鋁型材擠壓（yā）淬火（huǒ）過程中的（de）組織變化

鋁型材淬火加熱（rè）保溫都是在再（zài）結（jié）晶溫度以上進行的。根據再結晶（jīng）的形核、長大理論，變形金屬加熱到再結晶溫度以上（shàng）時，將會（huì）在變（biàn）形基體上形成（chéng）再結晶核心，長大，完成再結晶。

       但是在鋁型材（cái）淬火過（guò）程中，再結晶的情況是比較複雜的。根據合金（jīn）和擠壓（yā）加工條件的不同，淬火時，可能發生再結晶，也可能不（bú）發生再結晶，在同一工件上（shàng），一部分發生再結（jié）晶並長成大（dà）晶粒組織，而另一部分則完全不發生再結晶，仍（réng）然保留著原（yuán）來的加工組織（zhī），形成有明顯分界的粗晶環。

鋁型材淬火組（zǔ）織的這種差異是在什麽條件下產生的，如何控製或減小這種差異，下麵來（lái）討論這個問題。為了方便，先簡要地介紹一下再結晶的兩種（zhǒng）形核機製：

（1）應變誘發晶（jīng）界遷移機製，即晶界弓出形核機製。變形量較小（約小於40%）時，變形不均勻，各（gè）晶粒間的（de）位錯密（mì）度互不相同，晶界（jiè）兩側胞狀組織（zhī）的大小也不一致，加熱時可能於大角（jiǎo）度晶界的某一小段錯密（mì）度（dù）大（dà）的一側弓出；弓（gōng）出區域即成為再（zài）結晶晶核長大。

（2）亞晶工大形（xíng）核機製。在加熱升溫（wēn）過程中，開始（shǐ）溫度較低，處於回複階段，亞晶與亞晶合（hé）並，或亞晶界遷移長大。亞晶長大時，原來分屬於各亞晶界的同號位錯集中在長大的亞晶界上，使位向差增（zēng）大，逐漸（jiàn）成為大角度晶界，致晶界（jiè）遷移速度突增，長大（dà）的亞晶即成為再結晶核心，開始再結晶過程（chéng）。

再結晶晶核是無（wú）畸變的新晶區，能量低；而晶核周圍的基體仍處於高能量的變形狀態，新晶區與原變形區之間的儲能差（chà）是晶界遷移的驅動力。晶（jīng）核形成後，晶界就會在驅動力的作用下向周圍的變（biàn）形基（jī）體推進，使晶核逐漸長大。當變形（xíng）基體完全為無（wú）畸變的新晶粒所取（qǔ）代時，再（zài）結晶過程（chéng）完成。

       本書所講的擠壓都是在熱狀態（tài）下的擠壓（yā）變形。熱擠（jǐ）壓變形的特點，一是變形程度大，一般（bān）變形率在80%-95%；二是（shì）鑄錠、工（gōng）、模具都處於熱狀態下，溫度較高，在塑性變形錐內，因（yīn）變形熱，溫度（dù）更高，可能發生動態（tài）回（huí）複，產生亞晶與亞晶合並（bìng），或（huò）亞晶遷移長成再結晶核心（xīn），並隨之長大而形成再結晶晶粒。實際（jì）上在一定條件下，快速擠壓6×××係工業鋁型材（cái）時，可觀察到擠壓後的再結晶晶粒。在之後（hòu）淬火加熱時，除發生第二相溶解於固溶體的相變外，同時在原有再結晶核心基礎上成長為再結晶晶粒；或使（shǐ）原（yuán）有再結晶（jīng）晶粒二次長大而成為大晶粒，於是鋁型材斷麵呈大小不很均勻的再結晶晶粒組（zǔ）織。

       但是隨著擠壓時未發生再結晶（jīng）的型材，在淬火加熱時，其組織變化與（yǔ）上述（shù）情況不同。從淬火冷卻後取樣檢查可以看（kàn）出（chū），一般正擠壓型材產品的前端部分沒有發生再結晶，依（yī）然保持著熱擠壓後的纖維組織；隨著取樣不斷向鋁型材製品（pǐn）後端（duān）轉移至一定程度，則可發現鋁型材製品外圍發生了再結晶，而型材產品中心仍為熱加工纖維組（zǔ）織，其加工組織與再結晶組織（zhī）之間有著明顯的分界，形成粗晶環。沿著（zhe）製品後移，外圍再結晶部分隨之增加，中心部分的加工組織隨之（zhī）減少，也即粗晶環向中心發展，其厚度增大。但是有的合金如6063在一定條件下擠壓，鋁型材前端（duān）也可（kě）能形成粗晶環組織。

       不同合金淬火組織會（huì）存在差異。有的完（wán）全發生（shēng）再結晶，不（bú）存在粗晶環；有的（de）製品前端不發生（shēng）再結晶，後端外圍部分發生再結晶，形成粗晶環（huán）；有的從前端外周即開始發生再結晶，形成粗晶環，沿鋁型材製（zhì）品往（wǎng）後（hòu），粗晶壞深度隨之增加。粗晶環對產品質量會產生不良影響，必須進行控製，有的甚至根本不允許粗晶環存在。下麵著重（chóng）討論粗晶環的形成原因。

