挤压比对车用Al-5.5Mg-1.2Si-0.5Cu-0.2Mn合金微观组织的影响研究

2024-01-07崔秀虹吴庆玲

山西冶金 2023年11期

崔秀虹，吴庆玲

（吉林交通职业技术学院机械工程学院，吉林长春 130015）

0 引言

现阶段，Al-Mg 合金板材在全世界范围内铝合金挤压板材中占比已达70%以上，被广泛应用于汽车制造等领域。尤其是随着当前轨道交通对车辆轻型化的要求不断提高，研究人员开发出了更优力学性能的Al-Mg 铝合金，以满足车辆车体结构的制造需求[1]。

根据前期文献报道可知，大部分学者主要对Al-Mg 合金进行了热处理技术方面的研究工作，并对比了加入不同比例微量元素后引起的合金力学性能变化，但很少有学者研究Al-Mg 合金组织形态与挤压比之间的关系[2]。其中，Deng[3]通过实验测试了Al-Mg 合金处于不同热处理工艺下发生的组织相析出特点，结果显示以不同工艺热处理后，得到的合金组织致密度存在较大差异，同时对合金表面硬度及电阻率也产生了较大影响。邹田春[4]主要分析了在Al-Mg 合金基体内加入Cr 元素后获得的不同组织结构与力学特性，通过对比发现，加入Cr 元素可以使Al-Mg 合金获得更高力学强度，并显著改善其塑性。杨洁[5]采用等通道挤压技术处理6061 合金，并测试了该合金的力学特性变化，通过测试发现可以通过提高挤压道次使6061 合金达到更高力学强度。江福清[6]选择不同挤压温度及速度对Al-Mg-Si-In-Cr 管材进行挤压处理，结果表明，在挤压温度上升、速度加快的条件下，晶粒先细化再粗化，屈服强度和抗拉强度呈先升高、后下降趋势。

本文以Al-Si-Mg 合金作为测试材料，先对其进行不同挤压比条件下的挤压成型，再对其实施T6 时效处理，之后利用扫描电镜、金相显微镜、投射电镜表征并测试了各元素的含量，对合金组织结构转变机理进行了研究，为制备更优性能的Al-Si-Mg 合金板材提供了一定的参考价值。

1 实验内容

1.1 样品制备

使用Al-5.5Mg-1.2Si-0.5Cu-0.2Mn（数值为合金各元素质量分数）合金铸锭，在450 ℃条件下控制挤压比依次为18.5、26.2、33.6，在这三种条件下制得板材，挤压速率为2.5 mm/min，后对板材进行T6 时效处理（175 ℃+12 h），选取轧制板材的中心位置作为后续测试参考。

1.2 测试方法

采用DSX1000 金相显微镜表征了各挤压比条件下得到的合金显微组织形态；通过10EM-30 扫描电镜对试样表面微观结构进行了观察，同时以该电镜附带的能谱仪测试了各合金试样的元素分布状态；以体积比为1∶9 的高氯酸与乙醇溶液对合金试样表面抛光后，再对其进行电子背散射衍射测试。

2 结果分析

各挤压比的Al-5.5Mg-1.2Si-0.5Cu-0.2Mn 合金试样经扫描电镜表征得到的微观形貌如图1 所示。结果发现，所有挤压比条件下的合金组织中都形成了大量第二相颗粒，并且整体分布形态都较均匀，颗粒外形主要为短棒型与类球形结构。利用图像分析软件统计图1 中的第二相比例可以发现，以挤压比λ 为26.2和33.6 的Al-5.5Mg-1.2Si-0.5Cu-0.2Mn 合金第二相比例相对挤压比为18.5 时明显升高；其中，挤压比为26.2 和33.6 条件下的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，而挤压比为33.6 的板材形成了更少的短棒型第二相。表1 给出了挤压比为26.2 的条件下的铝合金板材各元素含量EDS 测试结果。由表1 可知，此时形成了具有球型结构的Mg2Si 析出相，同时形成了AlFeSi 条形析出相。

