低频振动对Ti6Al4V合金摩擦因数的影响

金属切削过程中的振动对加工质量的影响分析引言：随着工业的发展，金属切削成为了制造过程中常用的方法之一。

然而，金属切削过程中的振动问题一直以来都是一个困扰制造业的难题。

振动不仅会对加工质量造成负面影响，还会导致工具磨损、机械失效、甚至对操作者的健康造成威胁。

因此，深入分析金属切削过程中振动对加工质量的影响，对于提高制造业的效率和质量至关重要。

1. 振动引起的切削质量问题金属切削过程中的振动主要表现为切削面粗糙度增加、切削刃磨损加剧、切削力增大、切削面失真等问题。

振动会使切削刀具发生剧烈振动，导致对工件的切削不稳定，进而影响加工表面的精度。

振动还可能导致刀具切削边缘的磨损加剧，从而缩短刀具的使用寿命。

此外，振动还会在切削过程中产生附加切削力，增加了工件上的切削力，使加工效率降低。

最后，振动还会使金属切削过程中的加工表面发生形变，导致工件的尺寸失准和表面质量下降。

2. 振动的产生机理振动产生的机理包括不平衡力、共振效应、弹性变形和切削参数选择不合理等。

不平衡力是最主要的振动产生机理之一。

不平衡的刀具或工件会在高速旋转时产生力的不平衡，导致振动。

共振效应指的是系统在特定频率下振幅增大的现象，当切削频率接近刚性结构的固有频率时，共振效应会引发严重的振动问题。

弹性变形是由于工件和刀具之间的接触力引起的，当接触面不均匀时会产生振动。

切削参数选择不合理也是引发振动的原因之一，过大或过小的进给量和转速都会导致振动的发生。

3. 减振方法和技术为了降低金属切削过程中的振动对加工质量的影响，需要采取一系列的振动减振方法和技术。

其中包括：a) 刀具结构设计优化：通过设计合适的刀具结构，减少切削过程中产生的不平衡力，降低振动的发生。

b) 切削参数优化：合理选择进给量和转速，避免因切削参数选择不当而引发振动。

c) 刀具磨损监测与更换：定期检查和更换磨损严重的刀具，减少切削过程中的振动。

d) 切削稳定性改善：采用稳定的切削方式，如切削过程中使用软刦等方法，降低振动的发生。

硬质合金刀具切削ti6al4v的磨损机理及特征下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。

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湿喷丸处理Ti-6Al-4V合金微动磨损行为影响张新华;付雪松;盖鹏涛;李瑞冬;李康【摘要】Wet peening was taken on Ti-6Al-4V titanium alloy as a surface strengthening treatment.Effect of shot peening on fretting wear behavior was investigated under different conditions of partial slip,mixed slip and gross slip.The fretting wear experiment indicates that wet peening has little influence on fretting wear behavior of Ti-6A1-4V titanium alloy at condition of gross slip.However,wet peening can inhibit crack initiation occurred in accumulation of plastic deformation zone when the conditionis partial slip.It is suggested that the improvement of local yield strength at surface layer by shot peening was the key reason for avoiding local fatigue damage.%采用湿喷丸技术对Ti-6Al-4V合金进行表面强化处理,研究了部分滑移、混合滑移和完全滑移等不同状态下钛合金样品的微动磨损行为,从微动状态角度探讨喷丸强化对钛合金微动磨损行为的影响规律.试验结果显示,喷丸处理对于完全滑移状态下Ti-6Al-4V合金的微动磨损行为影响较小;而在混合滑移状态时,喷丸处理使得微动磨痕的塑性变形积累区消失,有效抑制局部疲劳损伤造成的微裂纹萌生.这是因为喷丸引入加工硬化作用使材料表层局部强度提高,进而改善局部疲劳损伤.【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2017(000)013【总页数】5页(P44-47,59)【关键词】湿喷丸;Ti-6Al-4V钛合金;微动磨损;局部疲劳【作者】张新华;付雪松;盖鹏涛;李瑞冬;李康【作者单位】航空工业北京航空制造工程研究所,北京100024;塑性成形技术航空科技重点实验室,北京100024;数字化塑性成形技术与装备北京市重点实验室,北京100024;大连理工大学材料科学与工程学院,大连116085;航空工业北京航空制造工程研究所,北京100024;塑性成形技术航空科技重点实验室,北京100024;数字化塑性成形技术与装备北京市重点实验室,北京100024;大连理工大学材料科学与工程学院,大连116085;大连理工大学材料科学与工程学院,大连116085【正文语种】中文钛合金在航空航天领域得到广泛应用，但其对微动磨损极为敏感，在微动服役环境下易发生微动疲劳失效。

