連續擠壓Al-1.1Mg-0.3Cu合金的拉伸性能和加工硬化行為*

張 輝，羅 松，蔣福林,3

(1. 湖南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410082；2. 湖南省噴射沉積技術及應用重點實驗室，湖南 長沙 410082;3. 麥克馬斯特大學材料科學與工程學院，加拿大安大略漢密爾頓 L8S 4L7)

連續擠壓Al-1.1Mg-0.3Cu合金的拉伸性能和加工硬化行為*

張 輝1,2?，羅 松1，蔣福林1,3

(1. 湖南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410082；2. 湖南省噴射沉積技術及應用重點實驗室，湖南 長沙 410082;3. 麥克馬斯特大學材料科學與工程學院，加拿大安大略漢密爾頓 L8S 4L7)

為了提高Al-1.1Mg-0.3Cu合金線桿的拉伸性能，通過金相、透射電鏡、掃描電鏡顯微組織觀察和拉伸試驗分別對連續擠壓態及拉拔退火態合金的微觀組織和拉伸性能進行了研究.結果表明：連續擠壓成形工藝有助于進一步改善合金的拉伸性能，與傳統拉拔后退火處理工藝相比，通過連續擠壓工藝制備的合金組織晶粒細小而均勻，沉淀相和位錯密度較少，致使合金的延伸率相對較高而加工硬化率相對較低；此外，相比傳統工藝，由連續擠壓工藝制備的合金拉伸試樣斷口形貌中韌窩更深、更細小.

鋁合金；連續擠壓成形；顯微組織；力學性能；加工硬化

鋁合金或銅包鋁復合電線導線具有成本低、重量輕、強度和電導率高等特點，已經代替銅基合金廣泛應用于電工領域[1-6].研究表明,合金的加工硬化率越高、延伸率越小，在室溫拉拔過程中越容易發生斷裂[7-8].

Conform連續擠壓成形工藝已廣泛應用于軟鋁合金桿材、管材、型材以及銅導線的連續生產中.該工藝具有如下特點：坯料無需加熱、能耗低；生產周期短、生產率高、產品成品率高；生產工序簡單、可連續生產長度不受限制的產品[9-11].原料被連續送入擠壓輪的凹形槽和槽封塊所構成的幾乎密閉的擠壓型腔內，在堵頭處，坯料沿圓周方向的運動受阻，被迫進入擠壓模腔，最后通過裝在模腔內的模具擠成所需的產品.研究表明[10-12]：在Conform連續擠壓成形過程中，材料發生塑性變形的區域內會產生一個強烈的內部剪切帶(IISB).劇烈的剪切變形會產生大量的變形熱，從而降低了塑性變形的不均勻性，提高了金屬的塑性變形能力.

通過Conform連續擠壓在改善AZ31鎂合金的組織均勻性的同時還改變了鎂合金基面結構，從而增強了該合金的塑性[12].Utsunomiya等人[13]利用連續剪切變形方式(conshearing)和Raab等人[14]利用ECAP-Conform工藝分別細化了鋁合金，以提高鋁合金性能.利用Conform工藝的特性(強烈的內部剪切變形和變形溫度逐漸增加)來提高鋁合金力學性能和提高產品成材率的相關研究文獻較多[12].

在銅包鋁鎂合金細線實際工業生產過程中,導線在拉拔過程中經常產生裂紋、斷裂等問題.分析發現可以通過添加過量的銅或者在拉拔前進行Conform連續擠壓變形來提高Al-Mg合金芯導線的拉伸性能，從而提高產品的成品率[4]，但機理還不夠清楚.本文通過Conform連續擠壓工藝制備Al-1.1Mg-0.3Cu合金線桿，并與傳統拉拔后退火工藝制備的同種鋁合金線桿的微觀結構和拉伸性能進行比較分析，從而得到Conform連續擠壓提高銅包鋁鎂合金拉伸性能的相關機理.

1 實驗方法

1.1 化學成分

實驗中，Al-1.1Mg-0.3Cu合金的化學成分(質量分數，%)為：wMg=1.1，wCu=0.3，wMn=0.008，wZn=0.05，wSi=0.06，wFe=0.15，wAl=余量.

