軋制態(tài)6082-T6鋁合金的熱壓縮力學(xué)行為及微觀組織分析

， ， ， ， ， ， ，

(1. 湖南工學(xué)院 汽車零部件技術(shù)研究院， 湖南 衡陽 421002；2. 湖南工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 湖南 衡陽 421002)

汽車在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中運(yùn)用廣泛，為人類帶來便捷，同時(shí)，綠色環(huán)保和節(jié)能減排等問題也受到了更多的關(guān)注。輕量化是實(shí)現(xiàn)環(huán)保和節(jié)能的重要方法，采用輕質(zhì)高強(qiáng)的輕量化材料來制造汽車零部件可有效實(shí)現(xiàn)汽車輕量化[1-3]。6082鋁合金強(qiáng)度中等，耐腐蝕性能和焊接性能優(yōu)異[4-5]，其主要的合金元素為Mg和Si，是一種可以通過熱處理進(jìn)行強(qiáng)化的輕量化材料[6-7]。該類合金在常溫下的成形性能一般，通常會采用熱成形工藝改善材料成形能力。工業(yè)生產(chǎn)中采用鍛造、擠壓和軋制等熱加工工藝將鋁合金加工成各種結(jié)構(gòu)件[8-9]，在航空航天、汽車和船舶等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

材料在發(fā)生熱變形時(shí)，其微觀組織會發(fā)生改變，最終影響零部件的性能。王家毅等[10]研究了鍛造工藝對6082鋁合金性能的影響及其強(qiáng)化機(jī)理，結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)回復(fù)是引發(fā)材料軟化的主要機(jī)制，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，基體中的位錯(cuò)組織對析出相的演變有顯著影響。鄧鵬等[11]研究了擠壓態(tài)7N01鋁合金，發(fā)現(xiàn)晶粒沿著擠壓方向被拉長，并形成了形變織構(gòu)，這種織構(gòu)能夠有效地抵抗擠壓方向上的塑性變形。李旺珍等[12]發(fā)現(xiàn)不同軋制狀態(tài)的Al-Cu-Mg-Sc合金表現(xiàn)出不同的平面力學(xué)性能各向異性，合金在軋制過程中形成的第二相和織構(gòu)是導(dǎo)致其各向異性的主要原因。材料熱變形過程中的變形溫度、變形量和應(yīng)變速率等決定了高溫下鋁合金材料的熱變形行為和微觀組織。

對于需求量較大的鋁合金板材而言，通常會采用熱軋或者熱擠壓的方法成形，材料在熱加工的過程中，如果熱加工工藝參數(shù)設(shè)置不合理，可能會造成開裂和晶粒粗大等現(xiàn)象[13]。因此，有必要對該材料在高溫條件下的壓縮變形行為和微觀組織演變進(jìn)行研究。本文采用熱模擬試驗(yàn)機(jī)測試了軋制態(tài)6082-T6態(tài)鋁合金在100～400 ℃條件下的壓縮力學(xué)性能，借助光學(xué)顯微鏡和透射電鏡對合金的微觀組織演變進(jìn)行了探索，分析了合金微觀組織特征和變形機(jī)理，以期為6082鋁合金熱加工工藝參數(shù)的選擇和制定提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

本研究采用的材料為6082-T6態(tài)鋁合金軋制板材，板厚為10 mm，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為0.93Si、0.2Fe、0.08Cu、0.47Mn、0.72Mg、0.1Cr、0.02Zn、0.07Ti，其余為Al。如圖1所示(RD為軋向，TD為橫向)，采用線切割沿與軋制方向成0°、45°和90°方向制備直徑φ8 mm，高度12 mm的圓柱體試樣。在Gleeble 3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上對軋制態(tài)6082鋁合金進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)，升溫速率10 ℃/s，保溫時(shí)間5 min，總壓縮應(yīng)變量為75%。熱壓縮變形溫度分別為100、200、300和400 ℃，應(yīng)變速率為0.01 s-1。每次壓縮試驗(yàn)結(jié)束后立即將試樣進(jìn)行水淬以保存高溫變形組織。

