交变磁场对塑性变形后铝合金微观结构的影响.pdf

第6 2 卷第2 期 2010 年5 月 有色金属 N O n f e r r o u sM e t a | s V 0 1 ．6 2 ．N o ．2 M a y2010 交变磁场对塑性变形后铝合金微观结构的影响 张燕玲4 ，陈革新8 ，任兴利“，付宇明8 燕山大学a 机械工程学院b 建筑工程与力学学院，河北秦皇岛0 6 6 0 0 4 摘要通过Q J c 一1 强交变磁场发生器采用实验方法研究热塑性变形后．L Y i 2 铝合金试件在强交变磁场作用前后的微观组 织变化。对交变磁场作用前后微观组织进行对比，分析磁处理前后铝合金x 射线衍射用谱．依据交变磁场引起的磁致振动和磁致 收缩效应规律，分析交变磁场导致热塑性变形后L Y l 2 铝合金组织细化的组织动力学因素。结果表明，强交变磁处理是一种有效 的非热处理型处理方法，强交变磁处理使热塑性变形后金属微观组织产生交变形变，细化了金属微观组织。 关键词金属材料；铝合金；交变磁场；微观组织；热成形 中图分类号T G l 4 6 ．2 1 ；0 3 4 6 ．1文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 1 0 0 2 0 0 2 0 0 4 近2 0 年来的研究表明，在强磁场作用下，金属 凝固组织会发生有利于细化晶粒，改善组织结构的 变化，引起了学者们的广泛关注。1 。国外有实践 表明，磁处理能大大提高各种机加工刀具的使用寿 命，国内清华大学等院校开展了这方面研究工 作“ “J 。关于采用强交变磁场对热塑性成形后金属 性能影响的研究目前进行较少。在热塑性成形过程 中，金属的微观组织会发生改变，晶粒、杂质及各种 缺陷将沿最大延伸主变形方向被拉长、拉细，而形成 纤维方向的强度高于材料其他方向的强度，材料表 现出不同程度的各向异性，产生的变形结构组织将 形成缠结。 强交变磁处理是一种崭新的非热处理型处理方 法，能整体提高材料的强韧性能，强的交变磁场处理 使金属微观组织产生交变形变 一种伸长和压缩的 反复形变过程 ，合适的磁场下可以实现组织细化， 并打碎塑性成形过程中产生的枝状晶，进而提高塑 性变形后金属的力学性能“ 。6 1 。在研究中发现，对 发生热塑性变形后的L Y l 2 硬铝合金试件进行强交 变磁场处理，均匀化了组织缠结，细化了晶粒，改善 了L Y l 2 铝合金热塑性成形后的组织性能。 收稿日期2 0 0 8 一o l 0 3 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 6 7 5 1 9 0 作者简介张燕玲 1 9 6 7 一 ，女，河北乐亭县人．实验师，主要从事 强磁场对金属微观组织及性能影响等方面的研究。 联系人付字明 1 9 7 1 一 ，男，吉林洮南市人，副教授，博士．主要 从事磁弹性、热磁弹性基础及应用方面的研究。 1强交变磁处理实验 1 ．1 试样制备 在数控机床上加工尺寸如图1 所示的L Y l 2 铝 合金试件8 个。L Y l 2 铝合金试件的化学成分如表 1 所示。试件加工完成后进行精细打磨，并加热到 3 5 0 ℃，然后随炉缓慢冷却，完全消除残余应力。 表1L Y l 2 试件的化学成分 T a b l e1 C h e m i c a lc o m p o s i t i o no fL YI2 些坌 生 竺竺兰 型 含量／％0 ．5 0 ．54 ．60 ．61 ．40 ．30 ．1 50 ．1 辞蜊毋 屯藉 书一生痧卡卜 E 篁萎 r 图l 试件图 F i g ．1 T e s tp i e c e s 1 ．2 热塑性成形 将去除残余应力的试件在W D W 3 1 0 0 微机控制 电子万能试验机上进行热拉伸塑性变形，该试验机 是配备全数字测量控制及计算机自动处理系统的新 型试验机。将8 个L Y l 2 试件分为二组，每组4 个 试件。退火处理的铝合金L Y l 2 最大热变形量可达 1 5 ％，但由于试件尺寸小，为防止拉裂，各组试件拉 伸时采用相同的速度为0 ．1 m m ／m i n ，以较慢的速度 进行加载“ 】。拉伸实验中利用万能试验机平头卡 万方数据 第2 期 张燕玲等交变磁场对塑性变形后铝合金微观结构的影响 2 l 头装卡，严格控制变形量为1 0 ％，以确保发生塑性 变形。为进行实验效果的对比分析，8 个试件要求 保证相同的变形量和变形温度。 实验中设定，热塑性成形温度定为4 5 0 ℃。同 时，由于试件尺寸较小，为防止试件接触室温下的卡 具而迅速降温，在加热试件时，利用散热器同时对卡 具进行加热，使得卡具温度在4 5 0 ℃左右，使用红外 测温仪进行温度监测。 将经过热塑性变形后的第一组4 个试件直接放 置于室温环境下进行空冷，保证空冷与磁处理相同 时间，均为6 0 m i n ，然后进行组织切片，进行金相显 微分析。第二组试件在热塑性成形到规定变形量 后，通过自制的卡具放置于强交变磁场中进行磁处 理，4 个试件依次重复加热一热塑性成形一磁处理 三个过程。 1 ．3 热交变磁处理 Q J C 一1 强交变磁场发生器如图2 所示。该设 备为自行研制，通过接线的改变，可以产生交流交变 磁场和直流磁场，它的工作频率可以通过P I 一1 6 8 变频器进行调节，设定频率为2 0 H z ，交变磁场强度 为1 ．