（材料加工工程专业论文）ha164542合金的研制.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 通过调整合金成分和添加微量元素，制备了h a l 6 4 5 4 2 黄铜合金， 借助g l e e b l e - 1 5 0 0 热模拟实验机和相应的分析软件，采用压缩法研究了 h a l 6 4 5 4 2 合金的热变形流变力学行为，并对合金进行热处理工艺优化 实验，利用m h k - 5 0 0 型磨损试验机检测了合金在干摩擦条件下的摩擦磨损 性能，并运用金相显微镜、扫描电子显微镜、能谱分析等检测手段，对合 金不同状态下的微观组织特征进行观察，对合金的摩擦磨损机理进行了探 讨，得到以下研究结果： h a l 6 4 5 4 2 合金高温变形时，流变应力随温度的升高而减小，随变 形速率的增加而增加。在低变形速率时，流变应力曲线呈现单峰状，硬化 一软化过程亦较平缓。而在高变形速率( 高于0 5s 1 ) 下，流变应力很快 从峰值降至某一值，然后呈现周期性波动。建立了合金高温变形的本构方 程，并得到了合金高温变形的材料常数。 a l 含量可以改变复杂黄铜中q 相和b 相的体积百分数，提高合金的 硬度，但铝含量不能过量，否则会出现有害的y 相。稀土在复杂黄铜中 是一种很好的细化剂和变质剂。但必须合理控制稀土的含量，否则会生 成有害的富稀土相。 铸锭在经过8 0 0 4 h 的均匀化处理后组织与性能均得到改善。热处理 工艺正交实验结果表明合金在7 5 0 保温9 0 m i n 后淬火，2 5 0 时效9 0 m i n 后，合金达到最佳强化效果。 h a l 6 4 5 4 2 合金的磨损机制以剥层磨损为主，存在粘着磨损、疲劳 磨损和磨粒磨损等形式。改进后的合金具有优良的耐磨性能，不同磨损条 件下磨损机制以粘着磨损为主，存在疲劳磨损和磨粒磨损等形式。通过调 整微量元素，控制第二相( 成分、形状和尺寸) ，添加稀土细化晶粒，采用 合理的热处理工艺制度，完成控制合金微观组织，提高合金材料耐磨性的 目的。 关键词：复杂黄铜，高温变形，显微组织，剥层磨损，粘着磨损 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t h a l 6 4 542b r a s sa l l o y sh a db e e ns u c c e s s f u l l yp r e p a r e db ya d j u s t i n g t h ec o m p o n e n t so fa l l o y s t h ed e f o r m a t i o nb e h a v i o ro fh a l 6 4 542a l l o y d u r i n gc o m p r e s sp r o c e s sh a sb e e ni n v e s t i g a t e dw i t hp h y s i c a ls i m u l a t i o n t e c h n i q u e sb yu p s e tt e s t so fa l l o ys a m p l e si nt h eg l e e b l e l5 0 0d y n a m i c t h e r m a l m e c h a n i c a ls t i m u l a t o r , a n dt h eo p t i m u mh e a t 仃e a tc o n d i t i o n sw e r e d e t e r m i n e d t h e i rf r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e sw e r em e a s u r e do na n a 彻 0 ，于是矧删0 3 【咫】) = 一( 磋+ 蜉) 。 b 脱硫 稀土在铜合金中脱硫的原理与脱氧的原理相似。以稀土c e 为例，可近似地把它 视为以下简式： c u 2 s + c e = 2 c u + c e s 根据热力学数据，可计算出这一脱硫反应在铜合金的熔点温度以上，其标准生成 自由焓与温度t 的关系式为： g ；= 一1 9 2 3 6 0 + 9 2 t l o g 丁一1 1 8 丁 9 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 在1 4 0 0 k 下，= - 7 0 7 1 0 3 j t o o l 。 此时，脱硫反应的平衡常数b = 4 4 6 1 x 1 0 2 6 。 由此可见，在铜液中，稀土脱硫反应的热力学趋势很大，它能把铜中的少量硫杂 质除去。 c 脱氢 稀土在铜液中的脱氢过程可以近似地描述为： 鸥= 2 【日l 肛+ 【日l = 【尬日】固溶体 【r 删】圃溶体+ ( x 一1 ) 【日l = 脚： 稀土金属与氢作用生成的r e h 型的稳定氢化物是强烈的放热反应。在铜加工过程 中，向溶解有氢的铜熔体中加入稀土可迅速从铜中吸收、溶解呈原子状态的氢，并在 一定条件下与之作用生成氢化物。这种密度小的氢化物很易上浮至铜液表面，且在高 温下重新热分解，排出氢气，或被氧化进入渣相而被除去。 