電磁成形金屬材料的微觀結構與性能研究.pdf

1、電磁成形技術可顯著改善金屬材料成形性能，被認為是能夠突破輕質合金塑性加工瓶頸的新興高速成形技術。與常規(guī)準靜態(tài)成形技術相比，電磁成形具有的高應變速率及非接觸式成形等特點使材料在成形過程中表現(xiàn)出特殊的塑性流動行為和微觀組織特征，這將對成形零件的服役性能產生直接的影響。然而，關于電磁成形金屬材料微觀組織及力學性能的研究卻少有報道。本文以電磁成形金屬材料(5xxx系鋁合金、工業(yè)純銅及20＃鋼)為研究對象，利用光學顯微鏡(OM),掃描電子顯微鏡(

2、SEM)，電子背散射衍射系統(tǒng)(EBSD)，X射線衍射儀(XRD)，透射電子顯微鏡(TEM)，單向拉伸實驗(Uniaxial Tensile Test)和納米壓痕(Nano Indenter)等手段對金屬材料在電磁成形過程中的變形行為，微觀組織及力學性能的演變進行了系統(tǒng)研究和分析，試圖揭示各種微觀組織形態(tài)的形成機理及物理本質。
　　以退火態(tài)5A02鋁合金管材為對象，研究了電磁自由脹形條件下鋁合金的變形行為和微觀組織演變規(guī)律。實驗結果

3、表明：管材塑性變形較為均勻,電磁成形樣品中的微結構特征以高密度位錯帶和位錯墻為主,變形晶粒微觀取向差隨著應變的增大而增大?？棙嫹治鲲@示α(<011>||ND)織構隨著應變的增大而增加，β取向線上的黃銅織構也隨應變的增大而增加，而銅型織構和 S織構卻逐漸減少。理論分析認為電磁成形具有的高應變速率及合金中溶質原子(5A02鋁合金的主要溶質原子為 Mg)與位錯之間的相互作用是影響位錯組態(tài)的主要因素。在電磁脹形所產生的雙向拉伸應力作用下材料中的

4、各取向成分向更為穩(wěn)定的取向旋轉。此外，對電磁成形后鋁合金的力學性能測試表明，電磁成形件表現(xiàn)出了顯著的應變強化效應，分析表明高速變形產生的高密度位錯邊界對后續(xù)變形過程中位錯運動的阻礙作用是電磁脹形件的主要強化機制。
　　選取5A02和5A06兩類Al-Mg合金板材為對象，研究了應變量和Mg元素含量對電磁成形鋁合金微觀組織演變的影響。結果表明，隨著塑性應變量和合金中 Mg含量的增加鋁合金板材在電磁成形過程中的位錯滑移模式由波滑移向平面

5、滑移轉變，成形件中的位錯分布更為均勻。分析表明鋁合金在高速成形過程中，運動位錯在繞過林位錯時不斷“捕捉”固溶在基體中的Mg原子，在位錯核心區(qū)形成溶質原子氣團阻礙了位錯運動，并抑制了位錯之間的相互作用，最終使得位錯分布趨于均勻化。同時，材料中溶質原子的聚集形成的大量短程偏聚結構(short-range clustering, SRC)，其與運動位錯之間相互作用而產生的滑移面軟化效應是引起合金材料平面滑移模式出現(xiàn)的原因。
　　以具有中

6、等層錯能的工業(yè)純銅板材為對象，研究了其在電磁自由脹形條件下的微觀組織演變及塑性變形機理。結果表明純銅在電磁成形過程中的塑性變形為位錯滑移機制，且孿晶密度隨著應變的增大而減少，這與其在其他高速變形過程表現(xiàn)出的機械孿生變形機制明顯不同。電磁成脹形Cu板中以等軸狀位錯胞結構為主，且位錯胞尺寸和胞壁寬度均隨應變的增大而減小，胞壁取向差則隨著應變的增大而增大。分析認為電磁成形過程中，純銅板材所受的沖擊載荷較小，使得全位錯比不全位錯更易在變形過程中

7、形核，這是材料表現(xiàn)出位錯滑移機制的主要原因。同時板材脹形過程中的高應變速率和雙向拉伸應力狀態(tài)有利于多滑移系同時開動，促使晶粒內位錯胞結構的產生。根據(jù)Holt模型，變形過程中位錯胞尺寸的減小歸因于材料位錯密度的增加。隨著塑性變形的進行，位錯邊界不斷“捕捉”新的位錯，位錯邊界內高密度位錯之間的相互作用使得胞壁寬度減小，而取向差增大。
　　最后，我們采用磁脈沖焊接的方式，實現(xiàn)了3A21鋁和20＃鋼的冶金結合，并深入研究了焊接界面的微觀組

8、織結構及形成機理。實驗結果顯示，焊接界面呈波紋狀且母材之間有中間過渡層生成。透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，界面中間層主要包括兩個區(qū)域：(1) Al(Fe)固溶體和少量Al13Fe4金屬間化合物組成的納米晶區(qū)；(2)含非晶結構的“過渡”區(qū)。這也是首次在金屬材料磁脈沖焊接界面處發(fā)現(xiàn)非晶結構相。鋁、鋼焊接界面附近均出現(xiàn)了亞微米級的超細晶組織。中間層的形成表明焊接界面處發(fā)生的了熔化和快速凝固過程，電磁力誘導的鋁合金與鋼之間的高速碰撞是引起這一微觀組織結構形