铝合金高压扭转变形及其强化模型

【摘要】：高压扭转(High Pressure Torsion,HPT)是一种有效获得超细晶金属的剧烈塑性变形(Severe Plastic Deformation,SPD)方法,采用该方法能细化金属材料组织至亚微米甚至纳米尺度。在HPT过程中,应变路径对组织细化与力学性能有重要影响；而且,建立HPT变形过程中材料微结构与力学性能之间的数学模型,具有十分重要的学术价值,但至今在HPT中尚未得到充分研究。此外,开展HPT变形下合金化对强化影响的研究,对改善现有合金性能和设计新合金均具有现实意义。 本文主要围绕上述问题开展工作,采用HPT技术对1050、2XXX以及5XXX铝合金进行室温改性处理,利用维氏硬度表征合金的力学性能,通过光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜及差热分析研究了HPT对合金组织的影响,并探讨HPT强化机制,建立强化模型。主要研究结果如下： (1)首次提出单反高压扭转变形(sr-HPT)法,并结合单向高压扭转变形(m-HPT)法、循环高压扭转变形(c-HPT)法,强化1050合金。HPT变形后,圆盘试样中心区域硬度低,边缘硬度高。研究表明：在较低HPT旋转圈数下,试样中心区域晶粒粗大、硬度低；随HPT旋转圈数增多,试样中心组织细化、硬度升高。m-HPT的快速强化效果主要和总旋转圈数有关；c-HPT的较弱强化效果受总旋转圈数和每循环旋转圈数的共同影响；sr-HPT初始合金硬度降低,其最大硬度降低出现在试样中心区域,随着反向圈数增多,硬度再次升高。 (2)从位错角度阐述了1050合金的HPT强化行为和微观组织演化机理。变形试样的强化与几何必需位错(GND)和统计存储位错(SSD)密度有关。试样中心强化主要受GND密度影响；随着远离试样中心,SSD强化逐渐成为主要强化机制；GND和SSD共同作用使m-HPT强化效果显著；GND密度改变被用于解释c/sr-HPT引起的应变软化行为。基于上述研究结果,建立了一个新的强化模型： σy=σ0+σgb+M(?) 该模型能定量地预测m/c-HPT条件下1050合金的强化,并能对sr-HPT引起的强化给予定性解释。模型指明HPT引起的强化主要是由于GND和SSD,晶界强化有限,通常小于10%。 (3)研究HPT-热处理组合工艺对两种2XXX铝合金强化的影响,探讨其析出强化顺序。HPT变形过程中,Cu-Mg原子集聚强化和位错强化为主要强化机制。依据在HPT变形过程中Cu-Mg原子集聚数量的改变,提出Cu-Mg原子集聚-位错竞争强化机制概念,合理解释其实验现象。通过引入Cu-Mg原子集聚数量改变因子(ηcl),对HPT强化模型进一步扩展。 (4)研究了合金化对高压扭转强化的影响。Mg元素添加能有效地改善HPT引起的强化效果,随着远离试样中心,其硬度先快速上升,然后趋于某一稳定值。经c/sr-HPT变形的5XXX铝合金与1050合金,试样中心区域硬度随半径增大表现出斜率异号的硬度增量曲线。m-HPT变形Al-1Mg-0.4Cu合金微观组织为板带状组织,反向变形后,其组织为等轴晶组织；选区衍射分析表明m-HPT条件下平均晶界取向角大,sr-HPT降低其平均晶界取向角,c-HPT变形时平均晶界取向角较小