2 T ，磁处理时间为6 0 m i n 。利用试件上的工艺 孑L 通过螺钉进行联接，将第二组试件装卡于自制的 磁处理卡具上。要求通过卡具将试件牢固地放置于 Q J C 一1 强交变磁场发生器中，如图3 所示。 图2Q J C - 1 强交变磁场发生器 F i g ．2Q J C - 1a l t e r n a t i n gm a g n e t i cf i e l dg e n e r a t o r 2 微观分析 2 ．1 微观组织变化 对仅经过单向热拉伸的第～组铝合金试件进行 微观组织分析，发现塑性变形后，铝合金试件内部形 成了交替的高密度组织区和低密度组织区，分布不 均匀，并形成了明显的枝状晶成形组织，显微图片如 图4 所示。图5 为热通磁处理后的第二组铝合金试 件微观组织状态，从图5 可以看到，在外加强交变磁 场的作用下，金属组织明显均匀化了，原来由于塑性 图3 置于强交变磁场中的热成形后L Y l 2 试件 F i g ．3S p e c i m e ni ns t r o n ga l t e r n a t i n gm a g n e t i cf i e l d 图4 耒通磁处理试件的微观组织 F i g ．4 S t r u c t u r eo fs p e c i m e nn om a g n e t i ct r e a t m e n t 变形产生的纤维状变形组织均匀化了，改善了组织 结构，并打碎了原来在热塑性成形过程中形成的枝 状晶。分析原因强交变磁处理作用下，对微观组织 脱离缠结是有利的，磁处理时运动的磁畴可以促使 微观组织发生微量移动‘74 1 。 在外加磁场力作用下，材料还发生了其他有利 的变化，由于单向拉伸热塑性变形引起的变形抗力 得以减小，降低了加工硬化，使得金属流动性得到提 高，为继续深度塑性变形提供了良好的条件，进而降 低了成形后的缺陷”“。，即磁处理后可以减少成形 缺陷和防止拉裂。 2 ．2 X 衍射图谱 在交变磁处理前后的试件中部沿垂直轴线的横 断面取样，经过砂纸打磨，机械抛光后在B D 8 6 型衍 射仪做x 射线检测。仪器的工作条件为用铜靶X 射线管，工作电压4 0 k V ，管电流1 0 0 m A ，发散狭缝光 阑1 。，狭缝光阑0 ．3 。，连续扫描测量，扫描速度6 。／ m i n ，2 0 测量范围2 0 。到1 2 0 。，采用J a d e 5 软件分析 各衍射线的2 口角和相对强度，结果如图6 所示。由 图6 可以看出，热塑性成形后L Y l 2 铝合金经过强 交变磁处理后的 11 1 晶面、 2 2 2 晶面所对应的峰 值强度较仅经过热塑性成形情况都下降了。研究表 万方数据 2 2 有色金属 第6 2 卷 图5 通磁后试件的微观组织 F i g ．5 S t r u c t u r eo fs e c i m e na f t e rm a g n e t i ct r e a t m e n t 明，在强交变磁场作用下，在各个面上择优取向变弱 了，金属组织更趋于均匀化，强交变磁处理达到了均 匀组织的目的。 三 一 苈 山 U 越 爱 图6L Y l 2 铝合金X 射线衍射图谱 F 培6X r a yd i f f r a c t i o no fL Y l 2a l l o y 2 ．3 X 衍射晶粒尺寸检测 金属材料在热塑性加工及磁处理等过程中，不 仅产生金相显微组织的变化，并且伴随有点阵畸变， 亚晶粒细化及层错等微观方面的一些变化。这些微 观变化使材料的x 射线衍射谱线线形加宽，峰值位 移及峰形出现不对称。测定谱线线形的一些变化以 计算材料中点阵畸变、亚晶细化等[ 12 】。实验中，通 过细晶粒大小与衍射谱线宽化之间的关系式，即P ． 谢乐 S c h e r r e r 推导的“谢乐公式”，求得强交变磁 处理前后的L Y l 2 铝合金晶粒尺寸，m K A ／ D c o s 0 ，式中D 一细晶粒尺寸；m ．晶粒细化引起的 线形宽度 单位为弧度 ；A - X 射线波长；K ．晶面指 数，一般认为值接近于1 。 通过计算，得到交变磁处理前后的细晶粒尺寸 如图7 所示，从图7 可知，经过交变磁处理，细晶粒 尺寸较未经过交变磁处理的品粒小6 0 ％。 3交变磁处理后组织细化的作用机理 在固态金属中，原子失去价电子成为离子，没有 磁场作用，仅在温度场作用下这些离子的热运动速 度是随机的、任意的。有磁场B 存在时，速度”分解 为垂直于磁场的分量”．和平行于磁场的分量v ／／。 以速度∥．运动的带电荷为q 的离子与日相作用，产 生洛仑兹力厂 q v l B 。带电荷为q 的粒子在磁场 作用下绕磁力线运动，由于各粒子质量和带电量不 同，导致它们的回转半径不同，因此，磁场作用使得 各粒子对基体产生了相对运动，同时由于交变磁场 产生的磁力反复交变，导致磁致振动产生，这种运动 使得粒子在铝基体中的扩散增强了“。 另外，交变磁场将产生磁致收缩效应，导电体 L Y l 2 会出现向其中心轴收缩的现象，即磁致收缩效 应【14 | 。在磁压力的作用下，L Y l 2 组织反复被压缩 不断地前进和后退 。铝合金组织的这种运动，将 对原子的扩散产生影响，抑制晶核长大，打碎树枝 晶。对于磁致收缩效应的进一步作用机理目前还在 深入研究中。 