材料加工與成型3

1、黃光勝材料加工與成型3主要內(nèi)容： 擠壓 軋制 鍛造 沖壓 擠壓是采用擠壓桿（或凸模）將放在擠壓筒（或凹模）內(nèi)的坯料壓出?？谆蛄魅胩囟ǖ目紫抖尚偷乃苄约庸し椒?。擠壓可以生產(chǎn)管、棒、型、線材以及各種機(jī)械零件。擠壓類型可分許多種。 正向擠壓（正擠壓） 正向擠壓（反擠壓） 側(cè)向擠壓 玻璃潤(rùn)滑擠壓 靜液擠壓 連續(xù)擠壓將金屬擠壓時(shí)制品流出方向與擠壓軸運(yùn)動(dòng)方向相同的擠壓，稱為正擠壓。是最基本的擠壓方法，具有技術(shù)最成熟、工藝操作簡(jiǎn)單、生產(chǎn)靈活性大等特點(diǎn)。正擠壓的基本特征是，擠壓時(shí)坯料與擠壓筒之間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，存在著很大的外摩擦，且在大多數(shù)情況下，這種摩擦是有害，它使金屬流動(dòng)不均勻，導(dǎo)致制品的組織與性能不均勻

2、。正擠壓金屬擠壓時(shí)制品流出方向與擠壓軸運(yùn)動(dòng)方向相反的擠壓，稱為反擠壓。由于金屬坯料與擠壓筒壁之間無相對(duì)滑動(dòng)，擠壓能耗較低（所需擠壓力較小）。金屬流動(dòng)主要集中在?？赘浇念I(lǐng)域，因而制品沿長(zhǎng)度方向的性能均勻。但是該技術(shù)目前還不完善，主要體現(xiàn)在擠壓操作較為復(fù)雜，間隙時(shí)間較正擠壓長(zhǎng)，擠壓制品質(zhì)量的穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步提高等。反擠壓金屬擠壓時(shí)制品流出方向與擠壓軸運(yùn)動(dòng)方向垂直的擠壓稱為側(cè)向擠壓。由于其設(shè)備結(jié)構(gòu)和金屬流動(dòng)特點(diǎn)，側(cè)向擠壓主要用于電線電纜行業(yè)各種復(fù)合導(dǎo)線的成形，以及一些特殊的包覆材料成形。也利用其強(qiáng)烈剪切變形來制備高性能新材料的研究。側(cè)向擠壓 主要用于鋼鐵以及鈦合金、鉬金屬等高熔點(diǎn)材料的管棒材和簡(jiǎn)單

3、型材的成形。主要特征是在變形材料與工具之間有一層處于高黏性的熔融玻璃，以減輕坯料與工具之間的摩擦，并起到隔熱作用。使用溫度范圍一般為6001200 .玻璃潤(rùn)滑擠壓靜液擠壓時(shí)坯料不直接與擠壓筒內(nèi)表面產(chǎn)生接觸，二者之間介以高壓介質(zhì)，施加于擠壓軸上的擠壓力通過高壓介質(zhì)傳遞到坯料上而實(shí)現(xiàn)擠壓。靜液擠壓時(shí)，坯料與擠壓筒內(nèi)表面之間幾乎沒有摩擦存在，接近于理想潤(rùn)滑狀態(tài)，金屬流動(dòng)均勻。同時(shí)，坯料周圍存在較高的靜水壓力，有利于提高坯料的變形能力。主要用于各種包覆材料、低溫超導(dǎo)材料、難加工材料、精密型材等的成形。由于使用了高壓介質(zhì)，生產(chǎn)率低。靜液擠壓是英國(guó)原子能局的D. Green于1971年發(fā)明的Conform

4、連續(xù)擠壓法，使擠壓真正實(shí)現(xiàn)連續(xù)擠壓。是利用變形金屬與工具之間的摩擦力而實(shí)現(xiàn)擠壓的。由旋轉(zhuǎn)槽輪上的矩形斷面槽和固定模座所組成的環(huán)行通道起到普通擠壓法中擠壓筒的作用，當(dāng)槽輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，借助于槽壁上的摩擦力不斷地將桿狀坯料送入而實(shí)現(xiàn)連續(xù)擠壓。連續(xù)連續(xù)擠壓擠壓1、優(yōu)點(diǎn)（1）因處于擠壓加工狀態(tài)的金屬，受三向壓應(yīng)力的作用，所以可以得到比軋制、鍛造更大的塑性變形；（2）在生產(chǎn)過程中，改變擠壓制品的品種方便，往往只需改變擠壓工具即可辦到；（3）擠壓制品的精度高，擠壓制品有較高的機(jī)械性能；（4）從鑄錠到擠壓制品一次擠壓即可成形，所用時(shí)間短。2、缺點(diǎn)（1）擠壓工具處于高溫、高壓條件下工作，擠壓工具要用優(yōu)質(zhì)耐熱鋼材，對(duì)

5、加工及熱處理要求嚴(yán)格，因而擠壓工具成本較高，消耗量較大；（2）鑄錠尺寸受擠壓筒限制，生產(chǎn)過程又間斷進(jìn)行，故與軋制相比，生產(chǎn)效率低；（3）金屬廢料損失較大，收得率低；（4）擠壓制品長(zhǎng)度方向的組織和機(jī)械性能不夠均勻。1、裝料 擠壓時(shí)，為了便于將坯料裝入擠壓筒內(nèi)，一般根據(jù)擠壓筒內(nèi)徑大小不同，坯料直徑應(yīng)比擠壓筒內(nèi)徑小0.5-10mm，小擠壓筒取下限，大擠壓筒取上限。理論上用填充系數(shù)Rf來表示這一差值： 式中 Ft：擠壓筒面積； F0：坯料原始斷面積0/FFRtf 由于擠壓坯料直徑小于擠壓筒內(nèi)徑，因此在擠壓軸壓力的作用下，根據(jù)最小阻力定律，金屬首先向間隙流動(dòng)，產(chǎn)生鐓粗，直到金屬充滿擠壓筒。這一過程一般又

