沿轧制高向不同区域的组织以及形变后的成分、性 能分布也都呈现梯度变化特征，而且其梯度分布特征不会随着轧制变形 量的增大而改变，但其内、外层合金在过渡区的分布不均匀性会随着轧 制变性量的增大而有所减小。另外，对2 0 2 4 ，3 0 0 3 热轧板材热处理后的 典型拉伸力学性能值进行了测量，其拉伸力学性能相对于3 0 0 3 合金及热 处理后的2 0 2 4 3 0 0 3 压制板材都有大幅度的提高。 研究了三种梯度复合铝合金材料反挤压杯形零件不同区域的内外层 合金的流动规律以及微观组织变化规律，并采用滑移线场理论分析了其 变形规律产生的原因。结果表明：反挤压时合金与模具表面之问的摩擦 力是影响内、外层合会流动及微观组织变化的主要因素。 关键词：塑性加工；梯度复合材料；双流浇注；连续铸造 p r o p e r t yo ft h er o l l i n gp l a t e so f2 0 2 4 ，3 0 0 3 i nh e a tt r e a t e dc o n d i t i o nw a s m e a s u r e d ，a n dt h er e s u l ts h o w e dt h a tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo ft h er o l l i n g p l a t ei sb e t t e rt h a nb o t h3 0 0 3a l l o ya n dt h ep r e s s i n gp l a t eo f2 0 2 4 ，3 0 0 3i n h e a tt r e a t e dc o n d i t i o n t h ei n v e r t e de x t r u s i o nu s e dt h et h r e eg r a d i e n tc o m p o s i t e sw e r ed o n ea n d t h em i c r o s t r u c t u r ef e a t u r ei nd i f f e r e n c er e g i o n so ft h ee x t r u s i o np a r t sw e r e i n v e s t i g a t e d t h ef i o wf e a t u r eo ft h ei n t e r n a ia n de x t e r n a i a 1 1 0 yw a s a n a l y z e d b y t r a d i t i o n a ls l i pl i n ef i e l dt h e o r yo fi n v e r t e de x t r u s i o n t h e r e s u l ts h o w e dt h a tt h ef r i c t i o nf o r c eb e t w e e ng r a d i e n tc o m p o s “e sa n dm o l d i st h ek e yi n f l u e n c i n gf a c t o ro ft h ef l o wf e a t u r e k e y w o r d s ： p l a s t i c d e f o r m a t i o n ，g r a d i e n tc o m p o s i t em a t e r i a l d o u b l e s t r e a m p o u r i n g ，c o n t i n u o u sc a s t i n g 第一章绪论 第一章绪论 现代科学技术的飞速发展，大力推动了各种具有比传统材料性能更 优异的新材料的研制工作。其中，梯度复合材料及其制备技术的开发是 新材料发展进程中非常重要的组成部分。3 1 。 1 1 梯度复合材料的研究现状 梯度复合材料( g r a d i e n tc o m p o s i t e s ) 是在合金成分、组织形貌和性 能上具有渐进变化、梯度分布特征的新一代复合材料。该概念可以追溯 到上世纪八十年代日本学者提出的“梯度功能材料( f u n c t i o n a lg r a d i e n t m a t e r i a l s ，f g m ) ”【4 1 。二十多年来，梯度功能材料的研究由最初的航天 航空领域逐渐延伸到机械、冶金、化工、电气、电子和生物医学等众多 领域”，6 。在这过程中，“梯度”内涵也从材料功能上的渐进变化扩展到成 分、组织等方面，逐渐和原有的“层状( 双金属) 复合材料”领域相互 融合，“梯度复合材料”的概念产生并逐渐成熟。因此，很多新型结构材 料，只要其内部的成分分布、组织形貌、力学性能在宏观尺度上具有梯 度变化特征，就可以称为梯度复合材料。 