TC4(Ti-6Al-4V)氧化膜在生理介质中的摩擦电化学行为摘要在医疗设备的应用中，TC4(Ti-6Al-4V)合金是一种非常常见的材料。

然而，这种金属材料在生理介质中的摩擦电化学行为尚未得到充分研究。

因此，本研究利用电化学测试方法和摩擦测试仪，研究了TC4合金在模拟生理介质中的摩擦电化学行为。

实验表明，TC4合金的电化学活性主要由氧化膜控制。

在生理介质中，TC4合金表面的氧化膜由一层富含TiO2和其他氧化物的复合膜组成，且具有良好的防腐蚀性能。

在摩擦测试中，TC4合金表面的氧化膜具有非常好的防磨损性能，从而有效地保护了基体材料。

本研究为TC4合金在生理介质中的应用提供了重要的理论指导。

关键词：TC4合金；氧化膜；生理介质；摩擦电化学AbstractIn medical device applications, TC4 (Ti-6Al-4V) alloy is a very common material. However, the frictional electrochemical behavior of this metal material in physiological media has not been fully studied. Therefore, this study used electrochemical testing methods and friction testing equipment to study the frictional electrochemical behavior of TC4 alloy in simulated physiological media. The experiment showed that the electrochemical activity of TC4 alloy is mainly controlled by the oxide film. In physiological media, the oxide film on the surface of TC4 alloy is composed of a composite film rich in TiO2 and other oxides, and has goodcorrosion resistance. In friction testing, the oxide film on the surface of TC4 alloy has excellent anti-wear properties, effectively protecting the substrate material. This study provides important theoretical guidance for the application of TC4 alloy in physiological media.Keywords: TC4 alloy; oxide film; physiological media; frictional electrochemistry1. 引言TC4(Ti-6Al-4V)合金是一种非常常见的金属材料，广泛应用于医疗器械制造、人工关节和牙科种植等领域。

Ti–6Al–4V合金中绝热剪切带之间相互作用规律及其对抗多次打击性能的影响钛合金具有低密度、高比强度、较好的塑、韧性及耐腐蚀性等优点，是一种优良的轻型防护装甲材料。

在装甲服役环境中，钛合金材料通常需承受弹丸或破片等的高速撞击作用。

由于钛合金强度较高且热导率较低，在此类高速碰撞等高应变率加载条件下容易形成绝热剪切带（Adiabatic shear band，ASB）。

裂纹易于在ASB中形核、扩展及连接等，并最终导致材料的绝热剪切失效，这极大地限制了钛合金在高应变率加载条件下的应用。

鉴于此，本研究以三种分别具有等轴组织、淬火时效组织和层片组织的Ti–6Al–4V合金为研究对象，通过弹靶作用实验、静动态加载实验，利用光学金相显微镜（Optical Microscopy, OM）、扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）、透射电子显微镜（Transmission ElectronMicroscopy, TEM）等系统地研究了弹靶作用条件下三种组织Ti–6Al–4V合金内ASB的形成、分布，带内微观组织演化及ASB分叉、交截等相互作用规律及其对于合金抗弹性能的影响规律，主要研究成果如下：平头弹冲击作用下，三种组织Ti–6Al–4V合金靶板承受撞击面均产生直径约10mm，深度约1mm的弹坑。