6、稱為填充擠壓過程或填充擠壓階段。 當(dāng)坯料原始長(zhǎng)度與直徑之比在34以下時(shí)，填充時(shí)坯料在擠壓筒內(nèi)首先會(huì)產(chǎn)生單鼓，金屬向與擠壓筒壁之間的空隙流動(dòng)，同時(shí)一小部分金屬流入?？住?、填充擠壓階段（鐓粗）、填充擠壓階段（鐓粗） 當(dāng)坯料的長(zhǎng)度過長(zhǎng)時(shí)，即長(zhǎng)度與直徑比大于45時(shí)，填充時(shí)會(huì)產(chǎn)生雙鼓形變形。在擠壓筒的中部產(chǎn)生一個(gè)封閉空間，隨著填充的進(jìn)行，此空間體積減少，氣體壓力增加，繼而進(jìn)入坯料表面的微裂紋中，這些裂紋通過模子時(shí)被焊合，則在制品表面形成氣泡，或者在未能焊合出模孔后形成起皮。 當(dāng)然，當(dāng)長(zhǎng)徑比小于34時(shí)，在填充時(shí)產(chǎn)生單鼓形，也可能會(huì)在模子與筒壁交界部位形成密封空間（如圖），同樣可給擠壓制品帶來氣泡、起皮等

7、缺陷，并且坯料和擠壓筒間隙越大，即填充系數(shù)越大，產(chǎn)生缺陷的可能性越大，所形成的缺陷越嚴(yán)重。 因此，一般情況下，在坯料能順利裝入擠壓筒的原則下，填充系數(shù)盡可能小。圖4.7模子與筒壁交界部位形成密封空間 基本擠壓階段是從金屬開始流出?？椎秸D壓過程即將結(jié)果時(shí)為止。（1）擠壓力變化 此階段，當(dāng)擠壓工藝參數(shù)與邊界條件（坯料溫度、擠壓速度、坯料與擠壓筒壁之間的摩擦條件）無變化時(shí)，隨著擠壓的進(jìn)行，擠壓力逐漸減少。 3、基本擠壓階段 金屬在基本擠壓階段的流動(dòng)特點(diǎn)因擠壓條件不同而異，以一般情況下圓棒正擠壓為例，其金屬的流動(dòng)特征如圖所示。 （2）金屬流動(dòng)特點(diǎn)平行于擠壓軸線的縱向網(wǎng)絡(luò)線在進(jìn)出?？讜r(shí)發(fā)生了方向相反

8、的兩次彎曲，其彎曲角度由中心層向外逐漸增加，表明金屬內(nèi)外層變形具有不均勻性。 橫向網(wǎng)格線在進(jìn)入變形區(qū)后發(fā)生彎曲，變形前位于同一網(wǎng)格線上的質(zhì)點(diǎn)，變形后靠近中心部位的質(zhì)點(diǎn)比邊部的質(zhì)點(diǎn)超前許多，即在擠壓變形過程中，金屬質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)速度是不均勻的。產(chǎn)生原因有兩點(diǎn)：第一，中心部位正對(duì)著?？?，流動(dòng)阻力比邊部小。第二，外表面受到擠壓筒壁和擠壓模表面的摩擦作用，使外運(yùn)金屬的流動(dòng)進(jìn)一步受到阻礙而滯后。 變形區(qū)：將每一縱向線兩次彎曲的彎折點(diǎn)分別連接起來可得到兩個(gè)曲面，這兩個(gè)曲面所包圍的體積稱為變形區(qū)。在理想情況下，這兩個(gè)曲面同心球面。實(shí)際的變形區(qū)界面既非球面也非平面，其形狀主要取決于外摩擦條件和模具的形狀，包括模孔

9、的大小，甚至變形區(qū)可以擴(kuò)展到擠壓筒內(nèi)整個(gè)坯料體積。 4.10擠壓變形區(qū)死區(qū)：金屬不發(fā)生流動(dòng)的區(qū)域。擠壓過程中，根據(jù)最小阻力定律，金屬將選擇一條較易流動(dòng)的路徑流動(dòng)，從而形成死區(qū)。 u由于死區(qū)和塑性區(qū)的邊界存在著劇烈滑移區(qū)，導(dǎo)致死區(qū)也緩慢地參與流動(dòng)，死區(qū)的體積逐漸減少。u 影響死區(qū)的因素有：模角，摩擦條件，擠壓比，擠壓溫度 終了擠壓階段的一個(gè)顯著特點(diǎn)是金屬徑向流動(dòng)速度增加。在墊片未進(jìn)入變形區(qū)前，變形區(qū)體積保持不變，金屬從模孔中流出的量與進(jìn)入變形區(qū)的量相等。當(dāng)墊片進(jìn)入變形區(qū)后，變形區(qū)體積減少，塑性區(qū)與剛性區(qū)交界面積減少，在擠壓速度、流出速度和擠壓比不變的條件下，要滿足體積不變條件，勢(shì)必增加徑向流速以

