铝合金差示扫描量热分析（DSC）的影响因素研究

王 操，王丽萍，屈玉石，苗承义，张 潇

（辽宁忠旺集团有限公司，辽阳111003）

0 前言

作为Al-Mg-Si 系热处理可强化变形铝合金，6082铝合金被广泛应用于汽车、建筑等领域[1]。铝合金在制备和成形过程中，往往需要经历热处理和浇注、凝固、冷却等工艺过程，研究其热处理过程中固、液转变及相变温度对合金部件的最终组织控制乃至最终性能的影响至关重要[2]。差示扫描量热分析（DSC）是金属凝固过程研究中应用最广泛的手段，可以研究材料热处理和浇注、凝固、冷却等工艺过程中组织能量变化，为凝固行为和相变研究提供重要依据[3-5]。

目前，关于差示扫描量热分析手段应用于高温合金的研究较多，而其在铝合金型材方面的应用研究却鲜有报道。因此，本文针对搅拌摩擦焊6082铝合金，通过对其母材部位不同升温速率以及相同升温速率不同合金部位进行研究，采用DSC分析法总结搅拌摩擦焊6082铝合金的相变规律。

1 试验

试验材料为6082 铝合金搅拌摩擦焊型材，热处理状态为T6，其化学成分如表1所示。

表1 6082铝合金化学成分（质量分数/%）

T6时效处理后，对6082铝合金不同部位进行取样，取样部位如图1所示。不同升温速率对比试样取自型材母材区相同5 个部位，分别对应5 ℃/min、10 ℃/min、15 ℃/min、20 ℃/min、25 ℃/min 升温速率，编号分别为A1、A2、A3、A4、A5。不同部位DSC曲线对比试验取样部位分别为热影响区、前进侧热机影响区、焊核、回转侧热机影响区，编号分别为B、C、D、E。

图1 取样部位分布

2 试验结果

2.1 不同升温速率对铝合金DSC曲线的影响

图2 为6082 铝合金搅拌摩擦焊型材分别以5 ℃/min、 10 ℃/min、 15 ℃/min、 20 ℃/min、25 ℃/min 的升温速率进行DSC试验后经Origin软件整理得出的不同升温速率DSC测定曲线。从图2中可以看出，不同升温速率DSC 曲线形状基本一致，随着升温速率的增加，合金相变功率增加。升温速率为10 ℃/min、15 ℃/min、20 ℃/min、25 ℃/min时低温结晶峰向高温方向偏移；合金固相线温度基本一致，通过线性外推和取平均值计算其分别为590.4 ℃、582.2 ℃、583.0 ℃、571.5 ℃、575.5 ℃；升温速率为5 ℃/min、10 ℃/min 时液相线曲线峰较尖锐且明显；升温速率为15 ℃/min、20 ℃/min、25 ℃/min 时，液相线曲线峰较平缓且相较于升温速度为5 ℃/min、10 ℃/min时向低温方向偏移；升温速率为5 ℃/min 时液相线温度为665.0 ℃。

图2 不同升温速率DSC测定曲线

2.2 不同取样部位对铝合金DSC曲线的影响

图3 为6082 铝合金搅拌摩擦焊型材升温速率5 ℃/min、取样部位分别为母材、热影响区、前进侧热机影响区、焊核、回转侧热机影响区的DSC测定曲线。

图3 不同取样部位DSC测定曲线

从图3中可以看出，6082铝合金搅拌摩擦焊型材母材区升温时相变功率较高，焊核区与前进侧热机影响区相变功率相近，回转侧热机影响区与热影响区相变功率相近。与母材区相比，焊核区结晶放热峰向低温方向偏移，而前进侧热机影响区、回转侧热机影响区及热影响区结晶放热峰则向高温方向偏移，且偏移温度基本一致；不同部位的固相线温度基本一致，且峰形状相同，焊核区液相线峰较尖锐，其他部位液相线峰较为平缓，母材区与焊核区液相线温度相差近20 ℃。

3 分析与讨论

其中， A 为相应DSC曲线上峰的面积；ΔH 为熔化潜热，J/g；K为仪器修正系数。

由公式（1）可知：相同仪器设备情况下，熔化潜热与DSC曲线峰面积呈正比。随着升温速率的提高，合金相变功率提高，相应的DSC曲线峰面积增加，合金升温时所需熔化潜热增加，因此升温速率为10 ℃/min、15 ℃/min、20 ℃/min、25 ℃/min时低温结晶峰向高温方向偏移。固相线温度与合金加热速度无关，因此不同升温速度所对应的合金固相线温度基本一致。6082 铝合金结晶相变温度范围在590～660 ℃区间内，即在固相线温度与液相线温度范围内，因此升温速率越慢，合金相变越充分，峰形状越明显且尖锐。

搅拌摩擦焊中不同部位的组织形貌各不相同，焊核区在搅拌摩擦过程中在高温变形下发生再结晶转变；焊核区即为动态再结晶区，发生完全动态再结晶，其组织为细小的等轴晶粒；热机影响区在搅拌摩擦焊过程中离搅拌摩擦中心距离不同，组织发生不同程度的塑性变形和部分再结晶而形成弯曲且拉长的微观晶粒组织；热影响区无搅拌摩擦作用，只受摩擦热循环作用；母材区的微观组织和力学性能均不发生变化。因此在DSC曲线测定中，DSC曲线发生一定变化。焊核区、热机影响区、热影响区受搅拌摩擦焊不同程度的影响，组织发生不同程度的变化，焊核区为等轴细小晶粒相变时所需熔化潜热较小，因此结晶放热峰较母材区向低温方向偏移，热机影响区、热影响区受塑性变形及晶粒长大影响所需熔化潜热增加，因此结晶放热峰向高温方向偏移。在共晶相变温度范围即固相线与液相线温度范围内，共晶相熔化只与材料本身有关，因此固相线温度基本一致。焊核区为完全动态再结晶组织，低熔点共晶相较少，趋于液相线温度时峰形较明显且曲线尖锐。

4 结论

（1）不同升温速率下6082合金的DSC曲线形状基本一致，随着升温速率的增加，合金相变功率增加；与5 ℃/min 相比，升温速率为10 ℃/min、15 ℃/min、20 ℃/min、25 ℃/min 时的低温结晶峰向高温方向偏移；合金固相线温度基本一致。

（2）6082 铝合金搅拌摩擦焊型材母材区升温时相变功率较高，焊核区与前进侧热机影响区相变功率相近，回转侧热机影响区与热影响区相变功率相近；与母材区相比，焊核区结晶放热峰向低温方向偏移，前进侧热机影响区、回转侧热机影响区及热影响区结晶放热峰向高温方向偏移且偏移温度基本一致。不同部位的固相线温度基本一致，且峰形状相同，焊核区液相线峰较尖锐，其他部位液相线峰较为平缓，母材区与焊核区液相线温度相差近20 ℃。