圖1 試樣制備方向示意圖Fig.1 Schematic diagram of specimen preparation directions

金相試樣經(jīng)鑲樣、粗磨、細(xì)磨、機(jī)械拋光和陽極覆膜后，采用AX10 Zeiss型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。由圖2(a)可見，軋制后的鋁合金板材中，晶粒沿著軋制方向被拉長，呈典型的纖維狀晶粒。在熱壓縮變形前后試樣上截取厚度0.1 mm的薄片，機(jī)械減薄至70 μm，然后沖出直徑φ3 mm的圓片，采用丙酮清洗圓片，通過MTP-I型電解減薄儀雙噴減薄，雙噴液為30% HNO3+70% CH3OH溶液(體積分?jǐn)?shù))，工作電壓為20 V，溫度為-30～-20 ℃。利用Tecnai G2 F20型透射電鏡進(jìn)行組織觀察，加速電壓為200 kV。圖2(b)為軋制態(tài)6082-T6鋁合金的TEM組織，可知在鋁合金基體中均勻分布著針狀的析出相，6082鋁合金可以通過時(shí)效處理進(jìn)行強(qiáng)化，其強(qiáng)度的高低主要取決于基體內(nèi)析出強(qiáng)化相的尺寸、分布及數(shù)量[14]。

圖2 軋制態(tài)6082-T6鋁合金的顯微組織 Fig.2 Microstructure of the as-rolled 6082-T6 aluminum alloy(a) OM; (b) TEM

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 力學(xué)性能

圖3為與軋向呈不同角度的6082-T6鋁合金試樣在應(yīng)變速率0.01 s-1和變形溫度100～400 ℃條件下壓縮后的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。變形初期，合金的應(yīng)力迅速升高，鋁合金是高層錯(cuò)能金屬材料，隨著壓縮的進(jìn)行，晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)密度不斷提高，并發(fā)生相互作用，金屬內(nèi)部位錯(cuò)的交滑移會導(dǎo)致材料軟化，但是形變引起的硬化作用占主導(dǎo)地位，因此，材料表現(xiàn)為流變應(yīng)力迅速提高，并達(dá)到峰值[15]。隨著應(yīng)變量增加，應(yīng)力水平有所下降，這是由于晶內(nèi)變形儲存能越來越多，合金內(nèi)位錯(cuò)的攀移、交滑移互相作用加強(qiáng)，位錯(cuò)密度逐漸降低，軟化作用高于應(yīng)變硬化。隨著應(yīng)變量的繼續(xù)增加，合金的流變應(yīng)力基本保持水平狀態(tài)。

圖3 與軋向呈不同角度的軋制態(tài)6082-T6鋁合金在不同溫度熱壓縮后的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.3 True stress-true strain curves of the as-rolled 6082-T6 aluminum alloy at different angles to rolling direction after hot compressing at different temperatures(a) 0°; (b) 45°; (c) 90°

圖4為軋制態(tài)6082-T6鋁合金熱壓縮試驗(yàn)的峰值應(yīng)力與變形溫度和與軋制方向間的角度之間的關(guān)系曲線。由圖4可知，當(dāng)取樣方向一定時(shí)，峰值應(yīng)力隨變形溫度升高而降低，這是由于變形溫度的升高會加快原子的移動(dòng)速度和材料的動(dòng)態(tài)軟化行為。當(dāng)壓縮溫度恒定時(shí)，在較低的變形溫度下，材料的力學(xué)性能各向異性明顯，0°和90°試樣的應(yīng)力水平相差不大，45°試樣的應(yīng)力相對較低，但是，隨著變形溫度的升高，材料的力學(xué)性能各向異性減弱，在高溫變形條件下，滑移系更容易開啟，合金的各向異性減弱。

圖5 經(jīng)不同溫度熱壓縮后與軋向呈不同角度的軋制態(tài)6082-T6鋁合金的顯微組織Fig.5 Miorostructure of the as-rolled 6082-T6 aluminum alloy at different angles to rolling direction after hot compressing at different temperatures(a,b) 0°; (c,d) 45°; (e,f) 90°; (a,c,e) 100 ℃; (b,d,f) 400 ℃

圖4 軋制態(tài)6082-T6鋁合金的力學(xué)性能各向異性和溫度敏感性Fig.4 Anisotropy and temperature sensitivity of mechanical properties of the as-rolled 6082-T6 aluminum alloy