1 3 2 稀土元素在铜中的变质及微合金化作用 ( 1 ) 稀土在铜及其合金中最常见的和最主要的变质作用就是消除枝状晶区、急 剧细化晶粒。同时稀土同某些杂质能形成难熔化合物并呈弥散状态分布。从而提高其 塑性和强度，减少表面裂纹和缺陷。在铜中固溶度极小，加入的稀土大部分同其它元 素化合，生成高熔点化合物在熔体中悬浮和弥散分布。凝固过程中产生异质晶核和机 械阻止晶粒长大效果，使晶粒细化，凝固时间缩短，柱状晶区缩小，防止偏析。此外， 还有部分稀土与铜形成金属间化合物，也能改善机械性能。 文献n 副指出在纯铜中加入稀土元素，随着稀土加入量的不同，分布位置也在变化， 并且有向晶界分布的趋势。在晶界上，稀土元素的存在形式为以稀土化合物为基形成 的固溶体。铸态时，加入稀土元素可以细化晶粒。 李文超等对稀土在导电铜中作用做了探讨，指出稀土净化了基体和晶界，细化了 晶粒( 钕除外) ，从而提高强度、硬度及电导率。当钇添至0 0 4 ，电导率提高1 5 n 6 1 。 ( 2 ) 稀土能使金属和合金中某些呈条状、片状甚至块状的杂质转变成点状或球 状，从而改善或提高其力学性能和加工性能。如稀土能促使铜中某些有害杂质( p b ) 由 片、条状转变为点、球状，其原因是因为稀土具有很强的活性，且能使杂质铅的润湿 性急剧降低，这些杂质在其自身表面张力的作用下，而使体积大大缩小。 在含1 2 w t 铅的硅青铜中，随着稀土加入量增加，铅从大块不均匀变成细小均匀 分布。在铝青铜中稀土的加入也使铅相明显细化，颗粒分布均匀。在铝青铜中加入稀 土具有细化k 相的作用n 7 1 。 1 0 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 郭锋等研究稀土元素c e 在h 6 2 黄铜组织特征变化的作用，发现p b 基本以含c u ， z n ，p b ，c e 的夹杂物的形式存在，而且形貌为颗粒状口射。谈荣生等研究了稀土对变形 铅黄铜高温性能的影响，指出微量铈能与部分铅形成f c c 结构、点阵常数为0 4 8 7 5 n m 的c e p b 。金属间化合物，由于c e p b 。化合物熔点较高，在热加工温度范围内呈固态，减 少了液态铅的有害作用，并减轻了热脆现象n 钉。 ( 3 ) 稀土可使金属或合金中集中分布于枝晶或晶界间的某些有害杂质，改变为 均匀分别在整个晶体中，最终导致各种性能的提高。 1 3 3 稀土在耐磨黄铜中的作用 1 稀土元素对耐磨黄铜组织的影响 随着稀土含量的增加，基体晶粒得到细化，但是当稀土含量超过1 o w t 时，晶粒 尺寸随稀土含量的增加反而增大。合金中的稀土含量超过0 5 w t 时，显微组织中出现 富稀土的针状析出相啪】。文献乜n 也指出加入0 1 w t 的稀土，耐磨黄铜的基体晶粒明显 细化。文献啪1 同时指出稀土含量的增加同样也导致时效组织中基体和硅化物颗粒相晶 粒的细化。 2 稀土元素对耐磨黄铜性能的影响 文献乜n 中指出微量稀土加入后，合金加工态的强度显著提高。当稀土含量为 0 1 w t 时强度达到最大值。进一步提高稀土加入量反而导致合金强度的下降。稀土对 合金塑性的影响没有什么规律。稀土元素对热处理后试样力学性能的影响规律和加工 态相似。微量稀土加入对合金的耐磨损性能并未产生显著的影响。 文献乜2 3 中指出添加微量稀土的耐磨黄铜的耐磨性能优于其它两种不添加稀土元 素的耐磨黄铜。 葛晶研究了稀土锰黄铜z h m n 5 8 - 3 5 - 2 - 0 0 1 5 代替锡青铜的可行性。文献中 指出在稀土锰黄铜中，c e 与c u 形成高熔点的化合物c e c u 6 存在于液态合金中起到非 自发结晶核心的作用，增加形核率，使铸态晶粒细化，同时这种高熔点化合物的细小 质点存在于固一液相面上，阻碍晶粒的长大，也细化了铸件的晶粒。 1 4 金属塑性成形物理模拟研究 物理模拟是在实验条件下选取合适的试样，采用合理化的实验工艺，应用先进的 测试和分析手段，尽可能逼真地再现和记录加工生产过程中人们关心的某一过程，某 一环节。它可以避开通过实际生产过程研究问题时情况复杂、影响因素多和不必要的 浪费等诸多不利因素，以小试样迅速精确和有针对性地揭示材料在加工过程中组织和 性能的变化规律，从而预测评定材料在加工过程中出现的问题，为新材料的研制，新 工艺的开发提供科学依据泓1 。 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 物理模拟研究的主要内容包括变形过程中工具和工件之间的摩擦、工件材料的物 理特性以及工件在变形过程中的力学行为和组织演变等。材料变形过程中的变形条件 对金属材料的流变力学行为以及组织演变具有重要影响。所以，要得至! l 一个能精确地 描述变形过程中各参数的变化情况的物理模拟，需要作大量的工作。 金属高温塑性变形行为的研究主要包括探明材料在高温变形过程中的流变应力 行为，获得高温本构关系瞳6 1 ，为实际生产工艺的制定提供依据。研究材料高温塑性变 形行为通常借助一些基本的实验方法，常用的方法有三种，即单轴拉伸、扭转和压缩 等。在很多重要的金属成形工艺( 包括锻造、轧制、挤压、拉拔等) 的优化设计和实施 之前，均要求事先借助这些方法了解材料在不同变形条件下的塑性变形行为。