在强大交变磁场作用下，以及热塑性变形后金 属本身自由能增加等因素，将使得交变磁场作用后 组织实现了细化。 ’ 3 l l E 2 5 2 f J 量1 5 粲l J 堙 j 0 A ．交变磁处理后的试样；B 一未经磁处理的试样 图7 磁处理前后细晶粒尺寸 F i g ．7 D i m e n s i o n so fg r a i nb e f o r ea n da f t e r m a g n e t i ct r e a t m e n t 4结论 对发生热塑性变形后的铝合金试件进行强交变 磁场处理后，均匀化了热塑性变形引起的纤维状变 形组织，细化了晶粒，打碎了枝状晶，改善了L Y l 2 铝合金的组织性能，但其作用机理的定量分析还有 待于进一步深入研究。 万方数据 第2 期张燕玲等交变磁场对塑性变形后铝合金微观结构的影响 参考文献 [ 1 ] 王艳．直流磁场作用下A I ．1 8 S i 合金的凝固行为[ J ] ．金属学报，2 0 0 0 ，3 6 2 1 5 9 1 6 1 ． [ 2 ] R a d j a iA ，M i w aK ．E f f e c t so ft h ei n t e n s i t ya n df r e q u e n c yo fe l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o n so nt h em i c r o s t r u c t u r a lr e f i n e m e n to f h y p e r e u t e e t i eA I S ia l l o y s [ J ] ．M e l tM a tM a t e rT r a n sA ，2 0 0 0 ，3 1 4 7 5 5 7 6 2 ． [ 3 ] K o c hCC ．E x p e r i m e n t a le v i d e n c ef o rm a g n e t i co re l e t r i cf i e l de f f e c t so np h a s et r a n s f o r m a t i o n s [ J ] ．M a t e rS c iE n g ，2 0 0 0 ，A 2 8 7 3 2 1 3 2 1 8 ． [ 4 ] 王西宁，刘 铮．磁场对材料固态相变影响的研究进展[ J ] ．材料导报，2 0 0 2 ，1 6 2 2 5 2 7 ． [ 5 ] 任福东．9 S i C r 钢磁场等温淬火新工艺的研究[ J ] ．金属热处理，1 9 9 3 ，1 5 5 2 3 2 5 ． [ 6 ] T a n gF ，L uAL ，F a n gHZ ．E f f e c to fm a g n e t i ct r e a t m e n tO i lm a g n e t o s t r i e t i v eb e h a v i o ro fH T 7 0s t e e l [ J ] ．M a t e rS c iE n g ，1 9 9 8 ， A 2 4 8 1 1 9 8 1 0 3 ． [ 7 ] 訾炳涛，王辉．脉冲磁通量密度和L o r e n t z 力的数值模拟[ J ] ．稀有材料与工程，2 0 0 3 ，3 2 9 6 8 9 6 9 2 ． [ 8 ] 訾炳涛，崔建忠．脉冲电流和脉冲磁场作用下L Y l 2 铝合金凝固组织的比较[ J ] ．热加工工艺，2 0 0 0 ，2 8 4 3 5 ． [ 9 ] C a tZP ，L i nAJ ，Z h o uAL - E v a l u a t i o no fe f f e c to fm a g n e t o s t r i c t i o no nr e s i d u a ls t r e s sr e l i e fb yp u l s e dm a g n e t i ct r e a t m e n t [ J ] ． M a t e r i a l sS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，2 0 0 4 ，2 0 1 2 1 5 6 3 1 5 6 6 ． [ 1 0 ] 林健，赵海燕．磁处理对铁磁性材料力学性能的改善[ J ] ．机械丁程材料，2 0 0 5 ，2 9 5 5 8 ． [ 11 ] L oc cH ，J i l e sDC ，M i n aM ，e ta 1 ．E v a l u a t i o no ft h ee f f e c t so fp u l s e dm a g n e t i cf i e l dt r e a t m e n ta san o n d e s t r u c t i v et r e a t m e n t f o rm a g n e t i cm a t e r i a l s [ J ] ．M a t e r i a l sE v a l u a t i o n ，2 0 0 2 ，6 0 8 9 7 l 一9 7 5 ． [ 1 2 ] 班春燕，巴启先．磁场作用下铝合金的微观结构[ J ] ．东北大学学报，2 0 0 2 ，2 3 8 7 7 9 7 8 3 ． [ 1 3 ] 顾晓安，许庆新．