1.2 實驗工藝

通過LJ300鋁連續擠壓機將直徑為12 mm的Al-1.1Mg-0.3Cu合金桿材擠壓成直徑為8.7 mm的線材.擠壓輪直徑為300 mm，轉速為16 r/min，擠出部分速率約為0.48 m/s，擠壓模出口溫度大約為430 ℃.擠出后，在離模具出口2 m處對線桿進行水冷.另外，通過拉拔機將直徑為12 mm的Al-1.1Mg-0.3Cu合金桿材在室溫下拉拔成直徑為8.7 mm的線桿，拉拔速率為3.2 m/s.然后再將拉拔線材進行退火處理，退火溫度為430 ℃，退火時間為4 h.

根據GB/T 228-2002《金屬材料常溫拉伸試驗方法》將線桿制成標準拉伸試樣，標距長度為25 mm，標距直徑為5 mm.在WDW-100機上進行單軸拉伸測試，拉伸速率為0.5 mm/min.拉伸斷裂后，利用FEI QUANTA 200掃描電子顯微鏡(SEM)對試樣拉伸斷口進行掃描觀察.通過Leitz MM-6光學顯微鏡(OM)和JEM3010透射電子顯微鏡(TEM)觀察顯微組織.

2 實驗結果及分析

2．1 顯微組織分析

不同工藝制備的Al-1.1Mg-0.3Cu合金的光學顯微組織如圖1所示.從圖中可以看出，連續擠壓態組織晶粒尺寸相差較小，平均晶粒尺寸約為200 μm(圖1(a)).傳統拉拔后退火態組織中晶粒尺寸相差較大，最大可達900 μm，最小只有280 μm，平均晶粒尺寸約為485 μm(圖1(b)).相比傳統拉拔后退火工藝，通過Conform工藝制備的線桿組織更均勻，晶粒更細小.

圖2為不同工藝制備的Al-1.1Mg-0.3Cu合金的TEM圖.從圖中可以看出，連續擠壓態組織中存在少量的位錯和第二相粒子(圖2(a)和(b)).EDS分析結果(表1)表明，這些第二相粒子都是富含硅的雜質相.對傳統拉拔態線桿進行430 ℃/4 h退火處理后，退火態組織中仍然存在大量的位錯，沿拉拔方向分布(圖2(c)).退火態組織中還包含大量均勻分布的球形顆粒，平均直徑為0.4 μm(圖2(d)).EDS分析結果(表1)表明，這些顆粒可能為S(Al2CuMg)相.

(a) Conform 工藝

(b) 傳統拉拔工藝

(a) Conform 工藝

(b) Conform 工藝

(c)傳統拉拔后退火工藝

(d) 傳統拉拔后退火工藝

表1 圖3中第二相粒子的EDS分析結果

顯微組織之間的差異可能是由于兩種加工工藝中合金變形區域及溫度變化的不同所造成的.在Conform連續擠壓過程中，驅動力是擠壓輪與合金之間的摩擦力，由于合金流出方式為徑向流出，使得強烈的剪切變形出現在中部區域，所以合金中心的內部剪切變形比表面的剪切變形要更劇烈[10].強烈的剪切變形發生在塑性變形區域的邊界附近，形成強烈內部剪切變形帶(IISB).強烈的剪切變形會產生大量的變形熱，使得合金溫度從室溫逐漸升到擠壓溫度[10, 12-17].在合金升溫階段，變形溫度較低，剪切變形較大，從而形成高密度位錯.IISB的存在降低了塑性變形的不均勻性，提高了合金的塑性[10, 12].當合金進入擠壓模中時，合金溫度上升到擠壓溫度.由于升溫階段位錯大量累積(低溫剪切變形)，合金中存在較高應變儲能，使得合金在擠壓溫度下容易發生動態回復(DRV)甚至動態再結晶(DRX)[10, 14-17]，從而使位錯密度減少(圖2(a))，晶粒組織細化(圖1(a)).另外，強烈的剪切變形使得第二相粒子發生碎裂[10, 12]，導致第二相粒子分布較為稀疏(圖3(b)).而在傳統拉拔過程中，由于合金與模具之間存在摩擦阻力，合金流出方式為軸向流出，使得強烈的剪切變形發生在合金表層，合金表層發生不均勻塑性變形，從而形成一定的剪切變形帶.隨著拉應變的增加，局部剪切帶之間的間距縮短，局部剪切帶逐漸伸長，形成宏觀剪切帶[2-3].因此，在傳統拉拔過程中，合金應變分布不均勻，形成了不均勻的細長微觀組織且該組織中存在大量的位錯[18-20].由于在拉拔過程中累積了較高應變儲能，使得合金在退火過程中發生快速的靜態再結晶及晶粒生長，導致晶粒粗大(圖1(b)).由于合金變形不均勻，組織中同時存在再結晶和非再結晶兩種區域，從而形成兩種不同的微觀組織區域(圖3(c)).合金中存在大量的高密度位錯加之較長的退火時間會加速析出相的析出和長大，導致大量的析出相彌散分布在晶粒中(圖2(d)).