这些基 本的实验方法的采用还有利于塑性加工成形工作者对新材料进行开发、研制和分类 时，建立其有关材料高温塑性变形特点和成形性的指标。用像拉伸、扭转和压缩等方 法求得应力一应变关系数据，可用于分析变形过程材料的塑性变形行为。本研究则采 用圆柱体压缩法研究高强耐磨黄铜合金的高温塑性变形行为。 1 5 耐磨黄铜的摩擦磨损特性 1 5 1 耐磨黄铜合金的微观组织和耐磨性能的关系 a w a h e e d 等研究了几种高强度黄铜的显微组织与磨损性能的关系。研究结果 显示合金的磨损与下列因素有关： ( i ) 合金的硬度； ( i i ) q 相和8 相的相对体积百分数； ( i i i ) 合金中的铝含量； ( i v ) 材料在滑动时是否易于析出硬质硅化锰( m n 。s i 。) 颗粒。 作者在文中指出：复杂黄铜由1 3 和主要集中在1 3 晶界的大约2 5 的q 相组成时， 磨损最小。导致磨损小的一个原因可能是：每当两种金属相互发生摩擦接触时，尤其 是在干摩擦滑动或使用的润滑剂不足或质量低从而导致磨损现象出现时，总是会存在 冲击和震动。这种情况将导致疲劳磨损：在严苛的负载条件下不断地发生加载和卸载 将使表面下的裂纹生长。这些发生于b 相中的表面下裂纹当达到具有良好韧性的q 相 处时，其成长势头将减弱，从而使疲劳磨损减小。 h m i n d i v a n 等研究了成分为6 3 c u ，8 m n ，4 a i ，1 s i 和2 0 z n 的复杂黄铜同 步器齿环材料的微观组织与耐磨性能的关系。在销一盘摩擦试验机和往复式摩擦试验 机上在室温下进行干摩擦实验，配对副分别为m 2 高速工具钢和1 2 0 目a 1 ：0 。砂纸。研 究结果表明：随着合金中q 相的体积分数从8 4 增加到2 3 o ，合金的硬度从2 8 1 h v 下降到2 5 0 h v ，在载荷分别为1 3 n 和3 4 n 下往复式摩擦条件下合金的耐磨性分别增 加了大约4 5 和8 0 。他们在实验中还发现含有低c i 相体积分数的材料磨损表面出现 1 2 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 垂直于摩擦方向的微小裂纹，并且随着载荷的增加，裂纹的数量更多。作者认为g 相 体积分数的增加可以韧化材料，从而当裂纹扩展到a 相时，可以钝化裂纹，抑止裂纹 扩展矧。 m s u n d b e r g 等研究了在干摩擦室温条件下四种含有不同q 相体积分数的耐磨黄 铜的摩擦磨损性能。研究结果表明：在低载荷情况下，完全由b 相和强化相组成的耐 磨黄铜的耐磨性能最好。而在高载荷条件下，材料的磨损性能与合金元素的种类和多 少有关。 1 5 2 摩擦条件对合金磨损性能的影响 1 实验气氛的影响 m s u n d b e r g 等人研究了空气和氩气气氛对耐磨黄铜干摩擦磨损性能的影响。研究 结果表明：在氩气气氛下，合金磨损表面的温度比空气中的高，合金的摩擦系数稍有 下降。此外氩气中磨损率比空气中减少了很多。氩气中磨屑的晶粒尺寸比空气中磨损 表面的大。作者认为氩气中合金表面的冷却效果降低，较低密度的氧化物粒子有利于 动态再结晶。动态再结晶对减少合金的磨损率有两个积极作用。一是有利于在钢环上 形成一层光滑的连续的黄铜层，这种连续光滑的黄铜层比空气中粗糙的不连续的材料 层有助于减少磨损，另一方面是允许材料超塑性变形，材料产生磨屑的概率降低啪1 。 2 载荷的影响 耐磨黄铜的磨损随着载荷的增加而增大。此外在文献啪1 中作者发现合金表面的平 均温度随载荷的增加而升高。在文献汹3 中研究了具有三种不同热导率耐磨黄铜的摩擦 表面温度。研究结果表明具有最高热导率的合金摩擦表面温度最低，磨损率最低。 1 5 3 干滑动状态涉及的主要磨损理论1 ( 1 ) 粘着磨损 粘着磨损理论是r h o l m 首先提出的，其定义为，两种材料在相对运动过程中， 由于两表面之间的固体焊合或局部粘着所造成的材料从一个表面向另一个表面的转 移，即一个表面上的磨屑永远或暂时地粘着在另一表面上。其后r a b i n o w j c z 和 a r c h a r d 进一步完善了这一理论。根据r a b i n o w i c z 理论，当两表面相对滑动并且接触 面之间的压力足够高，能够造成局部塑性变形，就会发生粘着。材料的硬度决定了接 触材料表面之间的真实接触面积。因此，认为材料的表面硬度比整体硬度更为重要。 a r c h a r d 进一步发展了这一理论，由a r c h a r d 阐述的粘着理论，定义磨损体积为 滑动距离、法向载荷和材料硬度的函数。这一理论是基于粗糙表面的粘着机制，认为 材料的转移过程是与粗糙表面的粘着失效有关，它描述了粘着过程中裂纹的萌生及随 后的扩展过程。假设在接触区域内，磨损颗粒为具有相同半径的半圆形颗粒，a r c h a r d 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 建立了下列材料的磨损体积形表达式： 形：k d p( 卜1 ) 3 h 式中：k 为磨损系数；d 为滑动摩擦距离； p 为施加的法向载荷；日为材料的宏观硬度。 a r c h a r d 总结出磨损率与施加载荷呈正比( 假设接触区域的平均尺寸和颗粒的平 均尺寸为常数) ，并且，磨损率与接触面积无关。