并且，随冲击速率增加，相同厚度靶板内的弹坑深度及直径均增加，子弹发生镦粗、部分破碎甚至完全破碎。

靶板内形成多条近似平行的ASB并伴随有ASB分叉、交截、阻隔等多种复杂的相互作用，并有微孔洞、微裂纹在ASB内萌生及扩展。

多条ASB的形成及分布规律是由靶板内最大剪切应力的分布决定的。

靶板内最长ASB的长度随子弹冲击速率增加而先增加后减小。

在冲击速率相近时，层片组织靶板内最长ASB的长度最大，淬火时效组织次之，等轴组织内的最小。

ASB的微观组织由等轴晶粒和条状晶粒组成，是由于原始晶粒在剪切应力的作用下发生拉长、碎化、旋转及再结晶等过程而形成。

文章编号:1673-0291(2009)04-0060-05减振材料的摩擦磨损特性及影响因素董 磊1,2,李卫京1,杨爱国3,胡海滨3,陈 跃1(1.北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京100044;2.沈阳铁路局长春车辆段,长春130051;3.齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司,齐齐哈尔161002)摘 要:对部分新的和常用的货车摩擦减振器材料进行了比较系统的摩擦磨损试验,分析了7组不同配副材料的摩擦磨损性能及其影响因素.结果表明,T10与针状铸铁、高分子复合材料及少合金ADI 球铁/ADI 球铁配副的摩擦系数均小于45钢与ADI 球铁配副;试验的所有摩擦副的重量磨损量均比传统的45钢与ADI 摩擦副的磨损量小,T10与高分子复合材料配对的摩擦副磨损量最小;影响摩擦副摩擦磨损特性的主要因素有摩擦速率、摩擦表面的状况、材料的导热和蓄热能力及摩擦副材料的相溶性等.关键词:铁道货车;减振材料;斜楔;磨耗板;摩擦磨损性能中图分类号:U260;TH117 文献标志码:AFriction and Wear Behavior and Influencing Factorsof Damping MaterialsDON G Lei 1,2,LI Weijing 1,YAN G A iguo 3,H U H aibin 3,CH EN Yue 1(1.School of M echanical and Electronic Control Eng ineering,Beijing Jiaotong U niversity,Beijing 100044,China;2.Shenyang Railway A dministration Chang chun Depot,Changchun 130051,China;3.Qiqihaer Rail T ransportation Equipment Limited Liability Company,Q iqihaer 161002,China)Abstract:Friction and wear ex periments w ere carried out on som e new and norm al kinds of m aterials of freight car dam per.Friction and wear properties of different kinds of friction couple materials and in -fluencing factors in this ex periment w ere studied by 7groups.The result shows that the friction coeff-i cients of the friction couples,such as T 10and acicular iron ductile iron 、polymer material,less-alloy ADI and ADI,are smaller than those betw een com mon 45steel and ADI austempered ductile iron.T he w ear loss of 45steel and ADI austempered ductile iron is the highest w hile T10and polymer mate -rial friction couple is the least.The main influencing factors include friction velocity and friction sur -face state of the friction pair,heat conduction and storage properties and friction compatibility of the materials,and so on.Key w ords:railw ay freight car;damping material;slanting wedge;wear plate;friction and wear property 收稿日期:2008-08-16作者简介:董磊(1972)),男,吉林乾安人,工程硕士.email:bccld@.斜楔式摩擦减振器是当前货车转向架最常用的减振元件,它利用楔块与摇枕端部八字面、侧架立柱磨耗板之间产生的摩擦力来实现减振[1].我国货车目前采用的斜楔材料主要是等温淬火球墨铸铁(简称ADI),配对的磨耗板材料采用45钢.