1 1 1 梯度复合材料的设计、评价及其特点 1 梯度复合材料的设计 梯度复合材料设计的主要方法是逆向法，先建立丰富的材料数据库， 并开发出梯度复合材料设计的专家系统，按照包括材料形状、组织、性 能和使用条件在内的技术要求，参照材料性能数据和设计基本资料，选 择最佳的材料体系组元来进行复合【7 ；或是给定一组设计初始数据( 如 成分分布参数、物性值、边界条件等) ，进行相应的热传导和热应力分析， 确定最佳的复合参数，如各组元的成分混合比、体积分数等【9 旧】。目前 主要是开展了以松弛热应力为主的材料设计”】。梯度材料设计的另 个方法是直接法( d i r e c ta p p r o a c h ) 1 6 j 。这是一种建立在大量实验基础上 的方法，相当费时费力，一直未引起人们的重视。 2 梯度复合材料的评价 梯度复合材料在应用中面临的一个相当重要的问题是如何对其性能 进行评价。广义来讲，梯度复合材料的评估技术是指对制取的梯度复合 材料的性质进行确认与表征的一系列测试与分析技术。这包括对梯度复 合材料梯度特征、组分与结构的评估，对梯度复合材料物理、化学性质 的评估以及使用条件下的评估等等。这些评估内容直接反映了某种梯度 华南理工大学硕士学位论文 复合材料的“好坏”，对促进其制备技术及理论研究的发展都具有重要意 义。由于梯度复合材料特性评价涉及热力学、流体力学、材料力学、材 料工程等不同的领域，因此只有通过这些领域的密切协作方能取得理想 的结果。 3 梯度复合材料的特点 梯度复合材料最主要特点是材料在一维、二维或三维方向上其有成 分或孔隙度的梯度变化。这首先使得材料组织结构产生梯度变化，如材 料的相分布、织构、晶粒度、颗粒或纤维增强体的数量和分布等。从而 导致材料的性能也具有梯度材料的变化特征，诸如材料的机械性能、物 理性能、化学性能等 j 。 图l l 是梯度复合材料与均质、层状复合材料在成分分布、组织结 构和性能方面的比较- 。可以看出梯度复合材料外表上与层状复合材料 一样，一面是a 材，另一面是b 材。但是材料内部成分从a 材到b 材连 续渐变，其特性也发生了缓慢的变化。 物理性能 目斟 h o o o o o o 1i o o o o ll o o o o o l o o o o 0 0 1i o o o o o ll o o o o 1 0 o o o o 1l o o o o ll o o 0 0 0 组织结构1 3 s 9 2 9 s g g i1 3 3 8 s ：l1 3 ：s ： 1 0 o o o o o ii o o o o 川ll o o o o j o o o o o o il o o o o ll o o o o l o o o o o o ii o o o o ll 0 0 0 0 无丹咖胃界面 走开凹 (a)(b)( c ) l 一耐热性；2 一导热系数；3 一热膨胀系数； ( a ) 均质复合材料；( b ) 层状复合材料；( c ) 梯度复合材料 图1 1均质、层状复合材料和梯度复合材料的性能和结构比较 f i g u r el lc o m p a r i s o no fp r o p e r t ya n ds t r u c t u r ea m o n g ( a ) u n i f o r m c o m p o s i t e s ，( b ) l a y e r e dc o m p o s i t e sa n d ( c ) g r a d i e n tc o m p o s i t e s 1 1 2 梯度复合材料的制备技术 梯度复合材料的制备技术是梯度复合材料研究中的一个很关键的方 面，制备技术的发展决定着梯度复合材料实际应用的程度与范围【l4 ”l 。 目前的制备技术很多，按原料形态分，大体上可分为三大类：气相法、 液相法及固相法【l 以”j ，每一类下坯有很多具体的制备技术，可制备从体 材到薄膜，从金属到陶瓷的多种梯度复合材料。具体如表l l 所示。 第一章绪论 1 1 3 双流浇注连续铸造制备梯度复合材料的研究 采用双流浇注连续铸造( d s p c c ) 法制备梯度复合材料可以有效地 和经济地解决用作结构件的材料不同部位有不同性能要求这一类问题。 制各梯度复合材料的双流浇注连续铸造技术是建立在传统的连续铸造技 术基础上的，故只需要对连续铸造设备的浇注系统进行改造，非常容易 移植到目前成熟的连续或半连续铸造生产线上，相对合金生产的整个过 程来 定。 城镇生活污水集中处理率( ) ：该指标值按照广东省各项规划和要 求确定，需要说。明的是，城镇生活污水集中处理率强调城乡一体化处理， 而且需要优先建设城市污水管网，这对于珠江三角洲来说，是一个不可 回避的艰难潞硐 羹臻铸坦的原理l 璺i - 琵瑟鍪鲤錾翳翅鬟磊霎蠢鳇篾巍， 华南理工大学硕士学位论文 不同材料在界面的冶金结合，可以使不同性能的材料优势互补，但由于 其冶金梯度过渡层尺寸小，往往存在不同材料之间结合强度低，受力或 变形时易开裂、剥落，综合性能不稳定的问题，而且其包覆层与基体金 属或强化纤维与基体材料之间会有异相界面，存在界面的应力剥落和界 面缺陷等问题，因而其应用场合有限。