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第5 8 卷第2 期 2 0 06 年5 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 8 ．N O ．2 M a v2 006 E C A P 结合热处理工艺改性2 2 2 4 铝合金 张焱1 ，郑立静2 ，钱存富1 ，曾梅光1 1 ．东北大学理学院，沈阳 1 10 0 0 4 ； 2 ．北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京 10 0 0 8 3 摘要研究应用E C A P 法与热处理工艺相结合的方法改性2 2 2 4 铝合金的过程，对改性2 2 2 4 铝合金的力学性能及显微组 织进行比较分析。结果表明，退火态2 2 2 4 铝合金经E C A P 挤压后，进行固溶和时效处理，明显提高了合金的力学性能，细化了合 金的晶粒。与通常的变形2 2 2 4 铝合金相比，改性2 2 2 4 铝合金更有实际应用价值。 关键词金属材料；2 2 2 4 铝合金；E C A P ；固溶处理；自然时效 中图分类号T G l 4 6 ．2 1 ；T G 3 7 9 ；T G l 5 6文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 6 0 2 0 0 1 5 0 3 等通道挤压法 E C A P 是由前苏联专家S e g a l 和他的同事所提出来的，他们设计了这样一种模具， 模具中有两个横截面积相等、互成声角的通道。试 样在压力作用下，由一个通道挤到另一个通道过程 中，经过两通道交界面时，受到剪切力的作用，产生 剧烈的塑性变形，而挤出的试样由于横截面积不变， 可实现反复挤压，由此获得更佳的材料性能uJ 。因 此该技术很受关注，已被应用于C u ，N i ，A 1 及A l 合 金等[ 2 _ 9 ] 。采用E C A P 与热处理相结合的工艺，选 用三种不同的挤压路径，研究处理过程对2 2 2 4 铝合 金综合性能的影响。 1实验方法 选用2 2 2 4 铝合金，原始材料为挤压型材，经机 械加工成直径为8 m m ，长度为5 5 r a m 的棒状试样， 其化学成分 质量百分数 是C u4 ．1 5 ，M g1 ．4 7 ，M n 0 ．5 7 ，F e0 ．0 6 5 ，S i0 ．0 7 ，其余为A l 。 挤压模具如图1 所示。其中两个通道的交角夺 加工成1 2 0 。，通道交接处外弧度‘I J 为6 0 。。这样，中 山 1 8 0 。，实现了通道内截面积处处相等。 挤压试验在3 0 t 液压式万能实验机上进行。挤 压之前，分别在通道的内壁和试样的表面涂一层 M o S 2 润滑油，以减小模具内壁与试样表面接触部位 的摩_ 擦。挤压次数控制为4 次，挤压速度大约在 0 ．5 m m ／s 。采用电镜观察和拉伸试验对挤压后 2 2 2 4 合金的显微组织和力学性能进行分析。电镜 收稿日期2 0 0 4 1 2 一0 2 作者简介张焱 1 9 7 2 一 ，男，浙江宁波市人，工程师，硕士耋，主要 从事亚微晶铝合金的制备和显微结构与力学性能等方 面的研究。 图1E C A P 挤压模具示意 F i g ．1 S c h e m eo fE C A Pd i e 观察在J E O L 一2 0 0 X T E M 上进行，加速电压为 1 0 0 k V 。拉伸试验用A G 一1 0 T A 型电子拉伸试验机。 采用的处理工艺为4 1 0 ℃／l h 退火十E C A P 1 ～3 次 4 9 0 ℃／3 0 r a i n 固溶处理 E C A P 1 次 8 d 自然时效。对于2 2 2 4 铝合金，采取三种挤压路 径路径A ，样品每次挤压时按原方位放入模具进行 下一道挤压；路径B ，样品每次挤压时旋转9 0 。；路径 C ，样品每次挤压时旋转1 8 0 。。 2试验结果与讨论析 图2 和图3 分别是2 2 2 4 铝合金在不同挤压路 径下的抗拉强度和延伸率随挤压次数增加而变化的 情况。可以看出，将退火态的2 2 2 4 铝合金等通道角 挤压后立刻进行固溶处理，然后再次挤压并自然时 效，其力学性能显著改善。采用路径A ，合金的抗拉 强度由未E C A P 的2 4 6 ．8 M P a 提高到5 4 6 ．3 M P a ，延 伸率由2 2 ．2 ％降到1 7 ．3 ％。采用路径B 抗拉强度 万方数据 1 6有色金属第5 8 卷 提高到5 6 8 ．2 M P a ，延伸率为1 4 ％。采用路径C 抗 拉强度提高到5 5 6 ．7 M P a ，延伸率降为1 2 ．1 ％。三 种挤压路径使合金的强度均有大幅度提高，最少的 增加3 0 0 M P a ，最多达3 2 0 M P a ，增加1 ．3 倍。这对 于2 2 2 4 合金的应用前景具有重要的现实意义。比 较三种不同的挤压路径，对于抗拉强度来说，挤压路 径B 挤压路径C 挤压路径A ，即当模具的中 1 2 0 。时，试样每次挤压旋转9 0 。提高2 2 2 4 合金强度 最有效，其次是旋转试样1 8 0 。。而对于合金的塑性 来说，挤压路径A 挤压路径B 挤压路径C ，即每 次挤压时保持试样方向不变对提高塑性最有效，其 次是旋转试样9 0 。。综合相比，挤压路径B 对提高 2 2 2 4 合金的力学性能来说最有效。 重 越 疆 龚 术 ＼ 碍 垂 制 图2 抗拉强度咖和挤压次数的关系 F i g ．2R e l a t i o n s h i po fu l t i m a t et e n s i l e s t r e n g t ha n dp r e s s i n gt i m e s 图3 延伸率和挤压次数的关系 F i g ．