研究发现^{[6, 7, 8]}, 铝合金热加工过程中的动态再结晶行为是导致晶粒细化的主要原因, 加工后的组织晶粒度和均匀度与加工过程中的变形量、变形速度或应变速率及变形温度密切相关, 在锻造过程中合理地分配各步工序的变形量, 选择合适的锻造温度和锻造速度, 可以保证锻件拥有均匀、细化的组织, 同时提高生产效率。

图2为模拟的辊锻制坯各道次的辊锻件晶粒度变化。从图2可以看出:夹持端由于未变形, 没有发生动态再结晶, 都是由原始晶粒组成; 几个特征段和过渡段变形量较大, 发生动态再结晶的几率也较大, 动态再结晶晶粒尺寸较小; 中间不变形区段变形量很小, 但是由于受到相邻过渡段变形的影响, 也发生了一定程度的动态再结晶, 晶粒也得到了一定程度的细化; 随辊锻道次的增加, 辊锻件最小晶粒尺寸逐渐减小, 平均晶粒尺寸分别为43.3、34.4、33.4和29.1 μ m, 平均晶粒尺寸分布方差分别为30.7、27.7、26.5和23.8, 说明在辊锻过程中辊锻件组织在不断地细化和均匀化。

图2

Fig.2

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	图2 辊锻过程晶粒度变化Fig.2 Changes of grain size of roll forging process

图3

Fig.3

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	图3 压扁后的坯体晶粒度分布Fig.3 Grain size distribution of forging a fter flattening

锻件在弯曲之前经过压扁工序, 使弯曲时中部材料能够达到弯曲模膛更深的位置, 有利于模锻时枝芽的充满和飞边的均匀, 压扁后的锻件晶粒度分布如图3所示。从图3可以看出:锻件在压扁过程中的变形类似于镦粗变形, 压扁后锻件的整体平均晶粒尺寸进一步减小, 夹持端仍存在晶粒较粗大的粗晶区和部分原始晶粒, 而中部的晶粒则变得比较细小、均匀。锻件平均晶粒尺寸为22.0 μ m, 分布方差为14.9, 整体晶粒组织进一步细化和均匀。

图4为弯曲后的锻件晶粒度分布情况, 可以看出:弯曲后锻件最小晶粒尺寸为11.5 μ m, 小于压扁后的最小晶粒尺寸, 最大晶粒尺寸为73.1 μ m, 锻件中已经没有了原始晶粒, 在锻件中间区段和辊锻夹持端的部分区域保留有晶粒较粗大的粗晶区, 锻件平均晶粒尺寸为17.7 μ m, 平均晶粒尺寸分布方差为4.02, 锻件整体组织较为均匀, 整体晶粒尺寸较小。

图4

Fig.4

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	图4 弯曲后的坯体晶粒度分布Fig.4 Grain size distribution of forging a fter bending

图5为预锻件晶粒度分布, 由于枝芽成型难度大, 故周围飞边较大, 由于实际生产中采用自动化生产线, 夹持端在辊锻后未经过拔长, 因此在模锻时金属剩余较多, 也产生了较大的飞边。由图5可见:预锻件最小晶粒尺寸为2.4 μ m, 最大晶粒尺寸为89.9 μ m。对比弯曲后的锻件最大和最小晶粒尺寸可见, 最小晶粒尺寸变小, 而最大晶粒尺寸变大了。图6为预锻过程中晶粒度变化。由图6可以看出:

图5

Fig.5

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	图5 预锻件晶粒度分布Fig.5 Pre-forging grain size distribution

图6

Fig.6

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	图6 预锻过程中晶粒度变化Fig.6 Grain size changes during pre-forging

在预锻过程中锻件从模拟的80步左右开始变形, 到210步预锻结束, 在开始变形时锻件的平均晶粒尺寸略有减小, 从100步到130步, 平均晶粒尺寸略有增加, 而在这段步数内平均晶粒尺寸变化不大, 而在130步之后, 平均晶粒尺寸则直线上升, 直至预锻结束。

由于预锻过程中, 锻件的各部分变形不均匀, 变形量相差较大, 预锻结束时各部分晶粒度分布差别也比较大。为了更清晰地分析预锻件在锻造过程中的晶粒度变化情况, 可以利用Deform-3D后处理中的点追踪功能, 在锻件上的典型部位选取6个点来追踪各点在预锻过程中锻件的晶粒度变化, 这6个点的晶粒度变化, 可以代表相应区域的晶粒度变化情况。图7(a)(b)显示了所选取的6个点在预锻前、后在锻件上所处的位置, 从图7(c)可以看到, 点P₄ 和P₅ 在预锻过程中平均晶粒尺寸变化不大; 点P₁ 、P₂ 和P₆ 的晶粒度变化趋势较为接近, 最终平均晶粒尺寸大小相近, 晶粒长大较多; 点P₃ 最终平均晶粒尺寸最大, 晶粒长大的最多。在预锻过程中, 点P₄ 和P₅ 所代表的区域在预锻过程中变形量较小; 点P₁ 、P₂ 和P₆ 所代表的区域变形量大, 金属流动剧烈; 点P₃所在的位置是两侧金属汇流最严重的区域。由此可知, 在变形量大和金属流动剧烈的部位平均晶粒尺寸增长的较多, 因为这些区域在预锻过程中产生大量变形热和摩擦热, 局部温度升高严重, 加快了动态再结晶晶粒的长大, 这也是预锻件整体平均晶粒尺寸增大的主要原因。动态再结晶过程实质上就是动态再结晶晶粒反复形核和长大的过程, 也因此形成了图6中的曲线走势。