表1 λ 为26.2 时的EDS 分析结果

图1 不同挤压比下合金的OM 图

对不同挤压比Al-5.5Mg-1.2Si-0.5Cu-0.2Mn 合金板材进行横截面观察得到的EBSD 图像如图2 所示。通过对比发现，改变挤压比条件后，得到了相近外形的晶粒与组织结构，都属于大尺寸等轴晶结构。利用软件进行分析发现，当挤压比为18.5 时，得到图2-1 中的晶粒，其外径尺寸接近126.2 μm；当设定挤压比为26.2 时，得到图2-2 所示结果，此时晶粒尺寸约90 μm；设定挤压比为33.6 时，得到了图2-3 所示的挤压板材，此时晶粒尺寸接近100 μm。

图2 不同挤压比下Al-5.5Mg-1.2Si-0.5Cu-0.2Mn合金的EBSD 图

表2 给出了三种挤压比条件下挤压板材内形成的再结晶组织比例。控制挤压比为18.5 时，形成了体积占比为83.1%的再结晶组织，同时亚结构相体积占比为16.5%；设定挤压比为26.2 时，形成了体积占比为98.4%的再结晶组织，亚组织体积占比约1.5%；控制挤压比为33.6 时，合金内形成了体积占比为99.1%的再结晶组织，亚结构相体积占比降低至0.6%。逐渐提高挤压比后，在试样内形成了更高比例的再结晶组织，挤压比增大至33.6 后，试样全部发生了再结晶转变。

表2 不同挤压比下合金的再结晶分数

通过投射电镜对各挤压比条件的Al-5.5Mg-1.2Si-0.5Cu-0.2Mn 板材进行微观结构表征，结果如图3 所示。在挤压比为18.5 情况下，形成了图3-1 所示结果，此时在合金中主要形成针形的β″相，同时还生成了部分条形结构的β′相以及较低比例的板形β′相。通过测量可知，针形β″相的长度基本介于18.5～33.6 nm，具有棒状外形的β′相长度介于25～38 nm，板性β′相的长度约100 nm。随着挤压比增大至26.2 时，主要生成了图3-2 所示的针形β″相，同时形成了更多的板形β′相，此时针形β″相长度介于18.5～46 μm，板形β′相的长度达到了110～133.6 nm。继续增大挤压比至33.6 后，合金试样中形成了大量的板条形β′相，如图3-3 所示，针形析出相β″的比例降低。

图3 不同挤压比下合金TEM 像

3 分析与讨论

Al-5.5Mg-1.2Si-0.5Cu-0.2Mn 合金型材的力学性能受多方面因素的影响，主要包括材料晶粒的取向和大小、析出相的数量和种类额尺寸等，且挤压比的变化同样会影响到材料的性能。在对合金进行挤压操作时，晶粒由于受挤压力的影响而出现形变及破碎，进而引起晶粒细化。

随着挤压比的增大及材料晶粒细化，产生尺寸更小的等轴晶粒，进而使得材料强度大幅提升。而伴随挤压比的增大，材料形变加大同样会导致材料第二相更加弥散与细碎，析出板条状β 相数量增加、密度增大。伴随挤压比的不断增大，在高温环境下合金极易出现再结晶，造成晶粒变大，然而因为第二相更加弥散、密集，限制了晶粒长大，因此合金晶粒的尺寸并没有出现显著的改变。

伴随挤压比的增大，材料在动态再结晶和回复方面表现出更显著的作用，材料的组成成分基本上都是再结晶晶粒，合金织构主要是立方织构，同时有相应数量的黄铜织构转化成立方织构。其主要是由于随着挤压比的增大，材料的回复作用显著提升，试样再结晶组织占比增加，导致由合金材料形变加大而形成的小角度晶界占比减少。