2．2 拉伸性能和加工硬化行為

圖3為Al-1.1Mg-0.3Cu合金在室溫下的拉伸工程應力-應變曲線圖.相比傳統工藝生產的合金，Conform生產的合金具有較低的極限抗拉強度和較高的延伸率.傳統加工的合金屈服強度和極限抗拉強度分別為70 MPa和161 MPa.而Conform加工的合金的屈服強度和極限抗拉強度更低，分別為51 MPa和114 MPa.Conform加工合金的延伸率(約52%)高于傳統加工合金的延伸率(約47%).圖4為Al-1.1Mg-0.3Cu合金的加工硬化率θ-真應變ε曲線圖.加工硬化模型是由Kocks U F，Mecking H和Estrin Y(ME)為FCC合金所提出的一個抽象模型[21-23].

工程應變/%

流變應力-屈服應力/MPa

加工硬化率-真應變曲線可以分為兩個區域：彈性變形-塑性變形過渡區域(第Ⅱ階段)和完全塑性變形區域(第Ⅲ階段).在彈性變形-塑性變形過渡區域，加工硬化率急劇下降.而在完全塑性變形區域(存在較高的應變)加工硬化率與真應變之間總是遵循一個線性關系[21-23]：

θ=dσ/dε=θ0-βσ．

(1)

式中：θ0為初始加工硬化速率，是一個反映位錯存儲率的非熱常數；β是一個無量綱參數，為曲線某點的斜率.從圖4可以看出一個典型的完全塑性區域(第III階段).隨著真應力的增加，加工硬化率呈線性減少，這完全符合Kocks-Mecking模型[21-22].Conform加工合金的初始加工硬化速率(約為530 MPa)比傳統加工合金的初始加工硬化速率(約為1 070 MPa)要低很多，而β相差不大.

拉伸性能或單次允許最大變形量(εmax)的表達式為：

εmax=η(n+1)．

(2)

式中：η為加工變形效率(通過機械控制)；n為硬化指數[21].硬化指數可通過冶金工藝進行控制，優化微觀組織增加其數值.圖5為Al-1.1Mg-0.3Cu合金硬化指數n-logε曲線圖.Conform加工合金的硬化指數比傳統加工合金高，其拉伸性能也相對要好[8, 24].相比傳統加工合金，Conform加工合金中組織均勻、晶粒細小、位錯較少且加工硬化率低，所以其延伸率較高、塑性和拉伸性能較好[7, 25-26].

logε

根據先前的報道[13-14]和顯微組織的分析(2.1節)， Conform加工合金的晶粒相對較細(圖1)，而該合金屈服強度相對較低(圖3)，這并不符合Hall-Petch關系[15, 25, 27].這是因為相比Conform加工合金，傳統加工合金中存在大量的位錯和析出相，位錯與位錯之間的交互作用以及位錯與析出相之間的交互作用阻礙了位錯運動，從而大大提高了該合金的屈服強度.加工硬化和沉淀強化對合金屈服強度的影響程度遠遠高于細晶強化.所以Conform加工合金顯微組織中晶粒較細小，然而其屈服強度卻較低.