10、彌補(bǔ)金屬軸向供給量的不足，致使金屬流動(dòng)進(jìn)入紊流狀態(tài)。4、終了擠壓階段 終了擠壓階段的另一個(gè)特點(diǎn)是擠壓力迅速上升。（1）徑向流動(dòng)速度增加，導(dǎo)致金屬與墊片間的滑動(dòng)速度增加；（2）擠壓筒內(nèi)金屬的體積減少，冷卻較快，變形抗力增加；（3）死區(qū)也參與變形。擠壓縮尾：擠壓縮尾是終了擠壓階段的一種特有缺陷，是坯料表面氧化物、油污臟物及其他表面缺陷（如砂眼、氣孔等）進(jìn)入制品內(nèi)部而形成的。根據(jù)這種缺陷在制品斷面上的位置，可將縮尾分為中心縮尾、環(huán)形縮尾、皮下縮尾三種。 為了不使縮尾流入制品，保證產(chǎn)品品質(zhì)，在擠壓后期，當(dāng)金屬開始發(fā)生倒流形成縮尾以前停止擠壓。并將這部分未擠壓出的金屬毛坯切除。被切除的金屬毛坯稱為殘料或

11、壓余。殘料的厚度與擠壓方法、擠壓筒直徑、合金、制品直徑或厚度有關(guān)，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來決定，取擠壓筒直徑的1030%.。5、殘料1、擠壓比的選擇 擠壓系數(shù)的大小對(duì)產(chǎn)品的組織、性能和生產(chǎn)效率有很大的影響，當(dāng)擠壓系數(shù)過大時(shí)，則鑄錠長(zhǎng)度必須縮短（壓出長(zhǎng)度一定時(shí)），幾何廢料也隨之增加。同時(shí)，由于擠壓比的增加會(huì)引起擠壓力的增加。如果擠壓比選擇過小，則因金屬組織變形程度小，力學(xué)性能滿足不了技術(shù)要求。對(duì)于鋁合金，為了滿足力學(xué)性能要求，一般8。型材的為1045，棒、帶材為1025。擠壓小截面型材時(shí)，根據(jù)擠壓的合金不同，可以采用100-200。 ?？讉€(gè)數(shù)與模孔的排列：主要由型材外形復(fù)雜程序、產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)管理情況，以

12、及擠壓筒直徑來確定。一般是14孔，最多有12孔。其目的是減少擠壓比，提高生產(chǎn)效率。 擠壓溫度是擠壓參數(shù)中最活躍的因素，它不但影響擠壓過程的進(jìn)行，還影響收得率、產(chǎn)品的質(zhì)量以及力學(xué)性能等。從理論上考慮，應(yīng)根據(jù)合金的相圖、塑性圖、和再結(jié)晶圖，即擠壓溫度應(yīng)低于合金的固相線高于再結(jié)晶溫度，并且是塑性較好的溫度，但實(shí)際上遠(yuǎn)比此復(fù)雜。 擠壓筒、墊片、模具的溫度一般比擠壓溫度低，以補(bǔ)償由于摩擦熱、變形熱而引起的溫升。2、擠壓溫度選擇。 選擇擠壓速度的原則是，在保證制品不產(chǎn)生表面裂紋毛刺和扭擰、彎曲、波浪、間隙、擴(kuò)（并）口以及尺寸等重量問題的前提下，當(dāng)擠壓機(jī)能力允許時(shí)，速度越快越好。但擠壓速度的確定同擠壓溫度一

13、樣，也十分復(fù)雜。擠壓速度的大小受合金、狀態(tài)、毛料、尺寸、擠壓方法、擠壓力、工具、制品復(fù)雜程度、擠壓溫度、?？讛?shù)量、潤(rùn)滑條件等的影響。3、擠壓速度： 鋁及鋁合金：通常擠壓溫度在400-500之間，擠壓比為630、3080不等，制品流出速度1.530m/min。而擠壓純鋁可高達(dá)100m/min. 銅合金：擠壓溫度隨合金成分變化范圍寬，通常在600-900，如黃銅(含Zn為30%)擠壓溫度為750-840。擠壓比較大，最大通常在100以上，最高可達(dá)300。制品流出速度較快，最高為200、300m/min.4、擠壓工藝舉例 就實(shí)際生產(chǎn)中廣泛采用的普通熱擠壓而言，擠壓制品的組織與其它加工方法(例如軋制、

14、鍛造)相比，其特點(diǎn)是在制品的斷面與長(zhǎng)度方向上都很不均勻，一般是頭部晶粒粗大，尾部晶粒細(xì)?。恢行木Я４执?，外層晶粒細(xì)小(熱處理后產(chǎn)生粗晶環(huán)的制品除外)。擠壓制品組織不均勻性的另一特點(diǎn)是部分金屬擠制品表面出現(xiàn)粗大晶粒組織。 擠壓制品的組織在斷面上和長(zhǎng)度上出現(xiàn)不均勻性，主要是由于不均勻變形而引起的。 造成擠壓制品組織不均勻性的另一因素是擠壓溫度與速度的變化。 例如，在擠壓制品的前端中心部分，由于變形不足，特別是在擠壓比很小(R5)時(shí)，常保留一定程度的鑄造組織。因此，生產(chǎn)中按照型材壁厚或棒材直徑的不同，規(guī)定在前端切去100300mm的幾何廢料。 在擠壓制品的中段主要部分上，當(dāng)變形程度較大時(shí)(R1012

15、)，其組織和性能基本上是均勻的。變形程度較小時(shí)(R610)，其中心和周邊上的組織特征仍然是不均勻的，而且變形程度越小，這種不均勻性越大。25m用低擠壓比擠壓的AZ31B鎂合金管材組織低溫?cái)D壓AZ31B鎂合金棒材時(shí)的混晶組織50m擠壓制品組織的不均勻性還表現(xiàn)在某些金屬或合金在擠壓或隨后的熱處理過程中，在其外層出現(xiàn)粗大晶粒組織，通常稱之為粗晶環(huán)。圖4.17 LY11擠壓棒材和LYl2擠壓型材淬火后的粗晶環(huán)組織 根據(jù)粗晶環(huán)出現(xiàn)的時(shí)間，可將其分為兩類。 第一類是在擠壓過程中即已形成的粗晶環(huán)，例如純鋁、MB15鎂合金擠壓制品的粗晶環(huán)等。這類粗晶環(huán)的形成原因是，金屬的再結(jié)晶溫度比較低，可在擠壓溫度下發(fā)生完

