擠壓比對(duì)車用Al-5.5Mg-1.2Si-0.5Cu-0.2Mn合金微觀組織的影響研究

崔秀虹，吳慶玲

（吉林交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130015）

0 引言

現(xiàn)階段，Al-Mg 合金板材在全世界范圍內(nèi)鋁合金擠壓板材中占比已達(dá)70%以上，被廣泛應(yīng)用于汽車制造等領(lǐng)域。尤其是隨著當(dāng)前軌道交通對(duì)車輛輕型化的要求不斷提高，研究人員開(kāi)發(fā)出了更優(yōu)力學(xué)性能的Al-Mg 鋁合金，以滿足車輛車體結(jié)構(gòu)的制造需求[1]。

根據(jù)前期文獻(xiàn)報(bào)道可知，大部分學(xué)者主要對(duì)Al-Mg 合金進(jìn)行了熱處理技術(shù)方面的研究工作，并對(duì)比了加入不同比例微量元素后引起的合金力學(xué)性能變化，但很少有學(xué)者研究Al-Mg 合金組織形態(tài)與擠壓比之間的關(guān)系[2]。其中，Deng[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了Al-Mg 合金處于不同熱處理工藝下發(fā)生的組織相析出特點(diǎn)，結(jié)果顯示以不同工藝熱處理后，得到的合金組織致密度存在較大差異，同時(shí)對(duì)合金表面硬度及電阻率也產(chǎn)生了較大影響。鄒田春[4]主要分析了在Al-Mg 合金基體內(nèi)加入Cr 元素后獲得的不同組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，加入Cr 元素可以使Al-Mg 合金獲得更高力學(xué)強(qiáng)度，并顯著改善其塑性。楊潔[5]采用等通道擠壓技術(shù)處理6061 合金，并測(cè)試了該合金的力學(xué)特性變化，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)提高擠壓道次使6061 合金達(dá)到更高力學(xué)強(qiáng)度。江福清[6]選擇不同擠壓溫度及速度對(duì)Al-Mg-Si-In-Cr 管材進(jìn)行擠壓處理，結(jié)果表明，在擠壓溫度上升、速度加快的條件下，晶粒先細(xì)化再粗化，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度呈先升高、后下降趨勢(shì)。

本文以Al-Si-Mg 合金作為測(cè)試材料，先對(duì)其進(jìn)行不同擠壓比條件下的擠壓成型，再對(duì)其實(shí)施T6 時(shí)效處理，之后利用掃描電鏡、金相顯微鏡、投射電鏡表征并測(cè)試了各元素的含量，對(duì)合金組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變機(jī)理進(jìn)行了研究，為制備更優(yōu)性能的Al-Si-Mg 合金板材提供了一定的參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 樣品制備

使用Al-5.5Mg-1.2Si-0.5Cu-0.2Mn（數(shù)值為合金各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)）合金鑄錠，在450 ℃條件下控制擠壓比依次為18.5、26.2、33.6，在這三種條件下制得板材，擠壓速率為2.5 mm/min，后對(duì)板材進(jìn)行T6 時(shí)效處理（175 ℃+12 h），選取軋制板材的中心位置作為后續(xù)測(cè)試參考。

1.2 測(cè)試方法

采用DSX1000 金相顯微鏡表征了各擠壓比條件下得到的合金顯微組織形態(tài)；通過(guò)10EM-30 掃描電鏡對(duì)試樣表面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察，同時(shí)以該電鏡附帶的能譜儀測(cè)試了各合金試樣的元素分布狀態(tài)；以體積比為1∶9 的高氯酸與乙醇溶液對(duì)合金試樣表面拋光后，再對(duì)其進(jìn)行電子背散射衍射測(cè)試。

2 結(jié)果分析

各擠壓比的Al-5.5Mg-1.2Si-0.5Cu-0.2Mn 合金試樣經(jīng)掃描電鏡表征得到的微觀形貌如圖1 所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有擠壓比條件下的合金組織中都形成了大量第二相顆粒，并且整體分布形態(tài)都較均勻，顆粒外形主要為短棒型與類球形結(jié)構(gòu)。利用圖像分析軟件統(tǒng)計(jì)圖1 中的第二相比例可以發(fā)現(xiàn)，以擠壓比λ 為26.2和33.6 的Al-5.5Mg-1.2Si-0.5Cu-0.2Mn 合金第二相比例相對(duì)擠壓比為18.5 時(shí)明顯升高；其中，擠壓比為26.2 和33.6 條件下的Al-5.5Mg-1.2Si-0.5Cu-0.2Mn合金中形成了比例基本相近的第二相，而擠壓比為33.6 的板材形成了更少的短棒型第二相。表1 給出了擠壓比為26.2 的條件下的鋁合金板材各元素含量EDS 測(cè)試結(jié)果。由表1 可知，此時(shí)形成了具有球型結(jié)構(gòu)的Mg2Si 析出相，同時(shí)形成了AlFeSi 條形析出相。