图7

Fig.7

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	图7 各点的位置和晶粒尺寸变化Fig.7 Location and grain size changes of points

图8为终锻件晶粒度分布。由图8可以看出:终锻结束时, 锻件的平均晶粒尺寸由预锻件的28.7 μ m减小到22.4 μ m, 相比预锻件, 在终锻过程中锻件各部分晶粒均得到了细化, 尤其是腹板晶粒细化明显, 整个腹板区域的组织变得比较细小、均匀, 但在控制臂大头端及相邻区域仍有较粗大晶粒, 形成了少量粗晶区, 因为该部分的材料来自于辊锻制坯的夹持端, 在辊锻过程中没有变形,

图8

Fig.8

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	图8 终锻件晶粒度分布Fig.8 Final forging grain size distribution

图9

Fig.9

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	图9 实际生产中的毛坯和锻件Fig.9 Billets and forgings in actual production

在压扁和弯曲工序中变形量小, 而在模锻过程中变形量相对较大, 金属流动剧烈, 变形情况复杂, 这里的粗晶区难以完全消除。枝芽及其与腹板连接处的大片粗晶区主要来自于预锻过程中, 其形成原因如2.4节中对点 P1、P2追踪的分析, 对比图7(b)和图8的锻件晶粒度分布可知, 在终锻过程中该部分经过进一步变形, 平均晶粒尺寸也略有减小。

图9为实际生产中的四道次的辊锻件及压扁、弯曲、终锻和切边后的锻件。该锻件填充饱满, 飞边均匀, 实际锻造与模拟相似度较高。锻件晶粒度达到一级晶粒度, 即每个晶粒小于26 μ m。由此证明, 本文的制坯和模锻工艺设计合理, 模拟结果精确度较高。经过测试, 锻件力学性能达到了铝合金锻件的性能要求:抗压强度R_m≥ 340 MPa; 屈服强度R_p≥ 310 MPa; 断后伸长率A≥ 10%。

非等温锻造模具温度为20 ℃, 其他条件与等温锻造相同, 其终锻件晶粒度分布如图10所示。非等温锻造终锻件平均晶粒尺寸为31.4 μ m, 远大于等温锻造件的平均晶粒尺寸(22.4 μ m), 由图10中可见, 锻件各部分平均晶粒尺寸也都大于等温锻造终锻件相应部分, 粗晶区分布范围较广, 尤其是大头部分和腹板中间区域, 粗晶区分布更广、晶粒更粗大、粗晶缺陷较严重。

非等温锻造件最小晶粒尺寸为1.22 μ m, 小于等温锻造终锻件的最小晶粒尺寸; 最大晶粒尺寸为85.2 μ m, 大于等温锻造终锻件的最大晶粒尺寸。这是因为非等温锻造时, 锻件与模具接触的部分温度降低快, 不利于动态再结晶形核和晶粒的长大, 阻碍了粗大晶粒发生动态再结晶形核生成大量细小的晶粒和新形成的细小晶粒的长大, 因此锻件的最大晶粒尺寸较大, 而最小晶粒尺寸较小。此时温度降低对动态再结晶形核率的影响占主导作用, 因而锻件整体均晶粒尺寸较大。特别是腹板厚度小, 温度降低得更快, 其中间位置出现了大片晶粒较粗大的区域, 如图10中A-A所示截面, 其晶粒度分布如图11(a)所示, 在等温锻造终锻件上相同位置作截面, 其晶粒度分布如图11(b)所示, 对比图11(a)(b)可见, 非等温锻造的终锻件腹板上的粗晶区几乎贯穿整个截面, 粗晶区晶粒较粗大, 粗晶区和细晶区之间的晶粒度变化剧烈, 严重影响锻件的疲劳强度, 因此腹板是非等温锻造锻件粗晶缺陷的重灾区。

图10

Fig.10

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	图10 非等温锻造终锻件的晶粒度分布Fig.10 Grain size distribution of non-isothermal forging

图11

Fig.11

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	图11 A-A截面上的晶粒度分布Fig.11 Grain size distribution of cross section A-A