而d s p c c 法制备的梯度复合材料 过渡区域尺寸大，可以进行大尺寸、大规模生产，它不仅在高科技领域 中大有潜力，而且在民用工业中也有着广阔的应用前景，其与层状复合 材料的特点对比见表1 3 。 表1 3 t a b l el 一3 层状复合材料与d s p c c 法制备的梯度复合材料的特点对比 c h a r a c t e r i s t i cc o m p a r i s o no fl a y e r e dc o m p o s i t e sa n dg r a d i e n t m a t e r i a l sm a d eb yd s p c cm e t h o d 过渡区 复合材料工艺条件成分分布特征加工性能 尺寸 工序较多， 整体成分和组织非实现材料在界面 芯材需预处 均匀，两侧由完全上冶金结合，但 层状( 双 理或保护， 不同性能金属组冶金过渡层尺寸 金属) 复 对设备、厂 成，连接区域出现 微米 小，存在不同材 房和人员要 综合两种材料特点 量级 料之间结合强度 合材料的连续变化过渡不高，受力或变 求高，铸造 工艺参数相 层，成分和组织呈形时易开裂、剥 现连续梯度变化特落，梯度特征丧 互匹配困难 征失，加工性能差 一次成形，整体上是由具有相 工艺简单，同或相近的化学性 实现材料冶金结 推广成本低质和组织特征的一 合，冶金过渡层 d s p c c廉，易于在种合金组成，通过 尺寸大，不同材 法制备常规连铸生合金中一种或几种 毫米料之间结合强度 的梯产线上实合金元素浓度的连 量级高，经过大变形， 度复合现，可大规续逐渐递增或递减 梯度分布特征保 材料模、大尺寸、来实现梯度分布特 持不变，加工性 低成本制备征，在组织上不存 能好 产品，材料在组织结构完全不 设计空间大同的区域 华南理工大学硕士学位论文 进一步完善传质模型，建立流场、温度场与微观偏析过程的三场耦合模 型，为开发自主产权的工业软件奠定基础。 ( 4 ) 性能评价方面，对于梯度复合材料来说，采用常规性能评价标 准首先遇到的问题是取样困难，特别是对于形状复杂或体积庞大的工件； 其次是性能指标不一定具有代表性，即从工件的某一部位取样所测得的 性能只能代表材料在该处的性能，而不能由此表征工件的整体性能。因 此，对梯度复合材料性能评估建立新的评价方法，一方面应充分利用已 有的比较成熟的标准，另一方面要相关研究部门和行业通力合作，共同 确定通用的标准。 ( 5 ) 塑性加工方面，关于金属材料塑性变形组织演变规律的研究一 直是塑性加工领域的一个重要研究领域，d s p c c 法制备的梯度复合材料 在过渡层中具有宏观尺度( m m 数量级) 上的成分梯度分布特征，毫无疑 问，经过不同的加工工序后，其铸态下的成分梯度分布特征将会发生变 化，研究这一变化过程将直接决定着d s p c c 法制备的梯度复合材料大规 模应用的实现。因此，开展d s p c c 铸件后续加工工艺的研究，特别是塑 性加工工艺方面的研究，如轧制、挤压、锻造等塑性加工技术、塑性加 工模拟以及加工后热处理技术的研究，将推动梯度复合材料的实用化进 程，而且也可以为加深塑性加工理论的认识提供新的途径和实验证据。 1 2 梯度复合材料的塑性加工研究概况 作为一种全新材料，梯度复合材料具备许多特殊的优异性能，但其 要实现大规模的应用，则还应具备两个必要的前提：一是材料的制备工 艺应成熟化，适于大规模的工业生产；二是材料的二次加工工艺应成熟， 能满足各种结构与性能的需求。目前梯度复合材料的后续加工工艺，特 别是塑性加工工艺方面尚不够完善【4 ”，在这方面开展的工作仍然较少。 1 2 1 梯度复合材料的塑性变形特点 相对于一般的均质金属材料而言，非均质的梯度复合材料由于其组 成合金的性质不一样，而且各组成成分是呈梯度变化的，如果在塑性加 工过程中由于受力使得其中某一组成成分被破坏，或者其梯度特征被破 坏，都将会使梯度复合材料失效，这也往往使得其塑性形变过程变得更 为复杂，而且不同的梯度复合材料在塑性加工过程中所表现出来的塑性 变形特点各不相同。例如层状陶瓷一金属基复合材料，它具有一定的塑性， 可采用热锻、热挤或热轧等传统的塑性加工方法成形。它的塑性变形是 通过金属基体的塑性变形实现的r 金属在应力作用下发生塑性变形，同 时吸收断裂应力，引起能量耗散，而增强体将阻碍塑性变形的进行，使 华南理工大学硕士学位论文 进一步完善传质模型，建立流场、温度场与微观偏析过程的三场耦合模 型，为开发自主产权的工业软件奠定基础。 ( 4 ) 性能评价方面，对于梯度复合材料来说，采用常规性能评价标 准首先遇到的问题是取样困难，特别是对于形状复杂或体积庞大的工件； 其次是性能指标不一定具有代表性，即从工件的某一部位取样所测得的 性能只能代表材料在该处的性能，而不能由此表征工件的整体性能。因 此，对梯度复合材料性能评估建立新的评价方法，一方面应充分利用已 有的比较成熟的标准，另一方面要相关研究部门和行业通力合作，共同 确定通用的标准。 ( 5 ) 塑性加工方面，关于金属材料塑性变形组织演变规律的研究一 直是塑性加工领域的一个重要研究领域，d s p c c 法制备的梯度复合材料 在过渡层中具有宏观尺度( m m 数量级) 上的成分梯度分布特征，毫无疑 问，经过不同的加工工序后，其铸态下的成分梯度分布特征将会发生变 化，研究这一变化过程将直接决定着d s p c c 法制备的梯度复合材料大规 模应用的实现。因此，开展d s p c c 铸件后续加工工艺的研究，特别是塑 性加工工艺方面的研究，如轧制、挤压、锻造等塑性加工技术、塑性加 工模拟以及加工后热处理技术的研究，将推动梯度复合材料的实用化进 程，而且也可以为加深塑性加工理论的认识提供新的途径和实验证据。 1 2 梯度复合材料的塑性加工研究概况 作为一种全新材料，梯度复合材料具备许多特殊的优异性能，但其 要实现大规模的应用，则还应具备两个必要的前提：一是材料的制备工 艺应成熟化，适于大规模的工业生产；二是材料的二次加工工艺应成熟， 能满足各种结构与性能的需求。目前梯度复合材料的后续加工工艺，特 别是塑性加工工艺方面尚不够完善【4 ”，在这方面开展的工作仍然较少。 1 2 1 梯度复合材料的塑性变形特点 相对于一般的均质金属材料而言，非均质的梯度复合材料由于其组 成合金的性质不一样，而且各组成成分是呈梯度变化的，如果在塑性加 工过程中由于受力使得其中某一组成成分被破坏，或者其梯度特征被破 坏，都将会使梯度复合材料失效，这也往往使得其塑性形变过程变得更 为复杂，而且不同的梯度复合材料在塑性加工过程中所表现出来的塑性 变形特点各不相同。例如层状陶瓷一金属基复合材料，它具有一定的塑性， 可采用热锻、热挤或热轧等传统的塑性加工方法成形。它的塑性变形是 通过金属基体的塑性变形实现的r 金属在应力作用下发生塑性变形，同 时吸收断裂应力，引起能量耗散，而增强体将阻碍塑性变形的进行，使 第一章绪论 材料的塑性变差【4 4 ，45 1 。再如层状( 双金属) 复合材料，虽然采用传统的 塑性加工工艺均可以对其进行加工，但由于其组成成分的性质不一样， 塑性变形时不同组成成分之间的变形速度和变形程度也会不一样，又由 于其不同组成成分之间结合强度不高，塑性加工过程中受力或变形时两 种合金的结合面就容易产生开裂和剥落现象。 梯度复合材料所表现出来的与传统均质材料不同的塑性变形特点对 其塑性成形性能有很大的影响，因而需要在塑性加工工艺研究过程中不 断加以总结，以指导梯度复合材料塑性加工生产过程。 1 2 2 梯度复合材料塑- 胜加工工艺及其机理的研究 目前，梯度复合材料塑性加工工艺的研究重点主要集中在对高温塑 性加工工艺的研究，这主要是因为梯度复合材料在复合后已经具备了一 定的力学性能，若进一步进行热塑性变形如压缩、挤压、轧制等，将 会有效改善组织和界面结合状态，提高性能。 1 压缩变形研究 压缩变形是各种塑性加工工艺的基础，其变形过程和机理最能代表 塑性加工的特点，因而关于梯度复合材料高温压缩变形的研究自然也就 成了其塑性加工研究的一个重点所在。 目前对层状陶瓷一金属基复合材料高温压缩变形的研究较多，主要体 现在：1 ) 层状陶瓷一金属基复合材料中，金属以连续层状形式存在于陶瓷 层间，并渗透入陶瓷层内，在应力作用下可发生相当程度的塑性变形： 在裂纹尾部被拉伸，形成桥联，吸收了应力，引起明显的能量耗散：减 缓裂纹扩展速度，防止了裂纹张开，具有明显的韧化效果【45 】；2 ) 除组成 相外，层状陶瓷金属基复合材料的韧性化明显地受温度影响，存在高温 软化现象【46 】；3 ) 对s i c 增强铝基复合材料的高温压制变形研究表明：s i c 增强铝基复合材料的塑性变形是通过其金属基体的塑性变形实现的，但 增强相s i c 颗粒对金属基体的塑性变形具有明显的阻碍作用，在变形不 受阻碍或者阻碍较小的区域，其塑性变形远比其他部位显著 4 4 l ；4 ) 对s i c 。 增强铝基复合材料的压缩变形行为的研究表明了其压缩行为可以由基体 流变应力、沉淀强化和弥散强化贡献的叠加来描述 4 7 】：5 ) 对s i c 。a l 复 合材料液固两相区的高温压缩变形行为的研究表明：复合材料的真实应 力应变曲线可以分为三段：弹性区、软化区和强化区 48 1 。 2 挤压变形研究 挤压变形也是层状陶瓷金属基复合材料塑性成形加工的研究重点 之一，主要的研究内容包括了挤压过程中基体金属流动规律和增强体的 移动规律以及挤压加工对复合材料致密性和性能的影响。对粉末冶金法 华南理工大学硕士学位论文 制备的s i c 颗粒增强铝合金梯度复合材料进行热挤压研究表明：1 ) 经热 挤压后，基体与增强体之间原本清晰的梯度层间界面消失了，基体连续， s i c 颗粒沿径向呈较平缓的梯度变化，增强体颗粒与基体界面结合良好， 疏松和孔洞消失，挤压时增强体随基体的变形能调整自己的方位，形成 颗粒长轴平行于挤压方向的组织结构 49 l ；2 1 在一定的温度下，s i c 颗粒 增强铝基复合材料的挤压成形随着位移的增加而呈现出填充挤压、强化 挤压、平流挤压和紊流挤压四阶段变化的特点【50 1 。