这一结论预示着提高材料的表面硬 度，可以提高材料的磨损性能。但是这一理论忽略了材料的微观结构对磨损的影响， 并只适用于理想的滑动条件。 ( 2 ) 剥层磨损 剥层磨损理论是s u h 在1 9 7 3 年提出的。这一理论的提出对滑动磨损机理的研究 起了重要作用。 剥层理论包容了诸如粘着磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损等不同磨损的形成机理。该 理论认为磨屑的形成是由下列相随过程所致： ( a ) 当两个滑动表面相接触时，法向载荷和切向载荷通过接触点传递，较软表面 的微凸体易于变形或在重复载荷作用下发生断裂。从而形成较光滑的表面，这是接触 就不恰好是微凸体对微凸体接触，而成为微凸体对平面的接触。这样当较硬表面的微 凸体对平面相对摩擦时，较软表面上的每一接触点都要承受周期性载荷。 ( b ) 施加于软表面上的摩擦牵引力使其表面层发生塑性剪切变形，变形随重复载 荷而累积。 ( c ) 随亚表面变形的继续，裂纹或空穴在变形层中的杂质或第二相粒子处萌生。 而在接触区之下存在有三维高压缩应力，这使得在很接近表面处的裂纹不易形核。 ( d ) 裂纹一旦出现，在外界载荷作用下扩展或许会与邻近的裂纹相连接，当这些 裂纹最后向表面( 某些薄弱位置) 剪切时，导致长而薄的磨损薄片“脱落 ，这种片状 磨屑的厚度受亚表面裂纹生长的位置控制，形成磨屑的位置受表面法向载荷和切向载 荷的控制。 这磨屑剥落形成过程可以解释在很多情况下观察到的片状磨屑产生的原因。 ( 3 ) 磨粒磨损 一对摩擦副相对滑动时，硬的表面上有粗糙微凸体，或是在滑动摩擦面间存在有 硬的粒子对软表面起切削或犁作用，即发生磨粒磨损。其它磨损形式产生的磨屑，如 粘着磨损粒子保留在摩擦表面间，聚集长大并经受加工硬化作用，成为硬的粒子，也 将导致磨粒磨损。 由于没有润滑和粘着问题，所有相对来说，磨粒磨损是最简单的一种磨损形式。 有人称之为机械磨损。 关于硬的磨粒对较软的塑性金属的磨粒磨损，r a b i n o w i c z 提出了一个简化的显微 1 4 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 切削模型。考虑如图所示，有一刚性锥形微凸体或磨粒，在法向载荷p 作用下在金属 表面压入到深度r ，形成的压印坑直径为2 a 。由力的平衡有： p 图卜5 锥体压入表面材料迁移的简化模型 p = 以刀口2 ( 1 - 2 ) 式中以是被磨损材料的压印硬度。压入的磨粒切向移动导致材料的迁移，形成 的磨沟截面积彳。为： a s = a t = a s t a n o = 等 3 ， 式中口是锥形与平面间的夹角。这样当磨粒锥体切向移动距离s 造成的材料迁移 面积形为： 形呻= 筹= k 盎 ( 1 - 4 ) 与建立在考虑真实接触面积基础上的a r c h a r d 方程( 1 - 1 ) 相比较，磨粒磨损的磨 损系数可表达为： k ：3 t a n o ( 1 5 ) 从( 卜5 ) 式可以看出，磨粒磨损与粘着磨损有一些相似之处，即磨损量形与载荷 成正比，与软材料的硬度成反比。因而( 1 - 5 ) 式可作为定性分析磨粒磨损时的参考。 1 6 本论文的研究内容 本课题是中南大学与江苏张家港高新张铜股份有限公司共同承担的国家计委 2 0 0 2 年高技术产业化新材料专项项目( 计高技 2 0 0 2 4 2 3 号) ：“汽车同步器齿环及齿 环材料 的子项目之一。实验以材料组织与其各方面性能的关系为依据，创新点及技 术关键在于通过调整合金成分向合金中加入适量稀土元素来细化晶粒、净化晶界，添 加各种微量元素控制强化相，从而提高材料的强度及耐磨性能，达到细化晶粒、消除 缺陷、改善铸坯质量的目的。再通过对铸态材料的加工及热处理从而得到性能优良的 产品。该技术通过了省部级鉴定，并已申请专利，是目前国际先进的复杂黄铜管坯生 1 5 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 。产技术。同时该项目也已获匿家计委产业化示范工程资助。对实现高性能、高精度同 步器齿环产品囡产化和规模化生产，推动我国汽车工业的发展，增强国际竞争力有极 大的作用。 h a l 6 4 - 5 4 - 2 合金由于其优良的力学性能和加工性能，在机械王业、汽车工业及 航空与军事工业中存在着潜在的广阔应用情景。舀前这种材料主要用于加工轿车的机 械式变速器中的同步环。这种材料的抗磨性是采用表面喷铝来达到的。因此有必要对 该合金进行改进，不仅要有h a l 6 4 5 4 2 合金的特种黄铜的机械强度，而且还要有较 高的抗蘑性，从而也就没有必要对同步环进行喷铝。 本文研究的主要内容是： 1 通过调整合金成分，添加稀土对h a l 6 4 5 - 4 - 2 合金进行交质处理，细化合 金粗大组织。 2 研究稀土的变质机理及其对h a l 6 4 5 4 2 合金显微组织、硬度的影响作用。 3 。 采用圆柱体压缩实验法，研究高强耐磨黄铜合金高温变形时的力学行为， 确定在实验变形条件范围内应力与应变、应变速率及温度之间的关系。 