夾雜物對6063鋁合金力學(xué)性能的影響

周 策，崔建忠

(1.福建省南平鋁業(yè)有限公司，南平 353000;2.東北大學(xué) 材料電磁過程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110004)

夾雜物對6063鋁合金力學(xué)性能的影響

周 策1，崔建忠2

(1.福建省南平鋁業(yè)有限公司，南平 353000;2.東北大學(xué) 材料電磁過程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110004)

研究了6063鋁合金半連續(xù)鑄錠中夾雜物的分布規(guī)律及其對拉伸性能的影響.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):鑄錠的底部和頂部夾雜面積分?jǐn)?shù)較高，鑄錠中部面積分?jǐn)?shù)較低.隨夾雜面積分?jǐn)?shù)的增大，合金抗拉強(qiáng)度和延伸率降低，應(yīng)變硬化指數(shù)n值變小，變形溫度為300℃時(shí)，合金的加工硬化基本被軟化作用所取代。試樣斷口分析發(fā)現(xiàn)，夾雜面積分?jǐn)?shù)低的鑄錠中部韌窩較深，延伸率較高;而夾雜面積分?jǐn)?shù)高的鑄錠底部韌窩比較淺平，塑性較差.

6063鋁合金;夾雜物;拉伸性能;斷口分析

鋁熔體中的夾雜有碳化物、氮化物、氧化物、氫化物等固態(tài)夾雜物以及鐵、硅、鋅、錳等金屬夾雜，其中以Al2O3最多，其含量占夾雜含量的95%以上.鋁熔體中夾雜物的含量是評(píng)價(jià)冶金質(zhì)量的一個(gè)重要標(biāo)志，一般來講，這些夾雜物的尺寸在幾μm到幾十μm之間，但它們的危害卻非常大，將直接地影響到鋁合金加工熱處理后產(chǎn)品的強(qiáng)度、塑性及腐蝕性等使用性能［1～4］.

國內(nèi)外學(xué)者對鋁合金中夾雜物對力學(xué)性能的影響及其作用機(jī)理進(jìn)行了許多研究［5～9］，本文研究了6063鋁合金DC鑄造錠坯中夾雜物的分布及其對拉伸性能的影響，并對拉伸斷口形貌進(jìn)行觀察.

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用材料為6063鋁合金，化學(xué)成分如表1所示.為了讓夾雜物容易被觀察和測量，熔體融化后不進(jìn)行凈化處理，直接 DC鑄造成直徑150 mm，長1 000 mm的錠坯，夾雜物測定前將鑄錠進(jìn)行560℃/8 h的均勻化熱處理，然后按圖1所示取樣，鑄錠從上到下依次標(biāo)號(hào)為B1、B2、B3、B4、B5、B6，每片試樣厚度為20 mm，在試樣的中部(即鑄錠橫截面的中部)進(jìn)行夾雜物觀察和測量.為了獲得大面積的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)采用熱堿深蝕刻法來半定量評(píng)估合金中夾雜物的含量，這種測量方法數(shù)值不一定十分精確，但是可以正確反映夾雜含量的差別.對試樣進(jìn)行7 min的熱堿深蝕刻，Al2O3、MgO等氧化物夾雜將會(huì)被蝕刻掉，在試樣的表面出現(xiàn)蝕坑，此蝕坑即為氧化物夾雜原來的位置.用Leica MPS30光學(xué)顯微鏡觀察和拍攝夾雜物的分布情況，選取15～20個(gè)視場，將其拍成照片，用掃描儀掃到電腦中，用SISCIA8.0圖像分析軟件計(jì)算出蝕坑所占的面積分?jǐn)?shù).

將上述6063鋁合金半連續(xù)鑄錠不同部位所取試樣加工成啞鈴狀拉伸試樣(如圖2所示)，在CMT5105型電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，每個(gè)狀態(tài)取3個(gè)試樣測試，取平均值.變形溫度為25℃、300℃，變形速率為1 mm/min.用SSX－550掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌.

