Al—Mg—Si系合金高温变形行为的研究

晋坤　王超　李晶琨

摘 要：采用光学显微、透射电子显微、拉伸试验等技术，研究了Al-Mg-Si合金的高温拉伸行为及微观组织特征。结果表明，Al-Mg-Si系合金在高应力状态下，其变形量明显高于低应力状态；在同一温度和应力状态下，变形量随着时间的延长而逐渐增加，变形量-时间的曲线大致呈现线性关系，随着施加应力的增加，变形量的增量也随之增加；在高应力状态下的位错明显多于低应力状态，此外，高应力条件下，Al-Mg-Si系合金的热变形主要受位错攀移控制；而在低应力条件下，合金的热变形主要受原子和空位的扩散控制。

关键词：Al-Mg-Si系合金；高温拉伸行为；微观组织

Al-Mg-Si系合金是可热处理铝合金，因高强度和良好的韧性，在汽车、船舶、航空航天领域有着广泛的应用[1，2]。该类合金的零件在钣金成形领域加工流程主要为冷轧板材—淬火—冷成形—人工时效—零件修整—检验—交付，成形过程主要以冷加工为主，常温状态下，零件成形因加工硬化易产生裂纹，尤其在旋压成形、拉伸成形过程中，冷加工难以成形较为复杂的零件。可热处理铝合金在热时效过程中引入应力，可在时效硬化的过程中，发生塑性变形，从而实现板材的热加工成形[3]。目前，Al-Mg-Si系合金在高温和低应力方面研究较少，因此，本文主要通过对Al-Mg-Si合金高温拉伸行为的研究，为后续该类合金热加工成形的工艺提供研究基础。

1 材料制备与试验方法

1.1 材料制备

试验用Al-Mg-合金在实验室条件下制备。配料采用高纯铝（99.85%）、纯镁（99.90%）、纯锌（99.92%）和Al-20%Si、Al-15%Mn中间合金，细化剂采用Al-5%Ti-B。合金的熔炼在石墨坩埚电阻炉内进行，熔化温度760～780℃，浇铸温度为720～730℃，除气剂采用C2Cl6，在铁模中浇铸。浇铸后的合金化学成分如表1所示。合金采用550℃×24h的均匀化制度。

2 试验结果

2.1 合金在不同应力条件下的变形量-时间关系

图1为Al-Mg-Si合金在175℃温度条件下，不同应力的变形量-时间的关系曲线图。从图中可以看出，在200MPa高应力状态下，其变形量明显高于150MPa，在14h时间下，150MPa的变形量为0.18%，而200MPa的合金变形量最大，为1.27%。在同一温度和应力状态下，变形量随着时间的延长而逐渐增加，同时在时间1h～14h之间，其变形量曲线大致呈现线性关系，通过线性拟合得出200MPa下的曲线斜率为0.022，150MPa下的曲线斜率为0.0074。通过斜率可以看出，随着施加应力的增加，变形量的增量也随之增加。

2.2 合金不同应力条件下的TEM对比

为了更加深入地研究合金微观组织的演变，需通过透视电镜手段进行分析。图3为Al-Mg-Si合金在不同应力条件下的TEM照片。从图中可以看出，在高应力（200MPa）条件下，1h时间内，晶内受应力的影响，产生大量位错，且位错处于不断增殖的趋势；当处于14h时间下，晶内位错逐渐向晶界处大量聚集，并缠结在一起形成位错的胞状结构，远离晶界处的位错逐渐减少。而在低应力（150MPa）条件下，1h时间内，晶内位错与高应力相比，明显偏少，仅存在小部分条带状的位错存在；当处于14h时间下，位错仍然偏少，形状发生弯曲，逐渐形成盘片状。

一般说来，合金的热变形过程是受温度、应力、组织形态、溶质原子浓度等诸多因素耦合的影响，对于铝合金而言，不同热/力条件下的缓慢变形主要由位错运动（如位错攀移、位错滑移、位错交滑移）、晶界运动（如晶界迁移、晶界扩散、晶界扩散）及溶质原子浓度等控制[4]。从图3的TEM照片结果可知，高应力下，在长时间的变形过程中，合金晶内、晶界处均存在大量的位错，说明位错攀移在变形过程中起到重要作用；而在低应力下，在长时间变形条件下，合金晶内和晶界处的位錯始终很少，且位错逐渐弯曲成盘片状，说明低应力条件下，合金变形过程中主要受晶界迁移和原子扩散控制。

3结论

（1）Al-Mg-Si合金在高应力状态下，其变形量明显高于低应力状态；在同一温度和应力状态下，变形量随着时间的延长而逐渐增加，变形量-时间的曲线大致呈现线性关系，随着施加应力的增加，变形量的增量也随之增加；

（2）在高应力状态下的位错明显多于低应力状态，此外，高应力条件下，Al-Mg-Si合金的热变形主要受位错攀移控制；而在低应力条件下，合金的热变形主要受原子和空位的扩散控制。

参考文献：

[1] 张建新， 高新华， 陈昊. 合金元素对Al-Mg-Si系铝合金组织及性能的影响[J]. 铸造技术， 2007， 28（3）： 373-375.

[2] 李海， 等. Mn和Cr对Al-Mg-Si-Cu合金组织及性能的影响[J]. 材料热处理学报， 2011， 32（10）： 100-105.

[3] 刘静安. 热加工工艺对Al-Mg-Si系合金型才性能的影响[J]. 轻合金加工技术， 2002， 30（2）： 1-5.

[4] 晏井利， 孙扬善， 薛烽， 等. 纯Mg的蠕变行为研究[J]. 金属学报， 2008， 44（11）： 1354-1359.