表1 λ 為26.2 時(shí)的EDS 分析結(jié)果

圖1 不同擠壓比下合金的OM 圖

對(duì)不同擠壓比Al-5.5Mg-1.2Si-0.5Cu-0.2Mn 合金板材進(jìn)行橫截面觀察得到的EBSD 圖像如圖2 所示。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，改變擠壓比條件后，得到了相近外形的晶粒與組織結(jié)構(gòu)，都屬于大尺寸等軸晶結(jié)構(gòu)。利用軟件進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)擠壓比為18.5 時(shí)，得到圖2-1 中的晶粒，其外徑尺寸接近126.2 μm；當(dāng)設(shè)定擠壓比為26.2 時(shí)，得到圖2-2 所示結(jié)果，此時(shí)晶粒尺寸約90 μm；設(shè)定擠壓比為33.6 時(shí)，得到了圖2-3 所示的擠壓板材，此時(shí)晶粒尺寸接近100 μm。

圖2 不同擠壓比下Al-5.5Mg-1.2Si-0.5Cu-0.2Mn合金的EBSD 圖

表2 給出了三種擠壓比條件下擠壓板材內(nèi)形成的再結(jié)晶組織比例。控制擠壓比為18.5 時(shí)，形成了體積占比為83.1%的再結(jié)晶組織，同時(shí)亞結(jié)構(gòu)相體積占比為16.5%；設(shè)定擠壓比為26.2 時(shí)，形成了體積占比為98.4%的再結(jié)晶組織，亞組織體積占比約1.5%；控制擠壓比為33.6 時(shí)，合金內(nèi)形成了體積占比為99.1%的再結(jié)晶組織，亞結(jié)構(gòu)相體積占比降低至0.6%。逐漸提高擠壓比后，在試樣內(nèi)形成了更高比例的再結(jié)晶組織，擠壓比增大至33.6 后，試樣全部發(fā)生了再結(jié)晶轉(zhuǎn)變。

表2 不同擠壓比下合金的再結(jié)晶分?jǐn)?shù)

通過(guò)投射電鏡對(duì)各擠壓比條件的Al-5.5Mg-1.2Si-0.5Cu-0.2Mn 板材進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征，結(jié)果如圖3 所示。在擠壓比為18.5 情況下，形成了圖3-1 所示結(jié)果，此時(shí)在合金中主要形成針形的β″相，同時(shí)還生成了部分條形結(jié)構(gòu)的β′相以及較低比例的板形β′相。通過(guò)測(cè)量可知，針形β″相的長(zhǎng)度基本介于18.5～33.6 nm，具有棒狀外形的β′相長(zhǎng)度介于25～38 nm，板性β′相的長(zhǎng)度約100 nm。隨著擠壓比增大至26.2 時(shí)，主要生成了圖3-2 所示的針形β″相，同時(shí)形成了更多的板形β′相，此時(shí)針形β″相長(zhǎng)度介于18.5～46 μm，板形β′相的長(zhǎng)度達(dá)到了110～133.6 nm。繼續(xù)增大擠壓比至33.6 后，合金試樣中形成了大量的板條形β′相，如圖3-3 所示，針形析出相β″的比例降低。

圖3 不同擠壓比下合金TEM 像

3 分析與討論

Al-5.5Mg-1.2Si-0.5Cu-0.2Mn 合金型材的力學(xué)性能受多方面因素的影響，主要包括材料晶粒的取向和大小、析出相的數(shù)量和種類額尺寸等，且擠壓比的變化同樣會(huì)影響到材料的性能。在對(duì)合金進(jìn)行擠壓操作時(shí)，晶粒由于受擠壓力的影響而出現(xiàn)形變及破碎，進(jìn)而引起晶粒細(xì)化。

隨著擠壓比的增大及材料晶粒細(xì)化，產(chǎn)生尺寸更小的等軸晶粒，進(jìn)而使得材料強(qiáng)度大幅提升。而伴隨擠壓比的增大，材料形變加大同樣會(huì)導(dǎo)致材料第二相更加彌散與細(xì)碎，析出板條狀β 相數(shù)量增加、密度增大。伴隨擠壓比的不斷增大，在高溫環(huán)境下合金極易出現(xiàn)再結(jié)晶，造成晶粒變大，然而因?yàn)榈诙喔訌浬?、密集，限制了晶粒長(zhǎng)大，因此合金晶粒的尺寸并沒(méi)有出現(xiàn)顯著的改變。

伴隨擠壓比的增大，材料在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和回復(fù)方面表現(xiàn)出更顯著的作用，材料的組成成分基本上都是再結(jié)晶晶粒，合金織構(gòu)主要是立方織構(gòu)，同時(shí)有相應(yīng)數(shù)量的黃銅織構(gòu)轉(zhuǎn)化成立方織構(gòu)。其主要是由于隨著擠壓比的增大，材料的回復(fù)作用顯著提升，試樣再結(jié)晶組織占比增加，導(dǎo)致由合金材料形變加大而形成的小角度晶界占比減少。

4 結(jié)論

1）所有擠壓比條件下的合金組織中都形成了大量第二相顆粒，并且整體分布形態(tài)都較均勻，顆粒外形主要為短棒型與類球形結(jié)構(gòu)。

2）擠壓比為26.2 時(shí)，合金得到最小的晶粒尺寸，形成了具有球型結(jié)構(gòu)的Mg2Si 析出相，同時(shí)形成了更多的板形β′相。