表1 6063鋁合金的化學(xué)成分表(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical compositions of 6063 alloy (mass fraction%)

圖1 拉伸和夾雜物測量取樣位置Fig.1 The schematic illustration of sampling for tensile tests and inclusion measurement

圖2 拉伸試樣尺寸示意圖Fig.2 Schematic diagram of tensile sample

2 結(jié)果與討論

2.1 6063合金半連續(xù)鑄造鑄錠中夾雜物的定量研究

圖3是夾雜物金相觀察的結(jié)果，實(shí)際上大量尺寸非常微小的(＜5 μm)夾雜物，通過這種方法觀測不到，觀測到的都是尺寸≥10 μm以上的夾雜物.大量研究表明只有尺寸大于10 μm以上的夾雜物才對合金的力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響.且尺寸越大，數(shù)量越多，影響越嚴(yán)重.

圖3 腐蝕后夾雜物的金相照片ig.3 Microstructures showing inclusions after erosion(a)—At the center of ingot;(b)—At the bottom of ingot

圖4是夾雜物面積分?jǐn)?shù)的計(jì)算結(jié)果.從圖中可以看出，由于本組實(shí)驗(yàn)未經(jīng)過凈化處理，所以熔體中的夾雜物含量較多.鑄錠底部(B6位置)夾雜面積分?jǐn)?shù)最高，達(dá)到為8.40%，這是由于最先流出的鋁合金液是在爐的底部，沉淀的夾雜和夾渣較多，且此時(shí)熔體流動(dòng)不穩(wěn)定，所以容易裹入氧化物夾雜.位置B5的夾雜面積分?jǐn)?shù)迅速降低，為4.17%.鑄錠中心的B3位置與B4位置夾雜面積分?jǐn)?shù)相近，且明顯低于鑄錠頂部和底部的夾雜面積分?jǐn)?shù)，分別為3.62%和3.42%.鑄錠頂部的B1位置和B2位置夾雜面積分?jǐn)?shù)也較高，分別為6.43%和6.15%，這是由于B1、B2位置靠近冒口，處于鑄錠最后凝固的位置，熔煉爐中最后的鋁液中大量的氧化膜和渣流出凝固存留在冒口處.

圖4 6063合金鑄錠中夾雜面積分?jǐn)?shù)Fig.4 The areal fraction of inclusions in 6063 alloy ingot

2.2 夾雜物對6063鋁合金拉伸性能的影響

由圖4可知，鑄錠由頂部B1至底部B6位置的夾雜面積分?jǐn)?shù)分別為6.43%，6.15%，3.62%，3.42%，4.17%，8.46%.可見鑄錠頂部、心部和底部的夾雜面積分?jǐn)?shù)相差較大，而B1和B2，B3和B4處得夾雜面積分?jǐn)?shù)相差不大.因此，我們從B1、B3、B5、B6處取拉伸試樣，來考察夾雜分布對6063合金拉伸性能的影響.

表2為6063合金半連續(xù)鑄造鑄錠試樣在變形溫度分別為25℃、300℃下的拉伸試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，當(dāng)變形溫度為25℃時(shí)，處于鑄錠頂部試樣B1的抗拉強(qiáng)度僅為88 MPa，延伸率為16%，而處于鑄錠中部的 B3試樣的抗拉強(qiáng)度為114 MPa、延伸率為28%，B1與B3試樣抗拉強(qiáng)度相差了26 MPa，延伸率相差了12%，處于鑄錠底部試樣B6的抗拉強(qiáng)度為95 MPa、延伸率為10%，比較B3和B6，抗拉強(qiáng)度相低了19 MPa，延伸率相差了18%，由此可知，處于鑄錠頂部的B1和處于鑄錠底部的B6試樣抗拉強(qiáng)度、延伸率都明顯小于鑄錠中部的B3試樣，而距離鑄錠頂部90 cm處的B5試樣，抗拉強(qiáng)度為109 MPa、延伸率為29%，與B3試樣比較，抗拉強(qiáng)度僅相差了5 MPa，延伸率更是僅僅相差了1%.這與我們之前實(shí)驗(yàn)得到的靠近鑄錠頂部的B1和鑄錠底部的B6夾雜分布較多而靠近鑄錠中心的B3及距離底部稍遠(yuǎn)的B5位置夾雜物分布較少是比較符合的.當(dāng)變形溫度為300℃時(shí)，鑄錠不同位置抗拉強(qiáng)度只相差了9 MPa，延伸率也只相差了7%.這說明夾雜對合金拉伸性能的影響在室溫下比較明顯，而在高溫下表現(xiàn)不明顯，其原因是，合金在高溫下變形，動(dòng)態(tài)軟化起主要作用，合金強(qiáng)度變低，塑性較好.