装车运用结果表明,ADI 斜楔材料主副磨面几乎测不出磨耗,侧架立柱磨耗板和摇枕八字面磨耗板磨耗正常[2].但在使用中发现,因该摩擦减振装置的相对摩擦系数过大而影响车辆的垂直振动性能[3].2003-11在北京铁道科学院环形试验线进行货车120km/h 可靠第33卷第4期2009年8月北 京 交 通 大 学 学 报JOU RNAL OF BEIJING JIA OT ON G U N IV ERSIT YVol.33No.4Aug.2009性试验时发现,C64K 型敞车、P64GK 型棚车、G70K 型罐车及NX17BK 型平车装用的转K2型转向架实测相对摩擦系数过大;2003-12在京广线对X2K 型双层集装箱平车进行平推试验时也发现同样情况.随着货车提速,列车制动力相应增加,非正常振动的次数也随之增加,导致摩擦副材料磨损严重,磨耗板使用寿命缩短,影响了转向架的动力学性能[4-7].为适应铁路运输发展的要求,有关单位相继研制开发了一些新的减振器摩擦副材料,包括47Mn 2Si 2TiB 、高分子复合材料及少合金ADI 等[8-10].由于新材料投入运营的时间不长,对其摩擦磨损特性了解不多,有必要采用实验室加速试验的方法,探讨和研究摩擦副材料的摩擦磨损性能.1 试样制备和试验设备及参数选择采用MPX-2000型摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验.上下试样均为圆环形,其中下试样固定,上试样转动.采用模拟摩擦减振器的运行工况,即摩擦副上正压力为1MPa,相对运动线速度为20mm/s,经计算,对应于摩擦试验机上加载量为400N,转速为14r/m in.试验时间为20min,为了不致使试样温升过高产生烧灼,加速试验中采用强制通风冷却,经试验选取摩擦试验机转速为370r/min,保证试样表面温度不高于70e ,避免产生烧灼.试验前用乙醇超声清洗试样10m in,试验中实时测量摩擦系数.磨损试验后采用JSM 5800型扫描电子显微镜(SEM )观察分析磨损表面形貌,并用精度为011mg 的FA2104型电子分析天平称量摩擦前后试样的重量.摩擦试样及对磨示意图见图1.图1 摩擦磨损试样Fig.1 F riction samples2 试验材料试验材料及摩擦副配对情况见表1.采用瑞士产的QSN750直读光谱仪分析摩擦副材料的化学成分.为便于比较,对不同组的同种材料,选用化学成分及硬度相近的制作试样,各试样的化学成分分析结果见表2.表1 摩擦副材料及配对情况T ab.1 M aterials of friction couples组别磨耗板(下试样)斜楔(上试样)145钢ADI 球铁247M n 2Si 2TiB(低硬度)ADI 球铁347M n 2Si 2TiB(高硬度)ADI 球铁4T10针状铸铁5少合金ADIADI 球铁6T10高分子复合材料7T10ADI 球铁表2 摩擦副材料化学成分分析结果T ab.2 Chemical compositio n of friction pairs%试样材料C Si M n P S 45钢0142901255016540102301008ADI 41392107012230104101009少合金ADI 21442187012580101701007低硬度47M n 0145411456116940102201014高硬度47M n 0144911437116740102201016针状铸铁3113115611002-01039T100193401365014980102401007试样材料Cr NiCuM oM g45钢-----ADI ----01016少合金ADI -01341015840119601029低硬度47M n 01114Ti:01098B:无标样,未测高硬度47M n 01113Ti:01102B:无标样,未测针状铸铁--1155701774-T1001133-01124--注:未分析高分子复合材料.3 试验结果311 摩擦性能每组摩擦副进行3次摩擦试验,摩擦系数取3次试验的平均值.370r/min 转速时7组摩擦副每组的平均摩擦系数随时间的变化曲线见图2.图2 转速为370r/min 时平均摩擦系数随时间的变化曲线Fig.2 Curv es of frictional co efficient of friction couples when rotational speed is 370r/min由图2可知:T10与高分子复合材料摩擦副的摩擦系数很快达到稳定值,且稳定后数值最低,约为0132;开始阶段T10与针状铸铁摩擦副的摩擦系数61第4期 董 磊等:减振材料的摩擦磨损特性及影响因素随时间而增长的速度最慢;45钢与ADI 、少合金ADI 与ADI 和高硬度47Mn 与ADI 这3组摩擦副的摩擦系数随时间的变化特性很类似,它们的摩擦系数随时间而增大的速度较低,且在240s 左右趋于稳定,其中少合金ADI 与ADI 摩擦副的摩擦系数随时间而增大的速度最慢;低硬度47Mn 与ADI 和T10与ADI 摩擦副的摩擦特性也很类似,它们的摩擦系数随时间而增大的速度快,短时间内分别达到0157和017,在180s 左右就基本稳定在0175~018之间.与370r/min 转速下的试验结果相比,14r/min 转速试验条件下各摩擦系数也有随摩擦时间而先增大后稳定的规律,如图3所示.