4 运用正交实验方法对合金的热处理制度进行优化，寻求最佳的组织性能， 从而制定出合理完善的材料成品热处理工艺方案。 5 系统研究高强耐磨黄铜材料在不同摩擦条件下的摩擦磨损性能，分析其磨 损失效形式，并阐盟其磨损机理。讨论材料成份、显微组织及性能与材料 磨损特性之间的关系。 6 。 利用金相显徽镜、扫描电镜及能谱分析等先进检测设备和技术对合金铸 态、加工态和热处理态的显微组织、第二相粒子的分布及形貌进行观察和 分析，从而弄清形成的原因，为制定生产工艺提供理论依据。 1 6 中南大学硕士学位论文 第二章实验方案与过程 第二章实验方案与过程 本课题所用的所有实验材料均为作者自己制备。本章介绍这些合金材料的设计、 熔炼、热加工及热处理工艺过程，以及合金组织结构的分析、力学性能及磨损性能的 测试方法、测试仪器、实验原理和数据处理方法。 2 1 实验的工艺流程 为了达到实验研究的目的，采用感应电炉制备合金，对自制合金的高温变形力学 行为、组织性能、热处理加工工艺进行了分析，并通过对比研究，讨论了合金的摩擦 磨损性能及磨损机理。实验研究的工艺技术路线如图2 - 1 所示。 图2 1 实验工艺流程图 1 7 中南大学硕士学位论文 第二章实验方案与过程 2 2 实验合金的制备 本课题的研究对象是轿车同步器齿环用复杂黄铜。由于同步器齿环形状特点是径 向对称，轴向不对称，在外圆小凸台上均匀分布三个凸键，内孔为螺纹锥孔，螺纹上 分布有9 条对称的轴向凹槽。这种几何结构形式，若完全采用机械切削加工成形，则 工序繁多，加工周期长，材料利用率低。 2 2 1 成分优化 为了提高材料的强度，高强度耐磨黄铜的设计一般可通过固溶强化、颗粒强化和 位错强化等途径来达到提高强度和耐磨性的目的。 实验合金以h a l 6 4 5 4 2 为基础，并进行一定的成分调整，主要是改变a l 、m n 、 f e 、s i 的含量观察其组织结构，测定合金的性能，以提高强度和耐磨性为目的。特配 置了4 种合金，见表2 - 1 。 表2 - 1 实验合金成分范围( w t ) 合金c u a im nf ep bs is nz n 编号 16 3 6 83 53 5l 2o 2 1 o0 5o 2 5 余量 2 6 3 6 84 5 3 51 2o 2 1 o0 5o 2 5 余量 36 3 6 85 63 5l 2o 2 1 00 50 2 5 余量 46 3 5 86 73 5l 20 2 1 oo 5o 2 5余量 为进一步改善合金的显微组织和力学性能，在表2 - 1 合金4 的基础上加入不同量 的稀土来研究稀土对复杂黄铜的作用过程及机制。实验合金成分范围如表2 - 2 。 表2 - 2 实验合金成分范围( w t ) 合金c ua i m n f ep bs is nz nr e 编号 56 3 为84 53 5l 20 2 一i 0o 5o 2 5 余量 0 0 0 5 66 3 奄84 _ 53 - 5l 20 2 - i 00 50 2 5 余量 0 0 5 o 1 76 3 为84 53 5i - 2o 2 1 00 5o 2 5 余量 o 1 o 5 8 6 3 与84 53 5 2 ，3 0 2 i 0 0 5o 2 5 余量0 5 一i 0 2 2 2 配料、熔炼和铸造 合金铸锭结晶组织的好坏，不仅影响加工工艺性能，而且影响最终制品的质量。 1 8 中南大学硕士学位论文第二章实验方案与过程 因此在生产中，在合金成份控制准确的前提下，力求获得晶粒细小、致密度高、均匀 一致的结晶组织。 由于高强度耐磨黄铜合金中所含的元素较多，并且高温流动性和导热性均较差， 因此需要选择较优的熔炼工艺参数口羽。 根据各合金组元的特性及一些参考文献确定各组元的烧损率( 表2 - 3 ) ，并根据合 金元素配比及烧损率制备实验合金。 表2 - 3 金属烧损率( w t ) i c u z n s n a 1s im n f ep br e l 0 5 1 52 81 32 45 1 02 31 2 回收率5 5 按照( a ) 先加数量较多的炉料：( b ) 先熔化占炉料主要部分的低熔点成分，而难熔 成分用熔解法融入合金中：( c ) 熔解时能产生很大热效应的金属，不作最后一批料加 入，以防金属熔体过热；( d ) 先加较难氧化烧损而较易还原的金属，或较难与炉气及 炉衬相互作用的金属等原则确定熔炼加料顺序：c u 、c u - f e 、c u - m n 、a 1 - s i 、p b 、s n 、 z n 。 实验中加入的混合稀土的成分为( w t ) ：4 0 - 5 0 c e ，2 2 - - - ，2 5 l a ，1 5 - 一1 7 n d ，其 它稀土8 1 0 。 熔炼在g t w 一0 1 7 工频感应电炉进行，本实验选用木炭为覆盖剂，精炼剂为5 0 冰晶石( n a 止1 f e ) + 5 0 小苏打( n a 2 c 0 3 ) 。覆盖剂先加入炉内，而精炼剂是合金全部熔化 后分批加入，加入量约为0 2 1 。采用石墨坩埚，熔炼温度为1 0 5 0 11 5 0 ，保证 金属液有一定的流动性，防止产生冷隔，夹渣等缺陷。并在铸造过程中注意以下操作 要点：采取低温加锌，高温捞渣，以减少熔炼损耗；按喷火次数作为实际出炉依据； 及时捞净浮渣避免铸锭产生夹渣。