jR e l a t i o n s h i po fe l o n g a t i o nr a t ea n dp r e s s i n gt i m e s 2 2 2 4 铝合金宏观力学性能的改善与其显微组 织的改变密不可分。 图4 是2 2 2 4 合金退火原始样的电镜照片，由图 4 可见，视场内大晶粒晶界明显，晶粒内部位错很 少，析出相呈针状，晶粒尺寸约为3 t z I T I 。图5 是 2 2 2 4 合金经过3 次挤压并自然时效的电镜照片，挤 压路径为B 。合金内大部分晶粒呈等轴形，平均晶 粒尺寸为0 ．5 , a m ，第二相呈球形，尺寸细小，弥散地 分布在晶界上。同图5 相比，图6 多了固溶处理和 一次E C A P 挤压。图6 a 中已经看不出晶粒的痕 迹，都是滑移带，而且剪切带内出现了一些非常细小 的析出相，如图6 b 所示。剪切带的宽度大约 0 ．5 , u r n ，分布比较密，剪切带内分布着细小而密集的 位错网状结构，再加上许多细小的第二相颗粒，因而 可以看出固溶后经过再挤压的合金强化效果明显。 结果表明，E C A P 与固溶、时效相结合改善了合金的 综合性能。 图42 2 2 4 退火态原始样 F i g ．4O r i g i n a l2 2 2 4a f t e ra n n e a l i n g 图5 退火态2 2 2 4 经过3 次挤压并自然时效样 F i g ．5 A n n e a l e ds a m p l ea f t e r3p a s s e s o fp r e s s i n ga n da g i n g 万方数据 第2 期张 焱等E C A P 结合热处理工艺改性2 2 2 4 铝合金1 7 3结论 图6 退火态2 2 2 4 经过3 次挤压、固溶处理和再次挤压并自然时效样 F i g ．6 A a n n e a l e ds a m p l ea f t e r3p a s s e so fp r e s s i n g ，s o l u t i o nt r e a t m e n t ，p r e s s i n ga g a i na n da g i n g 1 E C A P 配合固溶时效处理可以明显改善 2 2 2 4 铝合金的力学性能，所采用的三种路径中，综 参考文献 合比较挤压路径B 最优，抗拉强度提高3 2 0 M P a 。 2 E C A P 明显细化了晶粒，2 2 2 4 铝合金经3 次 挤压后晶粒由原来的3 肛m 减小到0 ．5 ／z m 。 [ 1 ] S e g a lVM ．M a t e r i a l sp r o c e s s i n gb ys i m p l es h e a r [ J ] ．M a t e r i a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，1 9 9 5 ，A 1 9 7 2 1 5 7 1 6 4 ． [ 2 ] S e g a lVM ．E q u a lc h a n n e la n g u l a re x t r u s i o n f r o mm a c r o m e c h a n i c st os t r u c t u r ef o r m a t i o n [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r ． i n g ，1 9 9 9 ，A 2 7 1 1 ／2 3 2 2 3 3 3 ． [ 3 ] 1 w a h a s h iY ，F u r u k a w aM ，H o r i t aZ ，e ta 1 ．M i c r o s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fu k r a f t n e - g r a i n e da l u m i n u mp r o d u c e du s i n ge q u a l ． c h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g [ J ] ．M e t a l l u r g i c a la n dM a t e r i a l sT r a n s a c t i o n sA ，1 9 9 8 ，2 9 8 2 2 4 5 2 2 5 2 ． 【4 ] Y a m a g u c h iD ，H o r i t aZ ，N e m o t oM ，e ta 1 ．S i g n i f i c a n c eo fa d i a b a t i ch e a t i n gi ne q u a l c h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g [ J ] ．S c r i p t aM a t e r i a l s ，1 9 9 9 ，4 1 8 7 9 1 7 9 6 ． [ 5 ] M a t s u k iK ，A i d aT ，T a k e u e h iT ，e ta 1 ．M i c r o s t r u c t u r ea n dm e e h a n i c a Jp r o p e r t i e so f 2 0 2 4 A I F e N iP Ma l l o y sc o n s o l i d a t e db ye q u a Ic h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c eF o r u m ，2 0 0 0 ， 3 3 1 3 3 7 1 2 1 5 1 2 2 0 ． 