两种摩擦试验条件下所得到的摩擦系数试验结果的规律性基本吻合.312 摩擦系数的影响因素31211材料组织性能和表面状况图3 转速14r/min 时平均摩擦系数随时间的变化曲线Fig.3 Curv es of frictional co efficient of friction couples w hen rotat ional speed is 14r/min图4所示为不同摩擦副磨后的摩擦表面扫描电镜照片,各试样摩擦表面状况汇总于表3.图4 不同摩擦副磨后的摩擦表面扫描电镜照片F ig.4 Wear surface morphologies of different fr ict ion couples62北 京 交 通 大 学 学 报 第33卷表3 各试样组织及摩擦面观察结果T ab.3 Structure and frictional surface of samples组别材 料组 织 类 型摩擦表面状况1ADI 球状石墨+贝氏体+奥氏体表面光滑,有剥落坑45回火屈氏体表面有擦痕,剥落坑较多2ADI 球状石墨+贝氏体+奥氏体擦伤痕迹明显,剥落坑少低硬47M n 回火屈氏体+少量奥氏体有颜色变化,表面有擦伤痕,无剥落坑3ADI 球状石墨+贝氏体+奥氏体擦伤痕迹明显,剥落坑多高硬47M n 回火马氏体+残余奥氏体颜色变化明显,擦伤痕迹明显,剥落坑多4针状铸铁片状石墨+奥贝体表面光滑T 10回火屈氏体+碳化物颜色变化明显,表面光滑5ADI 球状石墨+贝氏体+奥氏体有擦伤痕,表面有颗粒物少合金ADI 球状石墨+奥贝体有擦伤痕,有剥落坑6高分子材料基本光滑,有粒状嵌入物T 10回火屈氏体+碳化物擦伤痕迹明显,有剥落坑7ADI 球状石墨+贝氏体+奥氏体有擦伤痕,剥落坑少T 10回火屈氏体+碳化物颜色变化严重,有擦伤痕,剥落坑少从表3的组织观察结果可以看出:1)T10/针状铸铁、少合金ADI 对ADI 摩擦系数小.少合金ADI 中含有较多的奥氏体组织,几乎没有碳化物,而ADI 中是铁素体+碳化物两相组织,摩擦过程中粘着倾向小.低硬度47M n/ADI 、高硬度47Mn/ADI 、45钢/ADI 和T 10/ADI 这4种摩擦副材料都是铁素体和碳化物两相为主构成的组织,摩擦过程的粘着倾向大,摩擦系数较高.2)少合金ADI 对ADI 的摩擦副,摩擦表面有较多的石墨相;针状铸铁中的片状石墨在同等石墨量下比球状石墨表面积大,这两对摩擦副存在很大的减摩因素,具有小的摩擦系数.分析结果符合摩擦学规律:相同金属或者互溶性大的材料组成的摩擦副粘着效应较强,摩擦系数较大,并易发生粘着磨损;异种金属或者相溶性小的材料组成的摩擦副抗粘着能力较强;金属和非金属材料组成的摩擦副的抗粘着磨损能力高于异种金属组成的摩擦副.31212 材料的导热蓄热能力对摩擦系数的影响货车运行时,斜楔与磨耗板因摩擦升温,温度对摩擦系数的影响应予考虑.由图2的摩擦曲线可以看出:1)T10对针状铸铁摩擦副,其摩擦系数随时间而增大的速度较慢.这是因为针状铸铁中存在的片状石墨具有很高的导热和蓄热能力,使表面温升较小,减磨性能更好.少合金ADI 与ADI 摩擦副次之,都比45钢/ADI 摩擦副表面温升慢,摩擦系数增加的也小.2)T10和47Mn 材料,由于含碳量高或因含有合金元素,均会降低材料的导热性能,摩擦表面的热量聚集都会比45钢材料高.由此可知,试验中影响各摩擦副摩擦系数的主要因素是材料的导热和蓄热能力、摩擦表面的状况或减摩效果及摩擦副材料的相溶性等.对金属材料而言,高速摩擦试验条件下,材料的导热和蓄热能力对摩擦系数影响较大,而低速摩擦试验条件下,材料的减摩效果和相溶性对摩擦系数影响较为突出.313 磨损性能及影响因素根据摩擦磨损试验结果,将各组摩擦副在370r/min 摩擦速度下的平均磨损量汇总于图5.图5 各组摩擦副磨损量示意图Fig.5 A verage mass wear loss histog ram o f couples由图5可以看出,各摩擦副的总重量磨损量的由小到大的顺序为:a.T 10与高分子材料,216mg;b.T10与针状铸铁,2218mg;c.低硬度47M n 与ADI,22197mg;d.T 10与ADI,2413mg;e.高硬度47M n 与ADI,2416mg ;f.少合金ADI 与ADI,3012mg;g.45钢与ADI,3317mg.所有摩擦副的重量磨损量均比传统的45钢与ADI 摩擦副的磨损量小,除T10与高分子材料摩擦副外,各金属材料摩擦副之间的最大总磨损量与最小总磨损量相差10173mg,约32%.各试样组织不同,摩擦过程中表面硬度发生不同程度的变化,进而导致磨损性能产生差异.回火屈氏体,温度升高时将进一步软化,硬度下降,合金化的回火屈氏体的组织较稳定.贝氏体组织较稳定,不63第4期 董 磊等:减振材料的摩擦磨损特性及影响因素容易软化.奥氏体随温度升高会分解,使表层组织硬化.回火马氏体组织不稳定,温度升高会分解并使组织软化.试样表面硬度是其组成组织性能的表征,各摩擦副上下试样的硬度不同,引起抗粘着剥落和擦伤的能力各异,使磨损量产生差异.另外,具有减磨效果及蓄热导热性能好的组织能减小磨损量.综上分析,图5所示的磨损特性符合磨损的基本原理和规律.4结论1)在1MPa压力和370r/min转速试验条件下,各摩擦副的平均摩擦系数由小到大的顺序为: T10/高分子材料、T10/针状铸铁、少合金ADI/ ADI、高硬度47M n/ADI、45钢/ADI、T10/ADI,低硬度47M n/ADI.