16、全再結(jié)晶。如前所述，由于模子形狀約束與外摩擦的作用造成金屬流動(dòng)不均勻，外層金屬所承受的變形程度比內(nèi)層大，晶粒受到劇烈的剪切變形，晶格發(fā)生嚴(yán)重的畸變，從而使外層金屬再結(jié)晶溫度降低，容易發(fā)生再結(jié)晶并長(zhǎng)大，形成粗晶組織。由于擠壓不均勻變形是從制品的頭部到尾部逐漸加劇的，因而粗晶環(huán)的深度也由頭部到尾部逐漸增加。 由于擠壓不均勻變形是絕對(duì)的，所以任何一種擠壓制品均有出現(xiàn)第一類粗晶環(huán)的傾向，只是由于有些合金的再結(jié)晶溫度比較高，在擠壓溫度下不易產(chǎn)生再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大(例如LF21、HPb591等擠制品在鍛造前的加熱過程中同樣會(huì)產(chǎn)生粗晶環(huán))，或者因?yàn)閿D壓流動(dòng)相對(duì)較為均勻(例如紫銅的氧化皮具有良好的潤(rùn)滑作用，靜液

17、擠壓時(shí)），不足以使外周層金屬的再結(jié)晶溫度明顯降低，而不容易出現(xiàn)粗晶環(huán)。第一類粗晶環(huán) 第二類粗晶環(huán)是在擠制品的熱處理過程中形成的，例如含Mn、Cr、Zr等元素的熱處理可強(qiáng)化鋁合金(LY11、LY12、LY2、LD2、LD5、LD10、LC4等)。這些鋁合金擠制品在淬火后，?？沙霈F(xiàn)較為嚴(yán)重的粗晶環(huán)組織。 這類粗晶環(huán)的形成原因除與不均勻變形有關(guān)外，還與合金中含Mn、Cr等抗再結(jié)晶元素有關(guān)。Mn、Cr等元素固溶于鋁合金中能提高再結(jié)晶溫度，合金中的化合物MnAl6、CrAl7、Mg2Si、CuAl2等可阻止再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大。擠壓時(shí)，由于模具幾何約束與強(qiáng)烈的摩擦作用，使外層金屬流動(dòng)滯后于中心部分，外層金屬

18、內(nèi)呈很大的應(yīng)力梯度和拉附應(yīng)力狀態(tài)，因此促進(jìn)了Mn的析出，使固溶體的再結(jié)晶溫度降低，產(chǎn)生一次再結(jié)晶，但因第二相由晶內(nèi)析出后呈彌散質(zhì)點(diǎn)狀態(tài)分布在晶界上，阻礙了晶粒的集聚長(zhǎng)大。因此，在擠壓后鋁合金制品外層呈現(xiàn)細(xì)晶組織。在淬火加熱時(shí)，由于溫度高，析出的第二相質(zhì)點(diǎn)又重新溶解，使阻礙晶粒長(zhǎng)大的作用消失，在這種情況下，一次再結(jié)晶的一些晶粒開始吞并周圍的晶粒迅速長(zhǎng)大，形成粗晶組織，即粗晶環(huán)。而在擠壓制品的中心區(qū)，由于擠壓時(shí)呈穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，變形比較均勻，又由于受壓附應(yīng)力作用，不利于錳的析出，使中心區(qū)金屬的再結(jié)晶溫度較高，不易形成粗晶。第二類粗晶環(huán) 減少或消除粗晶環(huán)的最根本方法，應(yīng)該圍繞兩個(gè)方面采取措施：一是盡可

19、能減少擠壓時(shí)的不均勻變形，二是控制再結(jié)晶的進(jìn)行。 在擠壓制品中，常?？梢杂^察到層狀組織。所謂層狀組織，也稱片狀組織，其特征是制品在折斷后，呈現(xiàn)出與木質(zhì)相似的斷口，分層的斷口表面凹凸不平，分層的方向與擠壓制品軸向平行，繼續(xù)塑性加工或熱處理均無法消除這種層狀組織。鋁青銅擠壓制品容易形成層狀組織。 層狀組織對(duì)制品縱向(擠壓方向)力學(xué)性能影響不大，而使制品橫向力學(xué)性能降低。例如，用帶有層狀組織的材料做成的襯套所能承受的內(nèi)壓要比無層狀組織的材料低30左右。 根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)證明，產(chǎn)生層狀組織的基本原因是在坯料組織中存在大量的微小氣孔、縮孔，或是在晶界上分布著未被溶解的第二相或者雜質(zhì)等，在擠壓時(shí)被拉長(zhǎng)，從

20、而呈現(xiàn)層狀組織。層狀組織一般出現(xiàn)在制品的前端，這是由于在擠壓后期金屬變形程度大且流動(dòng)紊亂，從而破壞了雜質(zhì)薄膜的完整性，使層狀組織程度減弱。 防止層狀組織出現(xiàn)的措施，應(yīng)從坯料組織著手，減少坯料柱狀晶區(qū)，擴(kuò)大等軸晶區(qū)，同時(shí)使晶間雜質(zhì)分散或減少。另外，對(duì)于不同的合金還有一些相應(yīng)的解決層狀組織的辦法。例如，據(jù)研究認(rèn)為，使6A02合金中Mn含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))超過0.18時(shí)，層狀組織可消失；對(duì)于鋁青銅的層狀組織，適當(dāng)?shù)乜刂畦T造結(jié)晶器的高度(不大于200mm)可消除或減少層狀組織。 擠壓制品的變形和組織不均勻性必然相應(yīng)地引起力學(xué)性能不均勻性。一般來說，實(shí)心制品(未經(jīng)熱處理)的心部和前端的強(qiáng)度(b、s)低，伸長(zhǎng)