对粉末冶金法制备的 c r 增强c u 基复合材料进行的静水热挤压研究表明：挤压加工可以使复 合材料变得密实，同时可以使得增强相的排列变得有序而形成带状分布 【5 1 1 。 同时，关于双金属复合材料棒材挤压工艺也开展许多研究，主要开 展了关于挤压成形特点、挤压后两种合金的界面结合情况以及沿界面附 近合金元素的扩散行为、挤压工艺参数与组织性能之间关系等方面的研 究，目前已通过挤压加工成功制备了铜铝复合材料棒材、铜，铝复合材料 套筒以及不锈钢，二氧化锆复合梯度功能材料等【5 2 5 “。 3 轧制变形研究 轧制是金属塑性成形的重要手段之一，也是金属板材的主要成形手 段。对粉末冶金法制备的c u w c 复合材料的轧制研究表明：轧制变形一 方面能压合复合材料内部的孔洞，另一方面可使得复合材料中的w c 颗 粒随着基体的塑性流动沿基体拉长方向趋于均匀分布，改善了复合材料 w c 颗粒的团聚现象 55 1 。对爆炸复合板的轧制变形研究表明：轧制过程 中塑性较高的金属会牵引着塑性较低的金属快些变形，同时，塑性较低 的金属对塑性较高的金属相应的也有拉扯作用，两种作用相互依存又相 互制约，使得两层合金以基本相同的相对变形速度和变形量同时参与塑 性变形，最终的结果是导致爆炸复合板两种合金结合区的波形组织变得 平直，改善了组织性能【5 。 另外，对双金属复合带材的轧制方法及基本理论方面也进行了许多 研究，主要包括：1 ) 研究了轧制复合结合强度的影响因素，包括轧制复 合工艺、轧制工艺参数( 主要包括轧制温度、轧制力、轧制率等) 、轧制 组元状态等；2 ) 轧制过程中各组元的变形规律及变形关系研究等【57 5 9 l 。 综上所述可知，到目前为止，对于梯度复合材料的塑性成形的主要 研究目的大部分都集中在改善复合材料的致密性以及研究变形过程中组 织性能的变化特点，真正用传统的塑性加工工艺将梯度复合材料制备成 某种形状的零件，并研究变形过程中材料塑性流动规律的工作还相对较 少。 0 第一章绪论 1 2 3 梯度复合材料塑性加工有限元分析的研究进展 有限元方法是根据变分原理近似求解数理边值问题的一种数值技 术，于上个世纪8 0 年代被提出。目前，有限元方法得到了极大地发展并 广泛应用于各个科学和工程领域中。在金属塑性加工领域，有限元分析 方法正逐渐展开，并取得了很多的研究成果。 近十多年来，金属塑性成形过程微观组织模拟与工艺优化的研究取 得了较大的进展，特别是在轧钢领域，针对常规钢种的板材热轧过程已 经开发了从加热、热轧到冷却过程的在线和离线商品化软件包，可以通 过控制热轧过程中金属微观组织演变进程实现产品综合性能的有效控 制。但总体而言，金属塑性成形过程微观组织模拟与优化的研究目前仍 处在初级阶段，无论从目标函数的构建、优化设计变量的选取到优化方 法的具体应用等方面，都值得进行深化和系统化，是当前金属塑性成形 动态模拟的热点问题。但当前金属塑性成形动态模拟的对象主要是钢铁、 铝合金等均质材料，针对复合材料塑性加工过程中塑性成形规律及微观 组织模拟的研究还比较少见。 对层状陶瓷一金属复合材料的有限元方法分析主要集中在颗粒形状 对复合材料性能的影响规律方面，目前在这方面开展了不少研究，建立 了多种颗粒的有限元模型( 包括球形、六边、正方、三角、梭形等) 进 行分析，并将模拟结果与试验结果进行了对比1 6 0 6 1 】。 对双金属复合带材热轧过程的有限元模拟研究由来己久，目前已经 建立了比鞍成熟的有限元分析模型，进行了多方面的研究，包括：1 ) 轧 辊和复合带材的应力、应变分布：2 ) 复合带材中各种组元合金在轧制过 程中的塑性流动变形情况；3 ) 轧制过程中的轧制力和轧制力矩；4 ) 热轧过 程中温度场的分布；5 ) 复合带材中各种组元合金之间的残余应力分析等 1 6 2 6 4 1 。 双金属复合棒材挤压过程中的塑性变形机制比均质材料的要复杂得 多，目前已经开展了不少有关这方面的数值模拟研究，例如：a v i t z u r 等 m 5 1 利用上限法分析了芯部裂纹的产生机理；o s a k a 等帕6 】利用能量法讨论 了芯部硬质合金的缩颈现象；y a n g 等提出了一种用于分析挤压模具进 出口刚一塑性边界条件的动可容速度场；t a v a l 【6 8 1 和a l c a r a z 等6 9 1 利用有限 元法分析了复合材料棒材挤压过程中的应力、应变分布；h w a n g 等1 5 4 】提 出了一种利用流函数的数学模型来研究复合棒材挤压过程的塑性变形行 为，该模型可以自动满足速度边界条件，目前该模型已经用于对铜，铝套 筒挤压过程的分析；s b e r s k i 等 70 1 利用f o r g e 2 软件研究了铜，铝复合棒 材挤压过程中的两种金属的流动特点以及应力、应变的分布特征，并给 华南理工大学硕士学位论文 出来了该复合材料的最佳挤压比。 1 2 40 s p c c 法制备的梯度复合材料的塑陛加工研究 d s p c c 法制备的梯度复合材料，由于其材料自身的一些特性，如内、 外两层合金在梯度过渡区的梯度过渡特征，使得其在传统塑性加工工艺 下的金属流动规律和微观组织演变特点与均质材料具有很大的不同，目 前关于这方面的研究还相当少。