2.2 微觀組織分析

圖5為與軋制方向呈0°、45°和90°的軋制態(tài)6082-T6鋁合金試樣在100 ℃和400 ℃熱壓縮后的顯微組織。由圖5(a，b)可知，0°方向試樣在高溫壓縮條件下，保持著初始的纖維狀晶粒組織，但是在壓縮過程中，晶粒沿著剪切力方向發(fā)生了扭曲。由圖5(c，d)可知，45°方向的試樣，其晶粒組織保持纖維狀。在變形過程中，晶粒組織在應(yīng)力的作用下，發(fā)生了一定程度的扭曲。由圖5(e，f)可知，90°方向試樣中晶粒比較細(xì)小，但是同樣有一定程度的晶粒扭曲現(xiàn)象。同時(shí)綜合對比發(fā)現(xiàn)，3個(gè)方向的試樣在100 ℃和400 ℃熱壓縮后晶粒組織的形態(tài)差別不大，說明合金在測試溫度范圍內(nèi)，均以變形回復(fù)組織為主，并未發(fā)生明顯的再結(jié)晶。

圖6為與軋制方向呈0°軋制態(tài)6082-T6鋁合金試樣經(jīng)不同溫度熱壓縮后的TEM照片。由圖6(a)可知，當(dāng)壓縮溫度為100 ℃時(shí)，位錯(cuò)之間發(fā)生纏結(jié)，位錯(cuò)密度高。在較低溫度下變形時(shí)，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)能力較低，基體內(nèi)部以動(dòng)態(tài)回復(fù)為主，因此在較低溫度條件下變形的合金中位錯(cuò)密度較高，但由于變形溫度較低，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶難以啟動(dòng)。當(dāng)熱變形溫度為200 ℃時(shí)(見圖6(b))，此時(shí)基體內(nèi)部依然保持較高密度的位錯(cuò)，但是位錯(cuò)密度相對100 ℃條件下明顯下降。如圖6(c)所示，當(dāng)變形溫度為300 ℃時(shí)，在基體中沒有發(fā)現(xiàn)明顯的位錯(cuò)纏結(jié)。而當(dāng)變形溫度升高到400 ℃時(shí)，位錯(cuò)密度較低，基體中分布著大尺寸的析出相，或彌散分布在晶粒內(nèi)，或排列在晶界處。當(dāng)壓縮溫度較高時(shí)，原子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)，位錯(cuò)的攀移和交滑移充分進(jìn)行，發(fā)生大量的位錯(cuò)湮滅和異號位錯(cuò)抵消，在動(dòng)態(tài)回復(fù)的作用下，位錯(cuò)密度顯著降低，加工硬化作用和動(dòng)態(tài)軟化機(jī)制達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，材料的流變應(yīng)力趨于穩(wěn)定[16]。此外，在高溫變形條件下，合金內(nèi)部發(fā)現(xiàn)有粗化的析出相，這也是導(dǎo)致合金發(fā)生動(dòng)態(tài)軟化的原因之一。

圖6 經(jīng)不同溫度熱壓縮后與軋向呈0°軋制態(tài)6082-T6鋁合金試樣的TEM照片F(xiàn)ig.6 TEM images of the as-rolled 6082-T6 aluminum alloy specimen at 0° to rolling direction hot compressed at different temperatures(a) 100 ℃; (b) 200 ℃; (c) 300 ℃; (d) 400 ℃

3 結(jié)論

1) 軋制態(tài)6082-T6鋁合金表現(xiàn)出明顯的力學(xué)性能各向異性和溫度敏感性，即當(dāng)變形溫度一定時(shí)，與軋向呈0°和90°方向的試樣強(qiáng)度最高，與軋向呈45°方向的試樣強(qiáng)度相對較低，隨著變形溫度的升高，材料的力學(xué)性能各向異性減弱。對于同一方向試樣，隨著變形溫度的升高，合金的強(qiáng)度下降。

2) 經(jīng)過熱壓縮變形后，與軋向呈不同方向的軋制態(tài)6082-T6鋁合金的晶粒組織均沿著剪切力方向發(fā)生扭曲，但是變形溫度對晶粒組織的演變影響不大。隨著變形溫度的升高，基體內(nèi)的位錯(cuò)密度明顯下降，出現(xiàn)析出相粗化現(xiàn)象。