21、率高，而外層和后端的強(qiáng)度高，伸長(zhǎng)率低，如圖.擠壓棒材縱向和橫向上的力學(xué)性能不均勻 擠壓制品力學(xué)性能的不均勻性也表現(xiàn)在制品的縱向和橫向性能差異上(即各向異性)。擠壓時(shí)的主變形圖是兩向壓縮一向延伸變形，使金屬纖維都朝著擠壓方向取向，從而使其力學(xué)性能的各向異性較大。擠壓比為7.8的錳青銅棒各方向上的力學(xué)性能如表所示。一般認(rèn)為，制品的縱向與橫向力學(xué)性能不均勻，主要是由于變形織構(gòu)的影響，但還有其他方面的原因。即擠壓后的制品晶粒被拉長(zhǎng)；存在于晶粒間金屬化合物沿?cái)D壓方向被拉長(zhǎng)；擠壓時(shí)氣泡沿晶界析出等。表錳青銅棒各方向上的力學(xué)性能 當(dāng)擠壓比較小時(shí)，制品中心層和周邊力學(xué)性能不均勻性嚴(yán)重，而當(dāng)擠壓比增大時(shí)，性能的

22、不均勻性減小，如圖當(dāng)變形程度20%時(shí)，棒材強(qiáng)度在內(nèi)部和外層是相同的，當(dāng)繼續(xù)增加變形程度時(shí)，其差值增加，當(dāng)變形程度增加到90%時(shí)，沿?cái)嗝嫘再|(zhì)的差異減小且逐漸消失。同時(shí)也從其他金屬及合全的試驗(yàn)得到證買。因此一般選90%以上的變形程度最適宜。變形程度20%以下時(shí)由于制品的力學(xué)性能差而不用。 擠壓效應(yīng)是指某些鋁合金擠壓制品與其他加工制品(如軋制、拉伸和鍛造等)經(jīng)相同的熱處理后，前者的強(qiáng)度比后者高，而塑性比后者低。這一效應(yīng)是擠壓制品所獨(dú)有的特征，下表所示為幾種鋁合金以不同加工方法經(jīng)相同淬火時(shí)效后的抗拉強(qiáng)度值。幾種鋁合金以不同加工方式經(jīng)相同淬火時(shí)效后的強(qiáng)度，MPa 產(chǎn)生擠壓效應(yīng)的原因，一般認(rèn)為有如下兩個(gè)方

23、面： (1)由于擠壓使制品處在強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài)和二向壓縮一向延伸變形狀態(tài)，制品內(nèi)部金屬流動(dòng)平穩(wěn)，晶粒皆沿?cái)D壓方向流動(dòng)，使制品內(nèi)部形成較強(qiáng)的織構(gòu)。(2)由于Mn、Cr等抗再結(jié)晶元素的存在，使擠壓制品內(nèi)部在熱處理后仍保留著加工織構(gòu)，而未發(fā)生再結(jié)晶。 在大多數(shù)情況下，鋁合金的擠壓效應(yīng)是有益的，它可保證構(gòu)件具有較高的強(qiáng)度，節(jié)省材料消耗，減輕構(gòu)件重量。但對(duì)于要求各個(gè)方向力學(xué)性能均勻的構(gòu)件(如飛機(jī)大梁型材)，則不希望有擠壓效應(yīng)。 材料的組織細(xì)化是一種可以同時(shí)提高材料強(qiáng)度和塑性的有效手段。傳統(tǒng)的細(xì)化處理工藝，如添加晶粒細(xì)化劑或者采用熱機(jī)械處理等，可在一定程度上有效細(xì)化晶粒，成功地將晶粒細(xì)化到10m的數(shù)量

24、級(jí)。但很難將晶粒細(xì)化到5m以下。 劇烈塑性變形(severe plastic deformation，SAPD)是近30年來迅速發(fā)展的一種制備納米組織的方法，被國(guó)際材料學(xué)界公認(rèn)為是制備塊狀納米(晶粒大小小于100 nm) 和超細(xì)晶材料(晶粒大小為100 nm1m) 的最有前途的方法。1. 等通道角加工（ ECAP） ECAP 是20 世紀(jì)80 年代Seg al 等在研究純剪切變形的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。ECA P 的初衷是在不改變材料橫截面形狀的情況下， 使材料產(chǎn)生劇烈的塑性變形, 從而使重復(fù)變形成為可能。20 世紀(jì)90年代初Valiev 等發(fā)現(xiàn)， 利用該方法可以使材料獲得大應(yīng)變，從而有效細(xì)化晶粒