文献 7 l 】初步研究了d s p c c 法制备的 2 0 2 4 ，3 0 0 3 梯度铝合金复合材料高温压制变形后的微观组织特征及其变 形后的性能，发现了2 0 2 4 ，3 0 0 3 梯度铝合金复合材料在高温压制大塑性 变形后其梯度特征仍然得到保持，而且其变形后的硬度分布特征也是呈 梯度分布的。文献 7 2 ，7 3 】提出了一种分析梯度复合材料变形的简化几何 解释方法，并用该方法计算了2 0 2 4 3 0 0 3 梯度铝合金复合材料压制变形 后的材料利用率。同时还采用有限元分析了2 0 2 4 ，3 0 0 3 梯度铝合金复合 材料的高温压制变形的塑性变形特点。 总之，有关d s p c c 法制备的梯度复合材料塑性加工工艺方面的研究 仍然很少，开展这方面的研究将有助于推动梯度复合材料的实用化进程 并丰富塑性加工的理论基础，本文的研究正是在这种背景下提出来的。 1 3 本文的研究目的、内容及意义 1 3 1 研究目的 本课题的研究目的是开展d s p c c 法制各的铸件的后续加工工艺，如 压制、轧制4 、挤压等塑性加工技术的研究，揭示材料塑性成形过程中的 形变特征及形变后性能，以推动梯度复合材料的实用化。 1 3 2 研究内容 本文的主要研究内容包括以下几个方面： 1 ) a l s i a l 、a l ，a l s i 及2 0 2 4 3 0 0 3 的高温压制变形研究 主要研究三种材料在不同压制变形量下沿压制高度方向不同区域组 织的变化规律及其形变后的成分、性能特征，分析不同压制变形量对组 织变化规律及其形变后性能的影响； 2 ) a l s i a l 、a i a l s i 及2 0 2 4 ，3 0 0 3 的热轧变形研究 主要研究三种材料在不同轧制变形量下沿轧制高度方向不同区域组 织的变化规律及其形变后的成分、性能特征，分析不同轧制变形量对组 织变化规律及其形变后性能的影响； 3 ) a l s i a l 、a l ，a l s i 及2 0 2 4 ，3 0 0 3 的反挤压变形研究 主要研究三种材料在反挤压变形后内外层合金的流动规律以及不同 区域的微 华南理工大学硕士学位论文 第二章梯度铝合金材料的高温自由压制变形研究 铝合金在高温下塑性高，抗力小，伴随有完全再结晶，有利于组织 的改善。热变形能有效改善铝及铝合金的铸态组织，通过热变形，铸锭 组织改变成变形组织( 或者加工组织) ，并具有较高的密度、均匀细小的 等轴晶粒，因而塑性和强度指标都会有明显的提高【7 ”。梯度铝合金复合 材料铸态下的铸坯组织和性能内外分布不一样，在形变后很可能产生宏 观和微观缺陷，因此，需要对梯度铝合金复合材料铸件进行塑性变形研 究，以找出其变形的规律性。自由压制变形是所有塑性变形的基础，通 过对梯度铝合金复合材料进行高温下的自由压制变形研究，探讨不同压 制变形量下梯度铝合金复合材料的变形特征及其形变后的性能，这将对 梯度铝合金复合材料应用的推广具有重要意义。 2 1 自由压制实验方法 2 1 1 变形工艺 实验所选材料为a l s i ，a l 、a l ，a l s i 、2 0 2 4 3 0 0 3 三种梯度铝合会材料， 其组成成分如表2 1 所示。实验所用铸锭直径为6 5 m m ，其制备过程参见 文献【4 0 ，4 l 】。为保证所取样品成分梯度分布的稳定性，实验所用压制样 品是在铸锭中心部位对称截取的，长度为l o o m m ，如图2 1 所示。 表2 1 合金组成成分，w t t a b l e2 一l c o m p o s i t i o no fg r a d i e n tm a t e r i a l s ， w t 表2 2 变形工艺参数 t a b l e2 - 2d e f o r m a t i o np a r a m e t e r s 第二章梯度铝合金材料的高温自由压制变形研究 压制热变形试验在配备工控机的1 0 0 0 k n 油压机上进行的，实验装 置如图2 2 所示，压制时采用石墨粉( 用润滑油调) 对上下模具进行润 滑。模具和坯料均在s g 2 5 ( 6 ) 一1 2 型坩埚电阻炉中加热，到温后保温6 0 m i n 。变形工艺参数如表2 2 所示。每次变形后将试样沿中间截为两半， 一半继续进行压制变形实验，另半用以取样观察用，取样示意图如图 2 3 所示。试验的工艺流程如下：截取压制坯样一清洗一加热一压制变形 一分割一取样一组织观测一性能测试。 嘭黝 ( 闷蕊燃 3 1 一上冲头；2 一铸锭；3 一下冲头 图2 1压制实验用铸锭 图2 2 高温自由压制变形试验示意图 f i g u r e2 一li n g o tf o rh o tp r e s s f i g ur e2 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo fh o t p r e ss 图2 3 试样制备示意图 f i g u r e2 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h es a m p i e 向 2 1 2 组织观察 进行宏观组织观察时，用1 0 0 0 # 砂纸将试样打磨光滑，采用1 5 h n 0 3 + 15 h f + 4 5 h c i + 2 5 。