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铝型材挤压时,型材的应力和变形是十分复杂的,并随着挤压方法和工艺条件而变化;简单的挤压过程,即单孔平模正挤压圆棒材时的外力、应力和变形状态见图1;
(图1:铝型材挤压时的外力、应力和变形状态图)
铝型材挤压所受外力有:挤压轴的正压力p;挤压筒壁和模孔壁的作用力p’;在型材与垫片挤压筒及模孔接触面上的摩擦力T,其作用方向与型材的流动方向相反;这些外力的作用解决了铝型材挤压时基本应力状态是三向压应力状态;这种应力状态对利用和发挥型材的塑性是极其有利的;轴向压应力σe、径向压应力σr、周向或环形压应力σθ,如图1所示;
铝型材挤压时的变形状态为:一维延伸变形,即轴向变形εe;二维压缩变形,即径向变形εr及周向变形εθ;
(图2:应力分布示意图)
铝型材挤压过程是轴对称问题,所以σr=σθ,εr=εθ;为了说明型材的变化情况,分析其应力分布如图2所示;在铝型材挤压过程中,由于模孔的存在,型材内部的应力状态可分为对着模孔的区域Ⅰ和在Ⅰ区周围的区域Ⅱ;在Ⅰ区的应力分布是丨σe丨<丨σr丨=丨σθ丨;在Ⅱ区内则丨σe丨>丨σr丨=丨σθ丨;在中心线上部与下部分别表示Ⅰ区的σr及σθ的分布;在Ⅱ区的σe及σr相应表示在上、下两周边线上;σe及σr在横断面的分布是中心部分小而靠周边部分大;
过去认为只有自然时效的铝型材才可以回归处理;到1974年B.M.Cina首次提出,对人工时效状态的铝型材也可以进行回归处理,随后再重复原来的人工时效;这种热处理工艺称作回归再时效处理;这种工艺较适用于Al-Cu-Mg、Al-Mg-Si、Al-Zn-Mg-Cu系铝合金;
如Al-Zn-Mg-Cu系的7075铝合金,用单极峰值时效(T6)可达到最高抗拉强度,但应力腐蚀抗力降低;为改善应力腐蚀抗力采用分级时效,即用110℃时效,保温8h,再177℃时效,保温8h,结果提高了应力腐蚀抗力,但强度降低了10%~15%;采用回归再时效处理,可以保持7075铝合金T6状态的高强度,又具备了分级时效处理的优良应力腐蚀抗力;
(铝型材的显微硬度与回归处理时间的关系图)
7075铝合金回归再时效工艺为120℃时效24h,240℃回归处理,随后按原工艺再进行人工时效;回归处理时间对回归状态及回归再时效状态的性能有直接影响,如上图所示;从图中可知,随着回归时间增加,回归状态的硬度迅速下降,大约在25s达到最低点,随后出现一个不大的峰值后又重新降低;经再时效处理,铝型材再度硬化,硬化效果随回归时间增加而逐渐下降;在回归时间为30s内,时效后的硬度可恢复到原T6状态;
回归再时效处理的组织变化较为复杂,7075铝合金T6状态,主要脱溶相为η’和η(MgZn2);在回归处理时,同时发生强化相溶解,析出及聚集;尺寸细小稳定性较低的η过渡相会重新溶于基体,而尺寸较大稳定较高的η’相会转变成η相;与此同时铝型材基体中原已存在的η相会聚集成更粗大的质点;这种变化与自然时效状态铝型材回归的组织变化不同,因为后者情况下GP区将全部溶解,合金组织回到淬火状态;7075铝合金240℃回归处理前期主要是η’相的溶解,导致脱溶相总量下降,但随回归时间的延长,η相析出量增加,回归后再进行同一规范的人工时效时,因过饱和固溶体中重新析出弥散η’相使强度恢复到原有水平(来源:铝材联盟)