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铝型材挤压淬火过程中的组织变化

铝型材淬火加热保温都是在再结晶温度以上进行的。根据再结晶的形核、长大理论,变形金属加热到再结晶温度以上时,将会在变形基体上形成再结晶核心,长大,完成再结晶。

但是在铝型材淬火过程中,再结晶的情况是比较复杂的。根据合金和挤压加工条件的不同,淬火时,可能发生再结晶,也可能不发生再结晶,在同一工件上,一部分发生再结晶并长成大晶粒组织,而另一部分则完全不发生再结晶,仍然保留着原来的加工组织,形成有明显分界的粗晶环。

铝型材淬火组织的这种差异是在什么条件下产生的,如何控制或减小这种差异,下面来讨论这个问题。为了方便,先简要地介绍一下再结晶的两种形核机制:

(1)应变诱发晶界迁移机制,即晶界弓出形核机制。变形量较小(约小于40%)时,变形不均匀,各晶粒间的位错密度互不相同,晶界两侧胞状组织的大小也不一致,加热时可能于大角度晶界的某一小段错密度大的一侧弓出;弓出区域即成为再结晶晶核长大。

(2)亚晶工大形核机制。在加热升温过程中,开始温度较低,处于回复阶段,亚晶与亚晶合并,或亚晶界迁移长大。亚晶长大时,原来分属于各亚晶界的同号位错集中在长大的亚晶界上,使位向差增大,逐渐成为大角度晶界,致晶界迁移速度突增,长大的亚晶即成为再结晶核心,开始再结晶过程。

再结晶晶核是无畸变的新晶区,能量低;而晶核周围的基体仍处于高能量的变形状态,新晶区与原变形区之间的储能差是晶界迁移的驱动力。晶核形成后,晶界就会在驱动力的作用下向周围的变形基体推进,使晶核逐渐长大。当变形基体完全为无畸变的新晶粒所取代时,再结晶过程完成。

本书所讲的挤压都是在热状态下的挤压变形。热挤压变形的特点,一是变形程度大,一般变形率在80%-95%;二是铸锭、工、模具都处于热状态下,温度较高,在塑性变形锥内,因变形热,温度更高,可能发生动态回复,产生亚晶与亚晶合并,或亚晶迁移长成再结晶核心,并随之长大而形成再结晶晶粒。实际上在一定条件下,快速挤压6×××系工业铝型材时,可观察到挤压后的再结晶晶粒。在之后淬火加热时,除发生第二相溶解于固溶体的相变外,同时在原有再结晶核心基础上成长为再结晶晶粒;或使原有再结晶晶粒二次长大而成为大晶粒,于是铝型材断面呈大小不很均匀的再结晶晶粒组织。

但是随着挤压时未发生再结晶的型材,在淬火加热时,其组织变化与上述情况不同。从淬火冷却后取样检查可以看出,一般正挤压型材产品的前端部分没有发生再结晶,依然保持着热挤压后的纤维组织;随着取样不断向铝型材制品后端转移至一定程度,则可发现铝型材制品外围发生了再结晶,而型材产品中心仍为热加工纤维组织,其加工组织与再结晶组织之间有着明显的分界,形成粗晶环。沿着制品后移,外围再结晶部分随之增加,中心部分的加工组织随之减少,也即粗晶环向中心发展,其厚度增大。但是有的合金如6063在一定条件下挤压,铝型材前端也可能形成粗晶环组织。

不同合金淬火组织会存在差异。有的完全发生再结晶,不存在粗晶环;有的制品前端不发生再结晶,后端外围部分发生再结晶,形成粗晶环;有的从前端外周即开始发生再结晶,形成粗晶环,沿铝型材制品往后,粗晶坏深度随之增加。粗晶环对产品质量会产生不良影响,必须进行控制,有的甚至根本不允许粗晶环存在。下面着重讨论粗晶环的形成原因。