h 2 0 ( k e l l e r s ) 试剂，对其横截面进行宏观 腐蚀，主要观察试样宏观组织分布及晶粒度。宏观观察完后，取试样的 华南理工大学硕士学位论文 中间部位进行抛光并采用o 5 h f 溶液腐蚀试样，在o l y m p u s p m e 3 金 相显微镜上沿压制方向( s t ) 进行微观组织观察和照相。 2 1 3 硬度测试 在本部分研究中主要采用金属小负荷维氏硬度试验方法来评价变形 后梯度材料硬度的变化。测试的方法根据g b 5 0 3 0 8 5 进行。测试仪器为 h v s 一1 0 0 0 型数显显微硬度计，载荷为4 9n ，加载时间为1 5 s 。实验试样 即为上述的金相试样，沿压制方向上每隔一定的位置测试一个值，最终 的测量值为相反方向对称位置上2 个硬度值的平均值。 2 1 4 线扫描观察 在配能谱仪的p h il i p sx l 3 0 f e g 扫描电镜上进行线扫描观察。试 样取自金相试样，在硬度测量留下的凹坑附近沿压制方向进行线扫描， 扫描范围为整个压制厚度。 2 2a is i a i 自由压制实验结果及分析 2 2 1 压制板材组织 1 宏观腐蚀形貌 a l s i ，a l 梯度合金是内层为a l s i 系合金外层为纯铝的梯度铝合金， 其铸锭压制前的宏观腐蚀形貌如图2 4 所示，从图中可以清晰的看到外 层纯铝和内层铝硅合金的混合情况，二者存在明显的分界，梯度过渡明 显。 图2 4 压制前a l s i a l 铸锭的宏观腐蚀形貌 f i g u r e2 4 m a c r o s t r u c t u r eo fa l s i a l i n g o t 华南理工大学硕士学位论文 初晶a ( a 1 ) 组织，其s i 含量很少( 图2 6 b ) 。图2 7 为1 5 m m 厚压制板材 的微观组织，其组织形貌与3 0 m m 厚板材比较相似，不同之处是由于变 形量的增加，其晶粒组织的变形程度已经大大增加。在芯部的易变形区， 其( q ( a 1 ) + s i ) 共晶相组织已经完全被压扁破碎成颗粒状组织，而在过渡 区靠内层区域合金的( q ( a 1 ) + s i ) 共晶相组织比3 0 m m 厚板材更狭长，其 压扁程度更大，而且形状已经不够清晰，临近破碎状态，在属于难变形 区的外层区域，也已可以看出其变形程度的增加，n ( a 1 ) 晶粒变得狭长， 而且晶粒变细。图2 8 和图2 9 分别是7 m m 厚和3 m m 厚压制板材各个区 域的微观组织形貌，从图中可发现内层合金的硅相组织已经完全熔断压 碎，并被球化成圆形或椭圆形的颗粒。 综合以上分析可看出随着压制变形量的加大，合金组织沿压制伸展 方向的变形程度将增加，而且由于硅相组织的脆硬性，它破碎的倾向性 将加大，但其内外层合金共存及梯度变化特征并没有发生变化。 a 内层b 过渡区c 外层 图2 63 0 m m 厚a l s i a l 压制板材的微观形貌 f i g u r e2 6 m i c r o s t r u c t u r eo fp r e s s e da l s i a lp l a t ei n t h i c k n e s so f3 0 m m 华南理工大学硕士学位论文 a 内层b 过渡区c 外层 图2 93 m m 厚a l s i ，a l 压制板材的微观形貌 f i g u r e2 9 m i c r o s t r u c t u r eo fp r e s s e da l s i a li nt h i c k n e s so f3 m m 图2 1 0 内外层合金在过渡区的相 互流动现象( 3 0 m m 厚) f i g u r e2 - l o i n t e r f l o wb e t w e e n i n t e r n a la n de x t e r n a ll a y e ri nt h e t r a n s i t i o nz o n e ( 3 0 m m ) 图2 一l l 内外层合金在过渡区的 不均匀分布( 3 0 m m 厚) f i g u r e2 一l l t h e n o n - h o m o g e n e o u sf e a t u r ei nt h e t r a n s i t i o nz o n e ( 3 0 m m ) 由于原本铸态下浇注时内外两种金属熔体本身的分布不均匀，再加 上压制热变形的作用，特别是在压下量较小的时候，压制板材过渡区域 容易出现内外层两种合金之间的相互流动现象( 如图2 一l o 所示) ，但随 着压制变形量的增加，这种相互流动现象会减少，这从微观组织特征上 华南理工大学硕士学位论文 图2 一1 43 0 m m 厚a l s i a l 压制板材 过渡区s i 元素的分布 f i g u r e2 一1 4 d i s t r i b u t i o no fs ii n t h et r a n s i t i o nz o n eo fp r e s s e d a l s i a lp i a t ei nt h i c k n e s so f3 0 m m a 饥 。