其中比传统的45钢/ADI摩擦副的摩擦系数小的摩擦副为:T10/高分子材料、T10/针状铸铁、少合金ADI/ADI.2)试验的所有摩擦副的重量磨损量均比传统的45钢与ADI摩擦副的磨损量小,T10与高分子复合材料配对的摩擦副磨损量最小.3)对金属材料而言,高速摩擦试验条件下,材料的导热和蓄热能力对摩擦系数影响较大,而低速摩擦试验条件下,材料的减摩效果和相溶性对摩擦系数影响较为突出.影响摩擦副磨损性能的主要因素有:组织结构的相溶性或粘着倾向性、表面相对硬度及摩擦表面减摩情况等.参考文献:[1]严隽耄.车辆工程[M].北京:中国铁道出版社,2004:82-92.YA N M aodie.V ehicle Eng ineering[M].Beijing:China Railw ay Publishing House,2004:82-92.(in Chinese) [2]Be½º¼a HOB A B,李先全.货车转向架的铸铁摩擦斜楔[J].国外铁道车辆,2000,37(3):25-30.Be½º¼a HO B A B,LI Xianquan.T he Cast-Iron Fr iction Wedg e for Freight Car Bog ie[J].For eig n Rolling Stock, 2000,37(3):25-30.(in Chinese)[3]巫瑞智,吴玉彬,宋润滨,等.用贝氏体球墨铸铁制作货车斜楔铁的研究[J].哈尔滨理工大学学报,2002,7(2): 76-79.WU Ruizhi,WU Yubin,SON G Runbin,et al.T he Study of M aking Slanting Wedg e in Freig ht T rain wit h A DI[J].Journal of Harbin U niversity of Science and T echnolo gy, 2002,7(2):76-79.(in Chinese)[4]王泽华,李树中,刘泉深,等.等温淬火球铸铁在铁道车辆耐磨件上的应用研究[J].铸造,2003,52(7):466-470.WA NG Zehua,L I Shuzhong,L IU Q uanshen,et al.A p-plication of A ustempered Duct 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收稿日期:2004-08-11基金项目:国家重大基础研究发展规划项目(G199906490501)#作者简介:颜 莹(1966-),女,辽宁沈阳人,东北大学副教授;张彩碚(1940-),女,上海人,东北大学教授,博士生导师;崔建忠(1950-),男,黑龙江双城人,东北大学教授,博士生导师#第26卷第5期2005年5月东北大学学报(自然科学版)Journal of Northeastern U niversity(Natural Science)Vol 126,No.5M ay 2005文章编号:1005-3026(2005)05-0444-04低频电磁场频率对半连铸高强Al 合金组织结构的影响颜 莹1,张彩碚1,崔晶磊1,崔建忠2(1.东北大学理学院,辽宁沈阳 110004; 2.东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室,辽宁沈阳 110004)摘 要:利用光学显微镜和透射电镜研究了在低频电磁场作用下,电磁场频率对半连铸直径100mm 铝合金铸锭显微组织结构的影响#结果表明:与常规铸锭相比,当电流为100A,频率为15Hz 时,晶粒尺寸有所减小,并且等轴晶数目增多#当频率增到25Hz 时,晶粒细化最明显#随频率继续增大,晶粒尺寸又有所增大;在电流为100A,电磁场频率为25Hz 时,晶内位错密度较高,沉淀相尺寸较小,析出相主要为颗粒状的G c ,G 相和小片状的T 相,此时晶界两侧无析出带宽度为100nm 左右;当电磁场频率为15Hz 时,晶内沉淀相尺寸有所增大,析出相主要为片状和长板条状的G 相、片状的T 相和颗粒状的G c 相,晶界两侧无析出带宽度增到300nm 左右#关 键 词:金属材料;组织结构;低频电磁场铸造;高强A l 合金中图分类号:T G 14612;T G 24917 文献标识码:A超高强度、高韧性铝合金是运载火箭、宇宙飞船和空间站等航天器的主体结构材料,其研究和应用倍受关注[1,2]#长期以来,超高强铝合金因其强度和韧性很难协调,制约着它更为广泛的应用#采用特殊的工艺,加入更多的强化合金元素来提高合金的强度,又不降低合金的韧性,成为研究开发超高强高韧铝合金的热点[3]#在凝固过程中降低晶界偏析,细化晶粒,是提高超高强高韧A-l Zn -M g -Cu 合金强度和断裂韧性的有效方法#低频电磁铸造LFEC 工艺[4~7],不但可以实现铸锭微观组织细小均匀,表面质量好,更重要的是可以大大提高晶内合金元素含量,而且增强锭坯的抗裂纹能力,减小宏观偏析,为后续工序获得高强高韧Al 合金打下良好的基础#低频电磁场频率对A-l Zn -Mg -Cu 合金铸锭组织结构的影响,尤其是对析出相尺寸、形态、种类及晶界附近无析出带宽度等的影响,目前未见详细报道#本文主要采用低频半连续铸造工艺,制备了直径100mm 铝合金铸锭,利用光学显微镜和透射电镜,研究低频电磁场频率对高强Al 合金组织结构的影响,以便为电磁场理论在材料铸造过程中的应用提供一些参考数据#1 实验用料及方法以工业纯Al(9917%),Zn,M g,Cu 