25、，之后ECAP 不斷發(fā)展和完善，成為目前最成熟的SPD 工藝之一。等通道角擠壓的等通道角擠壓的4 4種路徑種路徑傳統(tǒng)ECAP 局限性 采用傳統(tǒng)ECAP 對(duì)材料進(jìn)行擠壓變形時(shí)具有一定的局限性，即在每道次擠壓變形后，須把材料取出后再放進(jìn)去，而不是通過中間轉(zhuǎn)換部分來實(shí)現(xiàn)材料的快速進(jìn)出轉(zhuǎn)換以獲得較多擠壓道次及高壓應(yīng)變，這使得工作過程繁瑣，同時(shí)浪費(fèi)時(shí)間。同時(shí)ECA P 受設(shè)備結(jié)構(gòu)等的限制，不能用于制備大體積板材。嚴(yán)重制約了ECAP 的工業(yè)推廣。近年, 已有眾多學(xué)者致力于設(shè)計(jì)新模具和工藝。多級(jí)連續(xù)彎曲通道ECAP 多級(jí)連續(xù)彎曲通道ECAP 的特點(diǎn)是通道連續(xù)彎曲， 一次擠壓相當(dāng)于幾次傳統(tǒng)的ECAP 變形，可

26、以不斷地由進(jìn)料端加入坯料，而由出口處得到大變形的試樣,效率較高，可節(jié)省75%以上的時(shí)間。試樣組織結(jié)構(gòu)演化分析和顯微硬度測(cè)試均證明了多級(jí)連續(xù)彎曲通道ECAP 的變形方式， 等同于路線C 的傳統(tǒng)單道次。旋轉(zhuǎn)模等徑角擠壓RD-ECAP RD-ECAP 在一套模內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)試樣的連續(xù)擠壓， 提高了工作效率，同時(shí)， 由于避免了試樣的重復(fù)取出與裝入， 能夠方便的控制擠壓溫度。當(dāng)然，多級(jí)連續(xù)彎曲通道ECAP 和RD-ECAP的局限性同樣明顯，即擠壓路徑單一，模具的角度難以調(diào)整，以及試樣的縱橫比太小等。( Equal Channel Angular Rolling, RCAR)連續(xù)限制板帶剪切( contin

27、uous confined strip shearing, C2S2) 工藝。1.7mm1.7mm2.高壓扭轉(zhuǎn) 高壓扭轉(zhuǎn)具有很強(qiáng)的晶粒細(xì)化能力，被認(rèn)為是劇烈塑性變形中細(xì)化能力最強(qiáng)的工藝，得到的納米晶粒均勻，尺寸大約為100nm。并且高壓扭轉(zhuǎn)工藝參數(shù)靈活可調(diào)，可以方便的調(diào)節(jié)累積應(yīng)變，施加壓力和變形速度等。 但是目前的高壓扭轉(zhuǎn)工藝存在幾個(gè)問題：首先，HPT方法只能用于制備圓盤狀試樣，其直徑10mm20mm，厚度0.21.0mm，樣品尺寸受到極大的限制。連續(xù)高壓扭轉(zhuǎn)3. 累積疊軋焊 累積疊軋焊(Accumulative roll-bonding, ARB，又稱累積軋制-復(fù)合法)是由日本大阪大學(xué)SAI

28、TO 等首次提出并逐步發(fā)展起來的一種變形方法。目前，由于ARB 工藝易于在傳統(tǒng)軋機(jī)上實(shí)現(xiàn)，制備的板材具有層壓復(fù)合鋼板的特性，因此可用于各種材料的制備中。4 多向鍛造 多向鍛造(Multiple forging, MF)是20 世紀(jì)90 年代由SALISHCHEV 等提出的對(duì)塊狀試樣加工成形獲得超細(xì)晶組織的一種新型方法。該技術(shù)的原理等同于多次自由鍛造過程，即依次沿不同的軸向鍛壓材料，在變形過程中晶粒因發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶而得到細(xì)化。5.反復(fù)折皺-壓直法 工件經(jīng)過多次反復(fù)折皺、壓直后獲得較大的塑性變形, 實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。與其他SPD 法相比, RCS 最大的進(jìn)步在于能夠方便的利用現(xiàn)有的軋輥設(shè)備制備大體積板

29、材, 并且有可能實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn), 具備工業(yè)應(yīng)用的可能性。 RCS 的主要局限性在于，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度方向上的均勻細(xì)化。雖然可以通過增加道次來提高細(xì)化組織的均勻性， 但是過多地增加道次又將導(dǎo)致板材厚度的降低以及微裂紋的萌生， 限制模壓(Constrained groove pressing, CGP)的提出是在2002 年, Shin采用該方法在商業(yè)純鋁上實(shí)現(xiàn)了晶粒細(xì)化。CGP 是在不改變?cè)嚇訑嗝嫘螤畹那闆r下, 經(jīng)過多次反復(fù)壓彎、壓直,使試樣受到的應(yīng)變不斷累積, 從而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。1. 形變誘導(dǎo)晶粒細(xì)化 位錯(cuò)變形機(jī)制 在ECAP、HPT、SE、ARB、RCS和TE等成形過程中發(fā)現(xiàn)了剪切帶，剪切帶

30、的交叉、增殖，導(dǎo)致微觀組織的破碎，使其逐漸演變成等軸胞和亞晶結(jié)構(gòu)。剪切應(yīng)力位錯(cuò)模型是SPD 細(xì)化晶粒機(jī)理中得到研究者認(rèn)可最多的模型。 孿晶變形機(jī)制 晶界滑移和扭轉(zhuǎn)變形機(jī)制 SPD 法制備金屬微納米材料最主要的微觀結(jié)構(gòu)特征是含有高密度位錯(cuò)的大角度晶界和晶界上的非平衡結(jié)構(gòu)。非平衡晶界和亞晶界上的晶格嚴(yán)重畸變，晶界上的位錯(cuò)密度極高，晶界極不穩(wěn)定，處于高能狀態(tài)，有向低能態(tài)平衡晶界轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。 在多向鍛造（MF） 工藝過程中，熱機(jī)械變形細(xì)化晶粒是主要的細(xì)化機(jī)制。盡管MF 工藝的變形溫度低于0. 5Tm，但由于累計(jì)的塑性變形很大，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)再結(jié)晶溫度下降，實(shí)際MF 加工是在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)間內(nèi)進(jìn)行的。 在往復(fù)鐓