加料顺序为：c u 、c u - m n 中间合金、c u f e 中间合 金、a 卜s i 、s n 、p b 、z n 、r e 。采用5 0 n n n 的铁模铸造，模温约为1 0 0 。 2 3 热模拟实验 实验材料选用自制合金铸锭。为了得到比较理想的均匀的内部微观组织，对试样 进行了8 0 0 。c 4 h 的均匀化热处理。试样按r a s t e g a e v 样品形状加工，见图2 - 2 。 图2 - 2 试样形状 1 9 中鸯大学硕士学键论文 第二章实验方案与过程 c l a m p 圈2 - 3 实验压缩示意图 压缩实验在g l e e b l e l 5 0 0 热模拟实验机上进行，压缩是通过将圆柱体试样置于一 对平锤之间然后进行镦粗来实现的( 如图2 - 3 ) 。压缩实验开始之前须在平锤表面均匀 涂上润滑剂：7 5 石墨+ 2 0 4 6 号机油+ 5 巍磷酸三甲苯脂。这样在压缩时便可很大程度上 减小摩擦对实验结果的影响。热模拟实验的升温速率为5 s ，保温时间为l m i n 。 本实验为设定范围内一系列不同热交形参数条件下酶模拟实验。实验过程中壶 g l e e b l e - 1 5 0 0 热模拟实验机自动采集数据。 变形条件的各主要参数为：变形温度( ) ：6 5 0 ，7 0 0 ，7 5 0 ，8 0 0 ； 变形速率( s q ) ：0 。l ，0 5 ，2 5 ，1 0 ； 变形程度为8 0 。 2 4 热处理实验 均匀化退火实验在s x 一4 一l o 箱式电阻炉中进行，样品在6 8 0 和7 3 0 下分别 保温4 小时，6 小时和8 小时，然后随炉冷却。 对热锻造后的合金样品用正交法进行热处理实验，正交法采用四因素三水平，使 阕b ( ) 正交实验表汹，如表2 - 5 所示。 铸锭坯采用s x 2 4 1 0 箱式电阻炉进行均匀化退火实验，用d r 2 4 型电阻温度 控制器。根据实验需要取样测试材料性能并观察材料微观组织。 表2 - 5热处理正交实验设计表 试样号淬火温度傺温时闻时效温度时效时闯e ( )( m i n )( )( m i n ) l7 0 06 02 0 06 0l 27 0 09 02 5 0 9 0 2 37 0 01 2 03 0 01 2 03 47 5 06 02 5 01 2 03 57 5 09 03 0 06 0量 6 7 5 0 1 2 0 2 0 09 02 7 8 0 06 03 0 09 02 88 0 09 02 0 01 2 03 g8 0 01 2 02 5 06 0l 中南大学硕士学位论文 第二章实验方案与过程 2 5 摩擦磨损实验 2 5 1 实验设备，工作原理及实验条件 摩擦磨损实验在m h k 一5 0 0 型环块试验机上进行d 射，实验机的主要技术规格如下： 最大负荷：5 0 0 0 n 主轴转速：无负荷时o - 2 0 0 0 r m i n 有负荷时i 0 0 1 5 0 0 r m i n 负荷杆杠杆比：1 0 ：1 摩擦力杆标尺刻度：0 5 0 n l o o m m 加热控制温度：丰7 0 2 加荷装置速度：9 1 1 3 6 n s 标准试样：试环0 4 9 2 4 1 2 7 m 试块口1 2 3 5 1 9 m m 实验过程中只需直接更换块试样。其结构原理如图2 - 4 所示。摩擦副接触形式如 图2 - 5 所示。 图2 4 蛐k 一5 0 0 型环块试验机结构原理图 试件 试件 图2 - 5 摩擦副接触型式 2 1 巾南大学硕士学位论文第= 章实验方案与过程 磨轮( 摩擦副) 为c r 1 5 钢，直径为4 9 2 1 r a m ，表面粗糙度为1 。6 3 。实验在1 0 4 0 k g 的负荷，转速为2 0 0 r m i n ，无任何润滑条件下进行。 当试验机转动时，由予环块之闻的摩擦力作用，使装有试块的试样架产生以。点 为圆心的顺时针转动趋势，带动负荷杆沿切向力最方向移动，并由此而使测试杆产 生以互点为圆心的反时针转动趋势。当测试摩擦力时，是利用( 8 + 震) 的重力在测试杆 上产生个力矩，其大小与摩擦力造成的力矩m 相等，方向相反。 此时 f = 9 4 5 ( b + 爱 ( 2 - 1 ) 式中f 为摩擦力，君为测试杠杆的砝码重，震为测试杠杆的砝码读数。作用在环 上的正压力为 p = 1 0 ( a + c ) - 2 。5 ( 器+ 盂) ( 2 2 ) 式中么为负荷杠杆的砝码薹，c 为负荷桎杆的枉杆常数。 材料的摩擦是两个物体相对运动时在其接触面上发生的切向阻抗现象。材料的摩 擦性能与接触表露动力学、努界作用的载荷和位移、表面形貌和材料性质都有关，通 常用摩擦系数来表征。 本文中采用潮l ( 5 0 g 摩擦磨损实验机定义的摩擦系数表征材料的摩擦学性能： 摩擦系数= 丽函i 9 西4 5 = ( b 囊+ 面r ) 弄酉 ( 2 3 ) 材料的藩损是由于接触表面闻的摩擦而导致物质不断损耗的现象。本文中采用质 量磨损率表征材料的磨损性能。实验完毕取下样品后用丙酮和酒精除去油污并在干燥 箱中烘干，然后用分析天平( 感量0 1 i n g ) 称其质量( 取3 次平均值) ，通过质量损失计 算材料的质量磨损率。 2 。5 。