1，吨， 。小。“ 图2 一1 53 m m 厚a l s i ，a l 压制板材 横截面上s i 元素的分布 f i g u r e2 一1 5 d i s t r i b u t i o no fs io n t h ec f o s ss e c t j o no fp f e s s e da l s i a i p l a t ei nt h i c k n e s so f3 m m 线扫描结果也显示了过渡区域合金元素s i 分布的不均匀分布现象，其靠 外部合金边也有一个富s i 区( 见图2 1 4 ) ，但其峰值明显比靠芯部区域 的富s i 区小，这主要是由于沿压制方向内、外层金属的相互流动和分布 不均匀而造成，因而靠外部的纯铝区会出现一个比较狭小的低值富s i 区， 这与前面的微观组织分析结果也相符合。 图2 1 5 为3 m m 厚压制板材样品沿压制方向横截面上s i 元素的线扫 描结果，从图中可明显看出合金元素s i 含量中间高两边低的梯度变化特 征。比较3 0 m m 及3 m m 两种厚度下的a l s i ，a l 压制板材s i 元素的线扫描 结果可看出，后者曲线的不均匀分布程度较小。这说明了随着压制变形 量的增加，内外层合金沿压制方向的相互流动现象及不均匀分布现象会 有所减少，这与微观组织特征是相符合的。 2 2 3 压制板材横截面上的显微硬度变化特征 图2 一1 6 2 一1 9 为不同厚度下a l s i ，a l 压制板材样品沿压制方向横截 面上维氏硬度的变化特征。综合四个图可知，板材样品沿压制方向横截 面上维氏硬度总的变化趋势是：从板材的芯部向表面逐渐降低，呈现明 显的梯度变化特征，并且在过渡段有一个陡降的趋势。这是由于梯度合 金显微硬度上的差异主要是由其组织特征所决定的，而铝硅合盒中的共 晶硅相是脆硬相，其显微硬度比纯铝高得多，因此，随着硅相组织含量 第二章梯度铝合金材料的高温自由压制变形研究 2 3a l a is i 自由压制实验结果及分析 2 3 1 压制板材组织 1 宏观腐蚀形貌 与a l s i ，a l 梯度合金相反，a l ，a l s i 梯度合金是内层为纯铝外层为 a 1 s i 系合金的梯度铝合金，其铸锭压制前的宏观腐蚀形貌如图2 2 0 所 示，其内、外层合金的分界不如a l s i a l 梯度合金明显，交界面不够清晰， 看不到特别明显的过渡层。 图2 2 0 压制前a l ，a l s i 铸锭的宏观腐蚀形貌 f i g u r e2 2 0 m a c r o s t r u c t u r eo fa l a l s ii n g o t a 厚度为3 m mb 厚度为1 5 m m 图2 2 1 压制后板材的宏观腐蚀形貌 f i g u r e2 2l m a c r o s t r u c t u r eo fp r e s s e da l s i ，a lp l a t e 图2 2 l 为a l a l s i 梯度合金形变后3 m m 和15 m m 厚压制板材的宏观 腐蚀形貌，从图中可看出板材沿压制方向上内、外层合金晶粒大小及腐 兰三兰塑鏖堡垒全塾垫箜壹里鱼虫重型銮兰盟耋 金共存及梯度变化的特征并没有发生改变。 a 内层b 外层 c 过渡区 图2 2 23 0 m m 厚a l ，a i s i 压制板材的高倍下微观形貌 f i g u r e2 2 2 m i c r os t r u c t u r eo fp r e s s e da l ，a l s ip l a t ei n t h i c k n e s so f3 0 m m a 外层b 内层 图2 2 33 0 m m 厚a l ，a l s i 压制板材的低倍下微观形貌 f i g u r e2 2 3 m i c r os t r u c t u r eo fp r e s s e da l ，a l s ip l a t ei n t h i c k n e s so f3 0 m m 2 7 华南理工大学硕士学位论文 a 内层b 外层c 过渡区 图2 2 41 5 m m 厚a l ，a l s i 压制板材的微观形貌 f i g u r e2 2 4 m i c r o s t r u c t u r eo fp r e s s e da l a l s ip l a t ei n t h i c k n e s so f1 5 m m a 内层b 外层c 过渡区 图2 2 57 m m 厚a l a l