表2 半連續(xù)鑄造鑄錠試樣拉伸性能數(shù)據(jù)Table 2 The tensile properties of semi－continuous cast ingot

鋁合金凝固組織中的氧化夾雜物，嚴(yán)重地割裂了材料基體的連續(xù)性，而氧化物夾雜往往是氫的附著物，容易產(chǎn)生氣孔和疏松.在拉伸應(yīng)力作用下，夾雜物、縮松及氣孔處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，易成為裂紋源，隨著夾雜物含量的增加，合金中的顯微缺陷增多，缺陷平均間距小使得裂紋擴(kuò)展阻力變小，微孔易于萌生、長大和聚合，使得鑄件容易開裂拉斷;脆硬的氧化夾雜相與鋁合金基體間存在較大的硬度差別，在拉伸變形過程中，夾雜物顆粒嚴(yán)重地阻礙了材料塑性變形的正常流動(dòng)，同時(shí)脆硬的氧化夾雜相與合金基體間容易形成微裂紋和不均勻的變形區(qū)，在應(yīng)力作用下鋁合金材料容易產(chǎn)生脆性斷裂.這些顯微缺陷的存在加速材料的破斷過程，最終表現(xiàn)為材料力學(xué)性能下降.

圖5為實(shí)驗(yàn)所得的真應(yīng)力－應(yīng)變曲線，比較兩個(gè)不同溫度下的曲線，可以看到，變形溫度為300℃時(shí)材料已經(jīng)發(fā)生明顯的軟化現(xiàn)象，說明動(dòng)態(tài)再結(jié)晶在300℃已經(jīng)非常明顯.當(dāng)變形溫度為25℃時(shí)，B1、B3、B5、B6位置處試樣的應(yīng)變硬化指數(shù)n值分別為0.23、0.25、0.26、0.21，隨夾雜面積分?jǐn)?shù)的降低，n值略有升高，但是n值對夾雜面積分?jǐn)?shù)的變化基本不敏感.當(dāng)變形溫度為300℃時(shí)，B1、B3、B5、B6位置處試樣n值很小，分別為0.02、0.04、0.05、0.03，這也反映了此溫度下加工硬化現(xiàn)象慢慢趨于消失.對同一溫度下不同試樣的曲線進(jìn)行比較，我們可以發(fā)現(xiàn)，B3位置處試樣的最大真應(yīng)力要明顯高于其它試樣，在300℃的變形溫度下表現(xiàn)更為顯著，這主要是因?yàn)锽3位置處試樣夾雜面積分?jǐn)?shù)較低，試樣基體的連續(xù)性較好，因此強(qiáng)度較高.而對應(yīng)之前實(shí)驗(yàn)中夾雜面積分?jǐn)?shù)最高的B6位置處試樣，在變形溫度為25℃時(shí)的最大真應(yīng)力并不是最低，分析原因，在沿澆鑄方向的同一位置所取的兩個(gè)試樣，其力學(xué)性能并不能完全相同，一是由于夾雜分布偏析，二是試樣中可能存在個(gè)別大的鑄造縮孔從而影響其力學(xué)性能.但是總的來說，實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論與我們之前所觀察的靠近鑄錠中部的夾雜分布少而頂部和底部夾雜分布多的趨勢是相符的.