2 摩擦配对副g c r l 5 的成分、性能及组织 c 无r 1 5 是目前国内常用的一种“c r 系列的轴承钢，该钢成本较低。钢中含有铬 元素，钢的淬透性好和奥氏体稳定性好，具有较高的硬度，并可使钢中的碳化物( f e c 3 ， c r c 3 ) 星均匀丽细密的分布丽使g c r l 5 耐磨。但含铬量过离( 王。6 5 甏) 会使残余奥氏体 量增多，使钢的硬度下降。淬火加低温回火之后的组织是极细的回火马氏体和分布均 匀的细粒状渗碳体及少量的残余典氏体，如图2 - 6 所示。它的缺患是与金属配副时在 高温下工作表面易发生粘着磨损。由于局部温度过高，会出现局部“点焊 现象；在 腐蚀条件下工作时，如果淬火时的温度过高或回火时消除应力不充分，回火后马氏体 针较粗大，容易出现应力腐蚀及点蚀洲。6 c r l 5 轴承钢的组成及性能如表2 7 所示。 中南大学硕士学位论文 第一章实验冉案i ，过样 图26g c l l5 轴承钢淬欠回火组织 表26 g c r l5 轴承饲的组成及性能 蛆成( )密度( 2 0 )硬度心服极限断裂极限 ( g c m 4 )( h r c )( m p a )( m 1 1 a ) o9 5 c ，01 5 5 1 | 02 0 1 n 13 0 c t j 它105 9 7 26 其它实验方法 2 61 金相实验及组织观察 采川光学金柏显微镜对合余在不- j 状态( 铸态、均匀化忐、加上态1 f | | 热处州忐) f 的缸微组纵进行了观察与分折。金十h 分析在木学院盒相室的n e o p i | ( 九2 l 型卧j 金 柑显微镜上进行。 实验工序：墩样一镶样叶研磨( 水磨砂纸、i 号砂纸、3 号砂纸、5 号砂纸、7 号 砂纸) 一抛光一化学腐蚀一观察显微组织形貌及照相 所川浸蚀剂为：( 铸态) f e ( 、0 。) ，( 2 9 ) + h c i ( 2 5 m 1 ) + 水余量， ( 加j 态) 浓硫酸( 8 m ) + 亚铬酸钾( k c r o 。) 2 9 + 水( 1 0 0 m ) 。 2 62 硬度实验 台金铸态、加工态、热处理态样品在经过砂纸耔l 磨之后，采用木院的b r i n e l l h a r d n e s st e s t e i h b e 一3 0 0 0 型巾氏硬度计在试样上进行连点硬度测量，采用钢球的 直径为；m ，负荷7 5 0 0 n ，加载时问3 0 s ，每个样品测量3 个数据，取、r 均值。 孛鬻大学硕士学链论文第二章实验方案露过程 2 。6 。3 毫子显微镜分橱 含金酶均匀纯状态和时效状态鹣扫描电镜分辑在本院k y k y - 2 8 0 0 型扫攒电镜上进 行的，试样用常规方法制备，在截取电镜样品之后，经粗磨、细磨、机械抛光和化学 腐蚀薏，宣接在扫描电镜上成德并进行熊谱努褥， 中南大学硕士学位论文第三章合金高温变形模拟实验研究 第三章合金高温变形模拟实验研究 3 1 合金高温变形力学实验模拟 金属热变形流变应力是材料在高温下的基本性能之一，无论在制定合理的热加工 工艺方面，还是在金属塑性变形理论的研究方面都是极其重要的，在现代塑性加工力 学中，金属的流变应力作为一个基本参数，其精确的流变应力表达式是提高理论计算 精度的关键啪1 。 金属热变形过程中的流变力学行为一般用材料的本构方程来描述侧，即将金属 的流变应力表述为各变形参数的函数。 3 1 1 实验方法 研究材料高温塑性变形行为采用的实验方法主要有三种，即单轴拉伸、压缩、和 扭转。在许多重要的金属成形工艺( 包括轧制、挤压、拉拔和锻造等) 的优化设计和实 施之前均要求事先借助这些方法了解材料在不同变形条件下的塑性变形行为。这些基 本的实验方法的采用还有利于塑性加工成形工作者对新材料的开发、研制和分类时， 建立起有关材料高温塑性变形特征和成形性的指标。分析实际变形过程的塑性变形行 为，探明材料变形的本质。本章通过采用高温圆柱体压缩实验法进行材料热精锻过程 的实验模拟研究。 轴对称等温压缩常用来模拟挤压和锻造过程。其特点在于可直接在较大应变速率 范围内测定材料在热变形时的真实应力一应变关系。它对应变速率敏感材料和应变速 率不敏感材料均适用。但由于工件和模具之间存在接触摩擦，应变值超过一定值以后， 样品会出现不均匀变形现象，如单鼓和侧翻等，从而改变变形的恒应变速率状态，特 别是在周向易出现拉应力而可能使样品发生侧裂，破坏成形性的真实性。不过，这一 问题可通过改善润滑条件得到一定改善。如压缩实验开始之前在平锤表面均匀涂上润 滑剂：7 5 石墨+ 2 0 4 6 号机油+ 5 硝酸三甲苯脂。这样在压缩时便可很大程度上减小 摩擦对实验结果的影响。在压缩真应变较高时仍不出现明显的单鼓，从而保证了模拟 及实验数据的精确性。 3 1 2 实验模型 金属高温变形力学是从对金属高温蠕变行为研究的基础上发展起来的。金属和合 金的热加工变形和高温蠕变一样都存在热激活过程，应变速率受热激活过程控制。其 变形机制是不同应力水平下的蠕变机制的扩展。在研究金属的高温蠕变行为时最关心 中南大学硕士学位论文第三章合金高温变形模拟实验研究 的是不同变形条件下的应变速率，而研究高温变形时最关心的是变形过程中的应力状 态。h a r t 认为要准确描述塑性变形过程中的力学行为，至少要获得以下六个变量之间 的关系汹1 ，它们分别是：应变速率毒、外加应力仃、应变g 、温度r 、静水压力仃。