冷軋擠壓比對培育架用Al-5.5Mg-1.2Si 合金拉伸性能的影響研究

張少杰，李亞兵

（漯河食品職業學院食品機械系，河南 漯河 462300）

0 引言

Al-Mg 合金屬于當前制造領域的一種重要結構合金材料，在農業機械培育架領域得到廣泛應用。該合金通過Si、Mg 元素與純鋁基體進行共熔處理得到。Al-Mg 合金具備優異耐蝕性、易于焊接加工、高強度、抗沖擊、良好熱塑性等多項特性，因此被廣泛用于制備各類農業機械結構領域[1-3]。

根據前期文獻報道，大部分學者主要對Al-Mg合金進行了熱處理技術方面的研究工作，并對比了加入不同比例微量元素后引起的合金力學性能變化[4-5]，但很少有學者研究Al-Mg 合金組織形態與冷軋擠壓比之間的關系[6]。其中，涂文斌[7]通過旋轉摩擦擠壓法（RFE）制作不同Mg 含量的Al-Mg 鋁合金，實驗結果顯示，隨著Mg 含量的增加，合金的抗拉強度會變大，然而伸長率卻不斷下降。楊潔[8]將時效熱處理與等通道轉角擠壓（ECAP）兩種方法進行融合使用，制作高強塑性鋁型材，實驗結果顯示，在處理過程中，Al-Mg-Si 合金會產生較多β 相；通過上述方式處理以后，與T6 態和固溶態相比，合金的屈服強度及抗拉強度都有較大程度地增加，而伸長率則會下降。

本文以培育架用Al-Si-Mg 合金作為測試材料，先對其進行不同冷軋擠壓比條件下的擠壓成型，再對其實施T6 時效處理，對比了不同冷軋擠壓比條件下得到的Al-Si-Mg 合金硬度及其力學特性變化，為后續的培育架試樣制備及其應用測試奠定基礎。

1 實驗內容

1.1 樣品制備

本實驗使用的培育架用Al-5.5Mg-1.2Si（即w（Mg）=5.5%、w（Si）=1.2%）合金鑄錠。先對鑄錠進行表面處理，之后在450 ℃溫度下，控制冷軋擠壓比依次為18.5、26.2 與33.6，在這三種條件下制得板材，控制所有條件下的試樣擠壓速率都為2.5 mm/min。對Al-5.5Mg-1.2Si 合金板材進行T6 時效處理，具體工藝條件為175 ℃處理12 h。

1.2 測試方法

通過HVS-5 維氏硬度計對各冷軋擠壓比制得的Al-5.5Mg-1.2Si 合金板材進行了硬度測試，要求分別對各試樣選取5 個點計算測試結果并取平均值。在HD-B609B 萬能測試機上對各冷軋擠壓比試樣進行了拉伸測試，分別對各組試樣測試多次并計算平均值。采用DSX1000 金相顯微鏡表征了各擠壓比條件下得到的合金拉伸斷口的顯微組織形態。鋁合金試樣和拉伸照片如圖1 所示。

圖1 鋁合金試樣和拉伸照片

2 結果分析

2.1 力學性能分析

表1 給出了各冷軋擠壓比條件下得到的Al-5.5Mg-1.2Si 合金板材硬度測試結果。其中，在冷軋擠壓比為18.5 的條件下，合金硬度（HV）為94.1；提高冷軋擠壓比至26.2 后，合金硬度值（HV）增大至108.2；提高冷軋擠壓比至33.6 時，合金硬度（HV）反而減小，為101.6。

表1 不同冷軋擠壓比下合金的硬度

表2 是對各冷軋擠壓比條件下的Al-Si-Mg 合金板材進行拉伸測試得到的力學性能參數。其中，設定冷軋擠壓比為18.5 時，板材拉伸強度為259.3 MPa，屈服強度為196.4 MPa；提高冷軋擠壓比到26.2 時，板材拉伸強度為283.7 MPa，屈服強度為256.0 MPa；隨著冷軋擠壓比的進一步增大，至冷軋擠壓比為33.6時，板材拉伸強度減小，為273.5 MPa，同時屈服強度減小至226.3 MPa。

表2 不同冷軋擠壓比下合金拉伸參數統計

將冷軋擠壓比從18.5 提高至33.6 的過程中，伸長率由13.4%減小到13.2%。其中，冷軋擠壓比由18.5增大至26.2 后，伸長率出現減小的現象，同時塑性也明顯降低；將冷軋擠壓比由26.2 增大至33.6 后，板材伸長率得到了提升，同時塑性得到了明顯改善，表現為和拉伸強度不同的變化趨勢。

2.2 斷口微觀形貌分析

對各冷軋擠壓比條件下得到的Al-5.5Mg-1.2Si板材進行斷口微觀形貌分析，得到圖2 所示的結果。從圖2 中可以看出，此時試樣同時存在韌性和脆性斷裂的情況，可以觀察到斷口區域產生了許多韌窩以及光滑的晶面。增大冷軋擠壓比至26.2 時，試樣韌窩數量開始降低，形成了明顯的脆性斷裂形貌，合金塑性也發生了降低；繼續提高冷軋擠壓比至33.6 時，合金中形成了更多韌窩，塑性得到了明顯提升。根據材料金相圖可知，在冷軋擠壓比從18.5 增加至26.2 的過程中，晶粒細化，形變加大，合金力學性能大幅提高。當冷軋擠壓比從26.2 提高到33.6 的過程中，合金晶內析出相尺寸增大，導致合金強度下降。

圖2 不同冷軋擠壓比下合金拉伸斷口的SEM 形貌

3 分析與討論

隨著冷軋擠壓比的增大，材料晶內析出相明顯增加，且表現得更加密集，其主要是因為材料形變加大而造成的。析出相數量增加、密度增大以及彌散度提高，強化效果顯著提升，從而使材料具備更強的力學性能。在擠壓時，隨著擠壓溫度的升高，會析出更多亞穩的β'相，然而析出相的數量卻并無明顯的改變。因為板條狀β' 相有更大的尺寸，導致其彌散度降低，從而嚴重影響材料力學性能。現階段的研究成果已達成如下共識：在合金強化過程中，β'相發揮著極其重要作用。

根據抗拉強度和硬度數據可以發現，隨著冷軋擠壓比的增大，抗拉強度與硬度都表現出先增加后減小的態勢。影響鋁合金強度的因素主要包括應力狀態、變形程度等。根據Orowan 的奧羅萬機制[9]可知，對于彌散分布型合金來說，無論是增加體積分數還是減小微粒尺寸，都能夠大大提高合金強度。

4 結論

1）冷軋擠壓比為26.2 時，合金硬度（HV）最大，為108.2。

2）隨著冷軋擠壓比的增加，合金強度先增大后減小，伸長率先減小后增大，在冷軋擠壓比為26.2 時，合金強度達到最大值，伸長率達到最小值。此時試樣韌窩數量開始降低，形成了明顯的脆性斷裂形貌，合金塑性也發生了降低。