磁性材料在磁场中所受磁场力的数学模型[ J ] ．噪声与振动控制，2 0 0 2 ，2 1 8 1 0 1 1 ． [ 1 4 ] M i c h e lIM o l o t s k i i ．T h e o r e t i c a lb a s i sf o re l e c t r oa n dm a g n e t op l a s t i c i t y [ 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 gA ，2 0 0 0 ，2 8 9 1 0 2 4 8 2 5 8 ． I n f l u e n c eo fA l t e r n a t eM a g n e t i cF i e l do nA l u m i n i u mA l l o yM i c r o s t r u c t u r e a f t e rT h e r m a lP l a s t i cF i g u r a t i o n Z H A N GY a h l i n 9 8 ，C H E NC , e ．x i n 8 ，R E NX i n g l i “，F UY u m i n g ‘ a ．S c h o o lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ，b ．S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dM e c h a n i c s ， Y a n s h a nU n i v e r s i t y ，Q i n h u a n g d a o0 6 6 0 0 4 ，H e b e i ，C h i n a A b s t r a c t T h em i c r o s t r u c t u r et r a n s f o r m a t i o ns i t u a t i o nb e f o r ea n da f t e rp o w e r f u la l t e r n a t em a g n e t i cf i e l dt r e a t m e n ti nL Y12 a l u m i n u ma l l o ys a m p l ei si n v e s t i g a t e db ye x p e r i m e n t a lm e t h o du s i n gt h ep o w e r f u la l t e r n a t em a g n e t i cf i e l dg e n e r a t o r Q J C - 1 ．M i c r o s t r u c t u r e sa r ec o m p a r e da n dt h eXr a d i a ld i f f r a c t i o np a t t e r n sa r ea n a l y z e d ．A c c o r d i n gt ot h em a g n e t i c v i b r a t i o na n ds h r i n k a g ee f f e c tr u l e ，t h ed y n a m i ce l e m e n t sr e s u l t i n gi nm i c r o s t r u c t u r ef i n e da r ea n a l y z e dont h eL Y l 2 a l u m i n u ma l l o ym i c r o s t r u c t u r ea f t e rt h e r m a lp l a s t i cf i g u r a t i o n ．T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep o w e r f u l a l t e r n a t em a g n e t i cf i e l dt r e a t m e n ti sa na b s o l u t en e wm e t h o dw i t h o u th e a tt r e a t m e n t ，w h i c hg e n e r a t ea l t e r n a t em e t a l m i e r o s t r u c t u r ea f t e rt h e r m a lp l a s t i cf i g u r a t i o nt r a n s f o r m a t i o n ，t h u st h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ea l l o yi sf i n e d ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；a l u m i n u ma l l o y ；a l t e r n a t em a g n e t i cf i e l d ；m i c r o s t r u c t u r e ；t h e r m a lp l a s t i cf i g u r a t i o n 万方数据