、 和时间，。因此应寻求下述形式的表达式 盯= 仃( 舌，t ，f ，e ) ( 3 一1 ) 显然，要用一个通用的公式将盯表示成为营，t ，仃。，占的函数关系是相当 困难的。因此在实际研究中通常将静水压力仃。和时间t 这两个参数的影响忽略。 对于不同材料高温塑性变形的研究发现，材料变形时的应力水平和应变速率、 温度之间满足指数关系： ， 仃= ( 丁) 叠“( 7 ) 矿 ( 3 2 ) 式中仃为一定温度和应变条件下的流变应力，s 为真实应变，a o ( t ) 和m ( t ) 为与 温度有关的常数，小应变条件下，这些常数随应变发生变化，一旦进入稳态流变阶段， 则一定温度下它们保持恒定； 热变形过程中，材料在任何应变或稳态下的高温流变应力仃强烈地取决于变形温 度丁和应变速率舌，对不同热加工数据的仔细研究表明，低应力水平下稳态流变应力仃 和应变速率窖之间的关系可用指数关系进行描述： 营= 4 矿 ( 3 3 ) 式中伤为与温度无关的常数。 而在高应力水平下稳态流变应力仃和应变速率舌之间的关系可用幂指数关系来 加以描述： 舌= 4 e x p ( ) ( 3 - 4 ) 式中夕也是与温度无关的常数。这些关系描述了应变硬化和动态软化过程之间的 动态平衡，与稳态蠕变变形对应的关系非常相似。根据这种相似性，s e l l a r s 和t e g a r t 于1 9 6 6 年提出了一种包含变形激活能q 和温度r 的双曲正弦形式的修正a r r h e n i u s 关系来描述这种热激活稳态变形行为m 1 ： 誉= 彳【s 州刎】”e x p ( 鲁) ( 3 - 5 ) 式( 3 - 5 ) 中a ，口和”为与温度无关的常数，尺为气体常数，丁为绝对温度。比较 式( 3 - 3 ) 、式( 3 - 4 ) 和式( 3 - 5 ) 可以发现，在低应力水平下( d o 1 2 ) 时则接近3 - 4 式的幂指数关系，常数口、夕 和以之间满足口= 夕刀，因此，口和 可由低应力水平下的实验数据求解。众多的研 中南大学硕士学位论文第三章合金高温变形模拟实验研究 究结果表明，式( 3 - 5 ) 能较好的描述常规的热加工变形，如挤压、压缩等。 热加工变形时的应变速率通常比蠕变时的应变速率大几个数量级，但由于蠕变和 热加工均属于热激活过程，热加工可视作蠕变在大应变速率和较高应力水平条件下的 一种外延，两者的变形机制和软化机制都非常相似，因此它们都可以用热激活的 a r r h e n i u s 式( 式3 - 5 ) 进行描述。 z e n e r 和h o l l o m o n 在1 9 4 4 年提出并实验了一种确定钢高速拉伸实验应力一应变 关系的方法。在室温和低于室温变形时，钢的应力一应变关系取决于应变速率舌和温 度t 。舌和丁的关系可用一项参数z 表示，即： 仃= 盯( z ，叠) ( 3 - 6 ) 该参数z 包含激活能q 项：z = 叠e x p 铮。变形激活能q 通常和激活焓脯相等， 它提供了速率控制机制中原子重排难易程度的有关信息，由于高温塑性变形存在热激 活过程，也是z e n e r 和h o l l o m o n 提及的条件，据此可将式( 3 - 6 ) 写成： z = z ( 仃，营) ( 3 7 ) 它依赖于流变应力盯而与温度无关。z 与盯之间遵从下述关系： z = 彳【s i l l l l ( 伽) 】” ( 3 8 ) 研究表明，该式在较宽应变速率和温度范围内与实验数据吻合得较好。这样，我 们可以得到所谓“温度补偿应变速率，即z e n e r - - h o l l o m o n 参数z 值的定义： z = 舌e d 等) = 彳【s i i l l l ( 船) 】，( 3 - 9 ) 式中a ，以，口和脯均属于材料常数。 一般来说，彳在高应力水平时为与速率控制机制中热激活位置成正比的结构因 子。当应力降低时，a ，口和刀的物理意义也发生变化，常数口为温度补偿应变速率 和流变应力之间的相关性从指数关系变化到幂函数时对应的流变应力的倒数，刀为温 度补偿应变速率敏感性的倒数，彳为与变形材料内部激活位置密度、空位浓度、位错 上割阶的平均间距、位错柏氏矢量、原子配位数、跃迁频率以及激活熵有关的函数h 。 为了研究材料在变形时的力学行为，还应了解与应变速率和温度有关的流变应力 仃的变化规律。从式( 3 - 9 ) 可以推出： 7 、l n s i n h ( a a ) 2 ( 3 - 1 0 ) 根据双曲正弦函数的定义，应有： s 川( 口盯) 乩b ( a o - 2 + 1 ) 1 ( 3 _ 1 1 ) 2 7 ， 拈掷舻防+ ，阳 协，2 ， ( 图3 利- 1 用) o 热模拟实验机提供的硬件分析功能，直接获得真应力真应变( 莎 ( a ) 6 0 0 ： 图3 - 1 - 号然溉眦( 蝴d ) 7 5 0 c 1 号合金在不同变形条莓下嚣嚣。 2 8 g ) 曲线 中南人学碗士学位论文 蒴章台会高温变形模拟实验研究 刚巨31 所示的真实口s 曲线可知，台金在6 5 0 一8 和( j 1s 1 0 s 范围内变 形对均发。t 了动态再结晶”“。其中，对十1 号合余变形温度为8 5 0 。c 、变形述率为 1 0 s 时稳态流变血力为1