圖5 6063合金拉伸的真應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.5 The tensile true stress－strain curves of 6063 alloy(a)—25℃;(b)—300℃

圖6 鑄錠不同位置拉伸斷口形貌的比較Fig.6 The morphology of tensile fractures in different positions of the ingot(a)—At the center of ingot;(b)—At the bottom of ingot; (c)—The detail of(a);(d)—The detail of(b)

圖6為試樣中部和底部拉伸斷口在掃描電子顯微鏡下觀察的宏觀照片.圖6(a)可以看到試樣B3在拉伸過程中產(chǎn)生了明顯的頸縮現(xiàn)象，在拉伸試樣表面靠近斷口側(cè)壁觀察到明顯的滑移臺(tái)階，說明試樣的韌性較好，有較高的延伸率.圖6 (b)中斷口則沒有觀察到頸縮，試樣B6伸長量不大就開始斷裂，延伸率較低.圖6(c)為圖6(a)的放大照片，圖中我們可以看到B3斷口表面有明顯的韌窩和撕裂楞，有些韌窩較深，說明韌性較好.圖6(d)為圖6(b)的放大照片，可以清晰地觀察到氣孔和疏松等缺陷，韌窩比較淺平，基體在拉伸過程中沒有明顯的撕裂痕跡，說明試樣塑形較差.

3 結(jié)論

(1)采用熱堿深腐蝕法評(píng)價(jià)了鋁合金中夾雜物的面積分?jǐn)?shù)，得到6063合金半連續(xù)鑄造鑄錠中夾雜的分布規(guī)律為:鑄錠的底部和頂部夾雜面積分?jǐn)?shù)較大，鑄錠中部面積分?jǐn)?shù)較小.

(2)通過6063合金半連續(xù)鑄造鑄錠試樣拉伸實(shí)驗(yàn)得出，隨夾雜面積分?jǐn)?shù)的增大，合金抗拉強(qiáng)度和延伸率變差，應(yīng)變硬化指數(shù)n值變小，變形溫度為300℃時(shí)，合金的加工硬化基本被軟化作用所取代.

(3)試樣斷口分析發(fā)現(xiàn)，鑄錠中部在拉伸過程產(chǎn)生了明顯的頸縮現(xiàn)象，韌窩較深，韌性較好;而鑄錠底部沒有觀察到典型的頸縮現(xiàn)象，韌窩比較淺平，基體在拉伸過程中沒有明顯的撕裂痕跡，說明試樣塑形較差.

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Influence of inclusions on mechanical properties of 6063 Al alloy

Zhou Ce1，Cui Jianzhong2

(1.Fujian Nanping Aluminum Company，Nanping 353000，China;2 The Key Lab of National Education Ministry for Electromagnetic Processing of Material，Northeastern University，Shenyang 110004，China)

The distribution of inclusions in 6063 Al alloy DC casting ingot and the effect of the inclusions on tensile properties were studied.It is found that，the areal fraction of inclusions at the bottom and the top of ingot is high，while the areal fraction of inclusions at the middle of ingot is lower.The tensile strength，elongation and strainhardening exponent(n value)decrease with increase in the areal fraction of inclusions.The work hardening is replaced by soften process when the deformation temperature is 300℃.Through the fracture surface analysis，the dimple in the part with high areal fraction inclusion is deeper，and its elongation is high，while the dimple in the part with high areal fraction inclusion is shallower，and its elongation is low.

6063 Al alloy;inclusions;tensile properties;fracture surface analysis

TF 821

A

1671-6620(2013)01-0072-05

2012-12-01.

國家國際合作專項(xiàng) (2011DFA52300).

周策 (1973—)，男，高級(jí)工程師，E－mail:zhouce@mlfjnp.com;崔建忠 (1950—)，男，東北大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，E－mail:jzcui@epm.neu.edu.cn.