【6 ] N i s h i d aY ，A r i m aH ，K i mJC ，e ta 1 ．R o t a r y d i ee q u a l c h a n n e la n g u l a rp r e s s i n go fa nA I 一7 m a s s ％S i 一0 ．3 5 m a s s ％M ga l l o y [ J ] ． S c r i p t aM a t e r i a l s ，2 0 0 1 ，4 5 3 2 6 1 2 6 6 ． 【7 ] S t o i c aGM ，L i a wPK ．P r o g r e s si ne q u a l c h a n n e la n g u l a rp r o c e s s i n g [ J ] ．J O M ，2 0 0 1 ，5 3 3 3 6 4 0 ． 【8 ] W uY ，B a k e rI ．A ne x p e r i m e n t a ls t u d yo fe q u a lc h a n n e la n g u l a re x t r u s i o n [ J ] ．S c r i p t aM a t e r i a l s ，1 9 9 7 ，3 7 4 4 3 7 4 4 2 ． [ 9 ] L e eDN ．A nu p p e r b o u n ds o l u t i o no fc h a n n e la n g u l a rd e f o r m a t i o n [ J ] ．S c r i p t aM a t e r ，2 0 0 0 ，4 3 2 1 1 5 1 1 8 ． 2 2 2 4A l u m i n u mA l l o yM o d i f i c a t i o nb yE C A PC o m b i n e dw i t hH e a t - t r e a t m e n t Z H A N GY a n l ，Z H E N GL i - j i n 9 2 ，Q I A NC u n 一 1 ，Z H E N GM e i g u a n 9 1 1 ．C o l l e g eo J ’S c i e n c e ，N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ，S h e n y a n g11 0 0 0 4 ，C h i n a ；2 ．S c h o o lo l ’M a t e r i a l s S c i e n c e8E n g i n e e r i n g ，B e O i n gU n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c sa n dA s t r o n a u t i c s ，B e O i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h e2 2 2 4a l u m i n u ma l l o ym o d i f i c a t i o np r o c e s sb ye q u a lc h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g E C A P c o m b i n e dw i t h h e a t t r e a t m e n ti si n v e s t i g a t e d ，a n dt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ep r o c e s s e d2 2 2 4a l u m i n u m a l l o ya rea n a l y z e da n dc o m p a r e d ．I ti ss h o w nt h a tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa n n e a l e ds a m p l eo f2 2 2 4a l u m i n u ma l l o ya r ei m p r o v e db yt h ec o m b i n a t i o no fs o l i ds o l u t i o na n da g i n gt r e a t m e n ta f t e rE C A P ，t h es i z eo fg r a i n i sr e f i n e d ．C o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a la l l o y ，t h em o d i f i e d2 2 2 4a l u m i n u ma l l o yh a ss i g n i f i c a n ti m p o r t a n c ef o r p r a c t i c a la p p l i c a t i o n ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；2 2 2 4a l u m i n u ma l l o y ；E C A P ；s o l i ds o l u t i o nt r e a t m e n t ；n a t u r a la g i n g 万方数据