31、拔擠變形使粒子在材料中不斷的混合和重新分配。晶粒和粒子碰撞、破碎、孔洞閉合，材料中晶粒和粒子的尺寸逐漸變小3.3.1 初步認(rèn)識(shí)鎂鎂條在氧氣中燃燒煙花中的鎂粉燃燒閃光粉照明彈鎂光燈主要成份鎂粉 2008年4月25日凌晨，南京浦口浦泗路啟鎂鎂業(yè)有限公司發(fā)生大火。 2007年8月11日，深圳龍崗平湖街道的一家鎂合金工廠的抽風(fēng)機(jī)發(fā)生爆炸，兩層樓的玻璃被震碎。名工人在這起意外事故中受輕傷。 2011年3月4日晚20時(shí)43分，寧波余姚市長(zhǎng)元路一電動(dòng)工具有限公司發(fā)生火災(zāi)，兩層廠房被大火燒毀，過火面積約400平米據(jù)了解，該車間是負(fù)責(zé)給鎂合金制品噴漆的，員工一度認(rèn)為是油漆燒起來了。 2005/07/21清晨5時(shí)

32、30分許，寶安區(qū)龍華富士康工業(yè)區(qū)內(nèi)一鎂合金廠的生產(chǎn)車間發(fā)生爆炸造成起火。鎂合金相關(guān)事故 2010-03-14上午10時(shí)30分許，位于長(zhǎng)沙泉塘附近的一輕合金材料工廠突發(fā)火災(zāi)，存放在倉庫內(nèi)的近30噸鎂鋁合金發(fā)生劇烈爆炸。事發(fā)后，長(zhǎng)沙消防部門緊急趕到現(xiàn)場(chǎng)，與當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)工作人員一起撲救近4個(gè)小時(shí)，終于在下午2時(shí)許，將大火控制。30噸鎂鋁爆炸放強(qiáng)光用了15車土才滅掉火。所幸事發(fā)當(dāng)時(shí)工廠內(nèi)的工人不多并及時(shí)撤離，未造成人員傷亡。 2013年4月25日晚8點(diǎn)，臺(tái)州市路橋區(qū)峰江街道一金屬堆場(chǎng)，十多噸金屬鎂發(fā)生爆燃。據(jù)當(dāng)?shù)亟值赖墓ぷ魅藛T介紹，起火的金屬堆場(chǎng)并不正規(guī)，這些金屬鎂應(yīng)該是“洋垃圾”，“金屬鎂這樣簡(jiǎn)易地堆在

33、一起保存，遇到少量火源，就會(huì)劇烈燃燒起來?！?2013年11月27日晚6時(shí)30分許，嘉瑞集團(tuán)旗下位于深圳龍崗平湖的創(chuàng)金美科技公司熔燒房突然爆炸起火，隨后引燃了工廠兩棟4層樓高的樓房。工廠內(nèi)部員工懷疑是儲(chǔ)存在倉庫的鎂粉遇火引發(fā)此次事故。直到晚8時(shí)30分，記者才輾轉(zhuǎn)趕到事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)。只見現(xiàn)場(chǎng)兩棟4層樓高的廠房全部著火，明火把兩棟樓房燒得通紅，火苗和濃煙分別躥起幾米十幾米高。盡管消防人員已經(jīng)趕到，并且在方圓幾公里內(nèi)四處取水滅火，但是大火無減弱的跡象。鎂合金相關(guān)事故 2014年5月13日下午4時(shí)許，東京町田市成瀨的金屬加工公司的一家工廠發(fā)生爆炸火災(zāi)，造成8名工作人員不同程度重輕傷，其中1人昏迷。 警視廳表

34、示，該工廠1層的倉庫內(nèi)放有鎂和鋁，事發(fā)當(dāng)時(shí)作業(yè)員正在該廠房進(jìn)行焊接作業(yè)，不知是什么原因?qū)е庐a(chǎn)生火花，致使約80公斤的鎂和約20公斤的鋁燃燒，引發(fā)火災(zāi)。 東北輕合金加工廠1965-1978年發(fā)生了四起鋁鎂粉塵爆炸事故，其中第四起檢修多管除塵器爆炸：1978年12月12日，鎂粉工段在檢修多管除塵器時(shí)，發(fā)生重大爆炸傷亡事故。多管除塵器是引用生產(chǎn)炭素材料工廠用的除塵設(shè)備，內(nèi)吊裝有2001500毫米的鋼管25根，沒有固定，生產(chǎn)16年沒有檢修過。在12月12日檢修過程中，一名工人站在多管除塵器內(nèi)管上端，用鋁線綁著破布反復(fù)清除排氣管內(nèi)壁附著的鎂粉，使粉塵大量懸浮在空氣中，空氣中鎂粉濃度達(dá)到了爆炸條件。當(dāng)清理

35、活動(dòng)中，由于排氣管葉輪、套管內(nèi)壁或其外壁與鋼板格撞擊產(chǎn)生火花，引起鎂粉爆炸。當(dāng)場(chǎng)死亡5人，重傷2人，輕傷4人，廠房三樓面積432平方米全部炸毀，直接經(jīng)濟(jì)損失22萬余元。 2014年8月2日7時(shí)34分，位于江蘇省蘇州市昆山市昆山經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的昆山中榮金屬制品有限公司拋光二車間發(fā)生特別重大鋁粉塵爆炸事故，當(dāng)天造成75人死亡、185人受傷。事故發(fā)生后，最終統(tǒng)計(jì)146人死亡，114人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失3.51億元。 經(jīng)查明，事故的直接 原因是：事故車間除塵系統(tǒng)較長(zhǎng)時(shí)間未按規(guī)定清理，鋁粉塵集聚。除塵系統(tǒng)風(fēng)機(jī)開啟后，打磨過程產(chǎn)生的高溫顆粒在集塵桶上方形成粉塵云。1號(hào)除塵器集塵桶銹蝕 破損，桶內(nèi)鋁粉受潮，