为原料,以复合锆盐的形式加入微量Zr,在2RZ30倾斜式熔化电阻炉内熔炼,熔炼温度为760e #合金熔体经除气、扒渣、精炼后转入中间包#当中间包内合金熔体的温度降到710e 时,保温15min 后进行低频电磁场铸造,条件为电流100A,频率分别为15,25和35Hz,铸锭化学成分(质量分数,%)为Zn 10,Mg 215,Cu 215,其余为Al #在铸锭垂直横截面的边部和中部截取试样#借助光学显微镜和透射电镜观察不同电磁场频率作用下,半连铸直径100mm 铝合金铸锭显微组织结构,探讨低频电磁场频率对组织结构的影响规律#2 结果及讨论2.1 晶粒尺寸的变化常规铸锭和电流为100A,频率分别为15Hz,25H z 和35Hz 时,铸锭边缘部位晶粒尺寸的变化见图1#与常规铸锭相比,频率为15H z 时,晶粒尺寸有所减小,并且等轴晶数目增多;当频率为25Hz 时,晶粒细化最明显;随频率继续增大,晶粒尺寸又有所增大#这是因为:磁感应强度在熔体内衰减的情况由集肤深度D 来表征:D =(1/PRL f )"-,其中,R 和L 分别为熔体的电导率和磁导率,f 为电磁场频率#当电磁场频率较高时,电磁场的集肤深度很小,电磁力主要集中于熔体的表面,对熔体的搅拌和对流作用相对较弱;随电磁场频率的降低,电磁场渗透深度增加,其磁力线相对于铸锭对称轴产生明显的偏转[8],导致电磁力有旋分量增加,对熔体的搅拌和对流作用增强;当频率进一步降低,电磁场渗透深度继续增加,磁感应强度在熔体内的衰减率逐渐下降,导致电磁场分布渐趋均匀,对熔体的搅拌和对流作用减弱#因而,对晶粒的细化存在一最佳频率,在本研究中,为25Hz#图1 晶粒尺寸随电磁场频率的变化Fig.1 Variation of grai n size wi th frequency of electromagnetic fiel d(a))常规铸锭;(b))15Hz;(c))25Hz;(d))35Hz #2.2 析出相尺寸、形态及种类图2显示了常规铸锭不同析出相的尺寸、形态及晶界附近的特点#在常规铸锭中,析出相的尺寸较大;析出相主要为片状的MgZn 2(G )和Mg 32(Al,Zn)49(T )(图2a,2b),以及少量粗大片状的Al 2CuM g(S ),这些S 相连接在一起形成了竹节状(图2c);晶界明显宽化,这是由于晶界处粗大树枝状共晶组织增多造成的(图2d);沿晶界析出的沉淀相主要为板条状的G 相,晶界两侧无析出带的宽度约为3~5L m(图2e)#图2 Al 合金常规铸锭的TEM 组织Fig.2 TEM i m ages s howing microstructures of conventional ingot(a))片状的G 相;(b))片状的T 相;(c))S 相;(d))三叉晶界处的树枝状共晶;(e))沿晶界析出的G 相#经电磁场处理后,析出相除了有G 和T 稳定相外,还出现了亚稳相G c ,这些析出相尺寸较小,并且与基体存在一定取向关系#图3显示了100A,25Hz 电磁场作用下Al 合金铸锭TEM 组织#此时晶内位错密度较高,并发生缠结(图3a),缺陷浓度提高表明电磁铸造加速了熔体的非平衡凝固过程;在有些区域还观察到,沿位错线析出的细小沉淀相(图3b),这也说明析出相可能主要是在位错处形核;G 相近似为颗粒状,其暗场相见图3c;对晶内多处颗粒状析出相分析,发现在有些析出相的衍射谱中,在基体Al 的1/3和2/3(220)处出现了两条明显平行衍射条纹,这是细小亚稳445第5期 颜 莹等:低频电磁场频率对半连铸高强Al 合金组织结构的影响相G c 衍射的主要特征[9](见图3d),从中还发现G c 相与基体存在如下取向关系:(001)G c M (110)Al ,[110]G c M [112]Al ;T 相仍为小片状,其暗场相见图3e;沿晶界析出的沉淀相仍为板条状G 相,晶界两侧无析出带宽度变窄,约为100nm 左右(图3f)#图3 电流100A 、频率25H z 电磁场作用下Al 合金铸锭TEM 组织Fig.3 TEM i m ages s howing m i crostructures of Al alloy ingot at 100A and 25H z (a))缠结位错;(b))沿晶界析出的细小沉淀相;(c))G 相暗场相;(d))G c 相衍射花样;(e))T 相暗场相;(g))沿晶界析出的G 相#当电磁场频率为15H z 和35Hz 时,析出相形态、尺寸及晶界附近无析出带的宽度变化不大#图4显示了电流100A,频率15H z 时铸锭的T EM 组织#与电磁场频率25H z 相比,晶内析出相的尺寸增大;有些G 相已长成长的板条(见图4a),T 相主要是片状,其暗场相见图4b,同时还发现颗粒状的G c 相,其明场相和衍射花样见图4c 和4d,与电磁场频率25Hz 相比,其衍射斑点非常清晰,这说明当电磁场频率为15H z 时,G c 相的尺寸有所增大;晶界两侧无析出带宽度增到300nm 左右,沿晶界析出的沉淀相仍为G 相,并且多为板条状,但也有多边形的(见图4e)#图4 电流100A 、频率15H z 电磁场作用下Al 合金铸锭TEM 组织Fig.4 TEM i m ages s howing m i crostructures of Al alloy ingot at 100A and 15H z(a))长板条状的G 相;(b))片状的T 相;(c),(d))G c 明场相和衍射花样;(e))沿晶界析出的块状G 