        如擠壓（yā）篇所述，在正擠壓中，製品（pǐn）的變形程度在長度方向和橫（héng）斷麵上都是不（bú）均勻的，沿長（zhǎng）度方向，自前至後增加；在橫斷麵上，自內向外增（zēng）加。同時，在（zài）擠（jǐ）壓過程 中，變形區產生變形熱，使得（dé）金屬溫度升高，發生動態回複，亞晶與亞晶合並，同號位錯集（jí）結（jié），形成多邊化組織，但未形成無畸變的結晶核心。變形程度較低的鋁（lǚ）型材製品前頭部分（fèn）和中心部分，較變（biàn）形程度較大的製品後頭部分和（hé）外（wài）圍（wéi）部分（fèn），由於擠壓存在的外摩擦作用，金屬晶粒變形後的破碎程度不同，晶體點（diǎn）陣畸變有（yǒu）別，致使變形後變形程度（dù）大的部分儲能較高，變形小的部（bù）分儲能較低。於是在淬火加熱過程中（zhōng），變形程度大的區域，因畸變大，位錯密度大，內能高，發生亞晶合並或亞晶界遷（qiān）移長大，隨著（zhe）亞晶（jīng）的長大，分屬於（yú）各亞晶界的同號位錯集中到亞晶界上，使位向差增大而成為大（dà）角度晶界，大角度晶界（jiè）弓（gōng）出，發生晶界遷移，便形成再結晶核心；再結晶核心長大即完成再（zài）結晶。而（ér）變形程（chéng）度小的（de）區域，除發生溶解的相變外，不形成再結晶（jīng）核心，仍保持原來的纖維組織。

       正擠壓製品（pǐn）一般頭部（bù）和中心部分因（yīn）變（biàn）形程度較小（xiǎo），變形比較均（jun1）勻，變形後儲存的畸變能小，淬（cuì）火不發生再結晶，因而不出現粗晶環。於是改（gǎi）正向擠壓為反向擠壓，消除（chú）擠壓時擠壓筒壁與（yǔ）鑄錠的摩（mó）擦，使整根鋁型材產品的變形程度和斷麵上的（de）均勻性沿長度（dù）方向上，除終了擠壓階段的極小部分，由於金屬補充不足，在斷麵外（wài）周或斷麵中心變形程度增加，畸變能增加，淬火（huǒ）後製品尾部很短（duǎn）長度內、出現深度很淺的（de）粗（cū）晶環外，其餘長度上都（dōu）相當於正向擠壓的開始擠壓和基本擠壓階段開始時的變形程度和（hé）變形均勻性，因而都保持著（zhe）加工時（shí）的纖維狀組織，不產生粗晶環（huán）。

改變擠壓方法可消除粗晶環的影響，極大地（dì）改善了鋁型材產品（pǐn）的（de）組織性能。改進正向擠壓工藝，也可以在（zài）一定程度上（shàng）減少粗晶環的發生幾率，改善（shàn）製品的組織性能。

       擠壓過程中變形的不均勻性是由於摩擦力不均勻引起的（de）。正向擠壓時，鑄錠與擠壓筒壁發生摩擦，產生的（de）摩擦越（yuè）大，鑄錠表麵的（de）流速越慢；鑄錠中心沒有外摩擦，隻有內摩擦的影（yǐng）響，內摩擦力比外摩擦力小得多，所以中心流速快。因此減小摩（mó）擦力，即可減小流速差。同樣，擠壓速度（dù）的（de）快慢也對流動的不均勻性產生（shēng）影響（xiǎng），擠壓速度越慢，鋁型材（cái）製品流速（sù）越慢，同一斷麵上不同部分的流速差減小。流速差減小，其流速的相對比值可能不會（huì）發（fā）生大的改變，但其絕對差的峰（fēng）值則明顯（xiǎn）減（jiǎn）小了（le）。當絕對值大峰值降低至發生再結晶形核的最小（xiǎo）值以下時，就不會發生再結晶（jīng），也就不會產生粗晶環。因此一切使金屬流動速（sù）度減小的措施，都（dōu）可改善金屬流動的不均勻（yún）性，減小（xiǎo）粗晶環產（chǎn）生的幾率。提高擠壓筒溫度和鑄錠（dìng）溫度，可降低變形抗力，即降低了摩擦力，減小了金屬流動的（de）不均勻（yún）性；降低擠壓（yā）速度，同樣降低金屬流動的不均勻性。而提高擠壓溫度，對硬合金和超硬（yìng）合金，必然伴隨擠壓（yā）速度的降低。若不降（jiàng）低擠壓速度（dù），其變形熱所產生的（de）溫升加上提高的的擠壓筒溫度和鑄錠溫度，即可能超過變（biàn）形的（de）臨界溫度，導致鋁型材產品產生（shēng）裂（liè）紋而報廢（fèi）。所以提高擠壓溫（wēn）度，降低擠壓（yā）速（sù）度，可以達到或（huò）接近基本（běn）擠壓（yā）階段開始時所具（jù）備的條件，避免（miǎn）產生粗晶環或（huò）減少粗晶環的深度。相反，對如（rú）上所述的6061等合金，若降低擠壓溫度，維持擠壓（yā）速度不變，則可能自製品前端開始，在製品的外周即發生了再結晶，形成了明顯的粗（cū）晶環（huán）。