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。

        如挤压篇所述，在正挤压中，制品的变形程度在长度方向和横断面上都是不均匀的，沿长度方向，自前至后增加；在横断面上，自内向外增加。同时，在挤压过程 中，变形区产生变形热，使得金属温度升高，发生动态回复，亚晶与亚晶合并，同号位错集结，形成多边化组织，但未形成无畸变的结晶核心。变形程度较低的铝型材制品前头部分和中心部分，较变形程度较大的制品后头部分和外围部分，由于挤压存在的外摩擦作用，金属晶粒变形后的破碎程度不同，晶体点阵畸变有别，致使变形后变形程度大的部分储能较高，变形小的部分储能较低。于是在淬火加热过程中，变形程度大的区域，因畸变大，位错密度大，内能高，发生亚晶合并或亚晶界迁移长大，随着亚晶的长大，分属于各亚晶界的同号位错集中到亚晶界上，使位向差增大而成为大角度晶界，大角度晶界弓出，发生晶界迁移，便形成再结晶核心；再结晶核心长大即完成再结晶。而变形程度小的区域，除发生溶解的相变外，不形成再结晶核心，仍保持原来的纤维组织。

       正挤压制品一般头部和中心部分因变形程度较小，变形比较均匀，变形后储存的畸变能小，淬火不发生再结晶，因而不出现粗晶环。于是改正向挤压为反向挤压，消除挤压时挤压筒壁与铸锭的摩擦，使整根铝型材产品的变形程度和断面上的均匀性沿长度方向上，除终了挤压阶段的极小部分，由于金属补充不足，在断面外周或断面中心变形程度增加，畸变能增加，淬火后制品尾部很短长度内、出现深度很浅的粗晶环外，其余长度上都相当于正向挤压的开始挤压和基本挤压阶段开始时的变形程度和变形均匀性，因而都保持着加工时的纤维状组织，不产生粗晶环。

改变挤压方法可消除粗晶环的影响，极大地改善了铝型材产品的组织性能。改进正向挤压工艺，也可以在一定程度上减少粗晶环的发生几率，改善制品的组织性能。

       挤压过程中变形的不均匀性是由于摩擦力不均匀引起的。正向挤压时，铸锭与挤压筒壁发生摩擦，产生的摩擦越大，铸锭表面的流速越慢；铸锭中心没有外摩擦，只有内摩擦的影响，内摩擦力比外摩擦力小得多，所以中心流速快。因此减小摩擦力，即可减小流速差。同样，挤压速度的快慢也对流动的不均匀性产生影响，挤压速度越慢，铝型材制品流速越慢，同一断面上不同部分的流速差减小。流速差减小，其流速的相对比值可能不会发生大的改变，但其绝对差的峰值则明显减小了。当绝对值大峰值降低至发生再结晶形核的最小值以下时，就不会发生再结晶，也就不会产生粗晶环。因此一切使金属流动速度减小的措施，都可改善金属流动的不均匀性，减小粗晶环产生的几率。提高挤压筒温度和铸锭温度，可降低变形抗力，即降低了摩擦力，减小了金属流动的不均匀性；降低挤压速度，同样降低金属流动的不均匀性。而提高挤压温度，对硬合金和超硬合金，必然伴随挤压速度的降低。若不降低挤压速度，其变形热所产生的温升加上提高的的挤压筒温度和铸锭温度，即可能超过变形的临界温度，导致铝型材产品产生裂纹而报废。所以提高挤压温度，降低挤压速度，可以达到或接近基本挤压阶段开始时所具备的条件，避免产生粗晶环或减少粗晶环的深度。相反，对如上所述的6061等合金，若降低挤压温度，维持挤压速度不变，则可能自制品前端开始，在制品的外周即发生了再结晶，形成了明显的粗晶环。