2．3 斷裂行為

圖6為Al-1.1Mg-0.3Cu合金的拉伸斷口形貌圖.從圖中可以看出，兩類加工合金的斷口形貌特征表現為韌窩，斷裂方式為韌性斷裂.Conform加工合金拉伸試樣斷口中的韌窩相比傳統加工合金更細更深更均勻，且韌窩為等軸韌窩，大小相差不大.這是因為在拉伸過程中合金發生塑性變形，會產生大量位錯，而合金中存在較多的第二相粒子.當外力足夠大的時候，第二相粒子會重新運動起來，且由于位錯釘扎作用，位錯會向第二相顆粒處運動并聚集.當其所積累的彈性應變能足以克服第二相粒子與基體之間的界面結合力而形成新表面時，便會形成顯微空洞.由于顯微空洞的形成使后面的位錯受到的排斥力大大降低，從而大量的位錯在外力的作用下向新生成的顯微空洞運動，顯微空洞長大.直至與其他空洞相互連接在一起，從而形成了等軸韌窩斷口形貌.另外，斷裂表面形態的變化與總伸長有關，且韌窩的大小取決于原子特性和原子間距.傳統加工合金的韌窩相對較細長，這可能是由于在剪切面上發生強烈的剪切變形及斷裂所引起的.Conform加工合金斷口韌窩尺寸的減少可能與晶粒細化、低的加工硬化以及加工過程中高的動態回復和破碎的沉淀相有關.該合金的顯微組織較均勻，韌窩也較均勻.傳統加工合金中晶粒粗大不均勻，所以其斷口韌窩淺、不均勻.在變形過程中存在一定的不完全回復，導致拉伸性能降低.

(a) Conform 工藝

(b) 傳統拉拔工藝

3 結 論

通過對Conform連續擠壓工藝與傳統拉拔后退火工藝所制備的Al-1.1Mg-0.3Cu合金線桿組織與拉伸性能比較研究，可以得到如下結論：

1)Conform連續擠壓工藝制備的合金晶粒尺寸較細，組織更均勻，位錯密度較低，第二相析出粒子較少.

2)Conform連續擠壓工藝制備的合金加工硬化率小，但延伸率提高了10.6%.

3)Conform連續擠壓合金拉伸試樣斷口形貌中的韌窩較深、較細且更均勻.

4)Conform連續擠壓可提高Al-1.1Mg-0.3Cu合金線桿的拉伸性能.

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Tensile Properties and Work Hardening Behavior of Continuous-extruded Al-1.1Mg-0.3Cu Alloy

ZHANG Hui1,2?, LUO Song1， JIANG Fu-lin1,3

(1.College of Materials Science and Engineering, Hunan Univ, Changsha,Hunan 410082, China; 2.Hunan Province Key Laboratory of Spray Deposition Technology and Application, Hunan Univ, Changsha,Hunan 410082, China; 3.Dept of Materials Science and Engineering, McMaster Univ, Hamiltion, Ontario L8S 4L7, Canada)

In order to improve the drawability of Al-1.1Mg-0.3Cu alloy wire rod, the microstructures and mechanical properties of continuous extruded and conventional drawn and annealed alloys were investigated by observation of optical microscopy, transmission electron microscopy and scanning electron microscopy and tensile testing. The experimental results show that continuous extrusion forming produced a finer, more uniform structure, with fewer precipitates and lower dislocation density, than that resulting from conventional drawing followed by annealing processing. Increased tensile elongation, lowered work hardening rate, and enhanced drawability resulted from continuous extrusion processing. The fracture surface of the material prepared by continuous extrusion presented deeper and finer dimples, compared with that of the conventionally processed material.

aluminum alloy; continuous extrusion forming; microstructure; mechanical properties; work hardening

1674-2974(2015)06-0060-06

2014-09-08

張 輝(1963-)，男，湖南望城人，湖南大學教授，博士

?通訊聯系人，E-mail: zhanghui63hunu@163.com

TG146．2

A