相#446东北大学学报(自然科学版) 第26卷在电磁场作用下,大量位错缺陷的形成,增加了析出相的形核部位,而电磁的搅拌又提供了能量,导致析出相更易形核#溶质元素在基体中固溶度的增加[10]和凝固速度的加快,使析出相来不及长大,导致细小沉淀相的形成#一般,在A-l Zn -Mg (或加Cu)合金中,稳定相G 的形成遵循下面的时效次序:A y 球状GP 区y G c (M gZn 2)y G(MgZn 2)#在电磁场作用下,由于铸锭的非平衡凝固,观察到了G c 相的存在#在电磁场作用下,晶界附近无析出带宽度变窄,主要是因为凝固温度的提高和凝固速度的加快,提高了空位浓度(图5中的曲线B),导致在析出相形核所需要临界空位浓度不变的条件下,晶界附近无析出带宽度由W 1变成W 2,见图5,即无析出带宽度变窄#图5 淬火合金中晶界附近空位浓度的变化Fig.5 Variation of vacancy concentrati on adjacent toa grain boundary in quenched all oys 1)晶界附近析出相形核所需的临界空位浓度;2)非平衡条件下晶界附近空位的浓度#3 结 论(1)常规铸锭晶界宽化,晶内析出相尺寸较大,形态主要为片状,晶界两侧无析出带宽度约为3~5L m #(2)电流为100A,频率为25H z 时,晶粒细化最明显#晶内位错密度较高,沉淀相尺寸较小,析出相主要为颗粒状和小片状,晶界两侧无析出带宽度为100nm 左右#(3)电流为100A,频率为15H z 时,晶内沉淀相尺寸有所增大,析出相主要为片状和长板条状,晶界两侧无析出带宽度为300nm 左右#参考文献:[1]陈昌麒#超高强铝合金的发展[J]#中国有色金属学报,2002,12(S2):22#(Ch en C Q.Development of ultrahigh -strength aluminum alloy[J].The Chinese Jour nal o f Nonf er rous M etals ,2002,12(S2):22.)[2]David A L,Ray M H.Aluminum alloy development efforts for compression dominated structure of aircraft [J].L ight M etal Age 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Processing of M aterials (M inistry o f Education),Northeaster n U niversity ,Shenyang 110004,China.Correspondent:YA N Y ing ,associate professor,E -mail:yy -neu01@)Abstract:T he effect of frequency of LF electromagnetic field on micr ostructur e of 5100mm sem-i continuously cast Al alloy ingo t w as inv est igated by metalloscope and T EM.T he results show the gr ain size decreases somew hat,but number of equiaxial g rains increases with a current 100A at 15Hz as compared w ith conventional ingot,gr ain r efinement is found to be the most obvious at 25Hz.But grain size turns to increase then with increasing fr equency.With a current 100A at 25Hz,the intergr anular dislocation density becomes higher w ith smaller size of precipitates which are mainly gr anular G c ,G and lamellar T phases and the precipitate -free zones o n both sides of g rain boundary are about 100nm wide.How ev er ,the size of intergr anular precipitates increases somew hat at 15Hz,w hich are mainly lamellar or lath G ,lamellar T and g ranular G c phases w ith precipitate -fr ee zones about 300nm w ide.Key words:metallic materials;microstructure;low fr equency electromagnetic field casting;high -streng th Al alloy(Received A ugust 11,2004)447第5期 颜 莹等:低频电磁场频率对半连铸高强Al 合金组织结构的影响。