36、發(fā)生氧化放熱反應(yīng)，達(dá)到粉塵云的引燃溫度，引發(fā)除塵系統(tǒng)及車間的系列爆炸。因沒有泄爆裝置，爆炸產(chǎn)生的高溫氣體和燃燒物瞬間經(jīng)除塵管 道從各吸塵口噴出，導(dǎo)致全車間所有工位操作人員直接受到爆炸沖擊，造成群死群傷。 2015年2月10日在江蘇省昆山市人民法院第一次公開開庭審理。被告人吳基滔作為公司法定代表人，被告人林伯昌作為公司總經(jīng)理，被告人吳升憲作為公司經(jīng)理兼安全生產(chǎn)主管，其行為均觸犯了中華人民共和國(guó)刑法第一百三十五條的規(guī)定，均應(yīng)當(dāng)以重大勞動(dòng)安全事故罪追究其刑事責(zé)任。 國(guó)務(wù)院事故調(diào)查組出具事故調(diào)查報(bào)告認(rèn)定，該事故是一起特別重大生產(chǎn)安全責(zé)任事故。事故發(fā)生的主要原因是中榮公司無視國(guó)家法律，違法違規(guī)組織項(xiàng)目建

37、設(shè)和生產(chǎn)，違法違規(guī)進(jìn)行廠房設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝布局，違規(guī)進(jìn)行除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造、安裝、改造，車間鋁粉塵集聚嚴(yán)重，安全生產(chǎn)管理混亂，安全防護(hù)措施不落實(shí)。司法機(jī)關(guān)已采取措施人員（18人），建議給予黨紀(jì)、政紀(jì)處分的人員（35人，昆山市委書記被免職市長(zhǎng)被撤職）。事故原因（一）直接原因：由于一系列違法違規(guī)行為，整個(gè)環(huán)境具備了粉塵爆炸的五要素，引發(fā)爆炸。粉塵爆炸的五要素包括：可燃粉塵、粉塵云、引火源、助燃物、空間受限。（二）管理原因：1.中榮公司無視國(guó)家法律，違法違規(guī)組織項(xiàng)目建設(shè)和生產(chǎn)，是事故發(fā)生的主要原因。（1）廠房設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝布局違法違規(guī)。事故車間廠房原設(shè)計(jì)建設(shè)為戊類，而實(shí)際使用應(yīng)為乙類。生產(chǎn)線布置過密。

38、通道中放置了輪轂，造成疏散通道不暢通。（2）除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造、安裝、改造違規(guī)。除塵器本體及管道未設(shè)置導(dǎo)除靜電的接地裝置、未按粉塵爆炸泄壓指南（GB/T15605-2008）要求設(shè)置泄爆裝置，集塵器未設(shè)置防水防潮設(shè)施，集塵桶底部破損后未及時(shí)修復(fù)。（3）車間鋁粉塵集聚嚴(yán)重。鋁鎂粉加工粉塵防爆安全規(guī)程（GB17269-2003）規(guī)定的23米/秒支管平均風(fēng)速計(jì)算，該總風(fēng)量應(yīng)達(dá)到31850 立方米/小時(shí)，原始設(shè)計(jì)差額為9.6%?，F(xiàn)場(chǎng)除塵系統(tǒng)吸風(fēng)量不足。同時(shí)，企業(yè)未按規(guī)定及時(shí)清理粉塵。（4）安全生產(chǎn)管理混亂。中榮公司安全生產(chǎn)規(guī)章制度不健全、不規(guī)范，盲目組織生產(chǎn)，未建立崗位安全操作規(guī)程，現(xiàn)有的規(guī)章制度未落

39、實(shí)到車間、班組。未建立隱患排查治理制度，無隱患排查治理臺(tái)賬。風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)不全面，對(duì)鋁粉塵爆炸危險(xiǎn)未進(jìn)行辨識(shí)，缺乏預(yù)防措施。未開展粉塵爆炸專項(xiàng)教育培訓(xùn)和新員工三級(jí)安全培訓(xùn)，安全生產(chǎn)教育培訓(xùn)責(zé)任不落實(shí)，造成員工對(duì)鋁粉塵存在爆炸危險(xiǎn)沒有認(rèn)知。（5）安全防護(hù)措施不落實(shí)。事故車間電氣設(shè)施設(shè)備不符合爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50058-1992）規(guī)定，均不防爆，電纜、電線敷設(shè)方式違規(guī)，電氣設(shè)備的金屬外殼未作可靠接地?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員密集，崗位粉塵防護(hù)措施不完善，未按規(guī)定配備防靜電工裝等勞動(dòng)保護(hù)用品，進(jìn)一步加重了人員傷害。 2.蘇州市、昆山市和昆山開發(fā)區(qū)安全生產(chǎn)紅線意識(shí)不強(qiáng)、對(duì)安全生產(chǎn)工作重視不夠，是事故發(fā)生的重要原因。 3.負(fù)有安全生產(chǎn)監(jiān)督管理責(zé)任的有關(guān)部門未認(rèn)真履行職責(zé)，審批把關(guān)不嚴(yán)，監(jiān)督檢查不到位，專項(xiàng)治理工作不深入、不落實(shí)，是事故發(fā)生的重要原因。 4.江蘇省淮安市建筑設(shè)計(jì)研究院