Al—Mg—Si系合金高溫變形行為的研究

晉坤　王超　李晶琨

摘 要：采用光學顯微、透射電子顯微、拉伸試驗等技術，研究了Al-Mg-Si合金的高溫拉伸行為及微觀組織特征。結果表明，Al-Mg-Si系合金在高應力狀態下，其變形量明顯高于低應力狀態；在同一溫度和應力狀態下，變形量隨著時間的延長而逐漸增加，變形量-時間的曲線大致呈現線性關系，隨著施加應力的增加，變形量的增量也隨之增加；在高應力狀態下的位錯明顯多于低應力狀態，此外，高應力條件下，Al-Mg-Si系合金的熱變形主要受位錯攀移控制；而在低應力條件下，合金的熱變形主要受原子和空位的擴散控制。

關鍵詞：Al-Mg-Si系合金；高溫拉伸行為；微觀組織

Al-Mg-Si系合金是可熱處理鋁合金，因高強度和良好的韌性，在汽車、船舶、航空航天領域有著廣泛的應用[1，2]。該類合金的零件在鈑金成形領域加工流程主要為冷軋板材—淬火—冷成形—人工時效—零件修整—檢驗—交付，成形過程主要以冷加工為主，常溫狀態下，零件成形因加工硬化易產生裂紋，尤其在旋壓成形、拉伸成形過程中，冷加工難以成形較為復雜的零件。可熱處理鋁合金在熱時效過程中引入應力，可在時效硬化的過程中，發生塑性變形，從而實現板材的熱加工成形[3]。目前，Al-Mg-Si系合金在高溫和低應力方面研究較少，因此，本文主要通過對Al-Mg-Si合金高溫拉伸行為的研究，為后續該類合金熱加工成形的工藝提供研究基礎。

1 材料制備與試驗方法

1.1 材料制備

試驗用Al-Mg-合金在實驗室條件下制備。配料采用高純鋁（99.85%）、純鎂（99.90%）、純鋅（99.92%）和Al-20%Si、Al-15%Mn中間合金，細化劑采用Al-5%Ti-B。合金的熔煉在石墨坩堝電阻爐內進行，熔化溫度760～780℃，澆鑄溫度為720～730℃，除氣劑采用C2Cl6，在鐵模中澆鑄。澆鑄后的合金化學成分如表1所示。合金采用550℃×24h的均勻化制度。

2 試驗結果

2.1 合金在不同應力條件下的變形量-時間關系

圖1為Al-Mg-Si合金在175℃溫度條件下，不同應力的變形量-時間的關系曲線圖。從圖中可以看出，在200MPa高應力狀態下，其變形量明顯高于150MPa，在14h時間下，150MPa的變形量為0.18%，而200MPa的合金變形量最大，為1.27%。在同一溫度和應力狀態下，變形量隨著時間的延長而逐漸增加，同時在時間1h～14h之間，其變形量曲線大致呈現線性關系，通過線性擬合得出200MPa下的曲線斜率為0.022，150MPa下的曲線斜率為0.0074。通過斜率可以看出，隨著施加應力的增加，變形量的增量也隨之增加。

2.2 合金不同應力條件下的TEM對比

為了更加深入地研究合金微觀組織的演變，需通過透視電鏡手段進行分析。圖3為Al-Mg-Si合金在不同應力條件下的TEM照片。從圖中可以看出，在高應力（200MPa）條件下，1h時間內，晶內受應力的影響，產生大量位錯，且位錯處于不斷增殖的趨勢；當處于14h時間下，晶內位錯逐漸向晶界處大量聚集，并纏結在一起形成位錯的胞狀結構，遠離晶界處的位錯逐漸減少。而在低應力（150MPa）條件下，1h時間內，晶內位錯與高應力相比，明顯偏少，僅存在小部分條帶狀的位錯存在；當處于14h時間下，位錯仍然偏少，形狀發生彎曲，逐漸形成盤片狀。

一般說來，合金的熱變形過程是受溫度、應力、組織形態、溶質原子濃度等諸多因素耦合的影響，對于鋁合金而言，不同熱/力條件下的緩慢變形主要由位錯運動（如位錯攀移、位錯滑移、位錯交滑移）、晶界運動（如晶界遷移、晶界擴散、晶界擴散）及溶質原子濃度等控制[4]。從圖3的TEM照片結果可知，高應力下，在長時間的變形過程中，合金晶內、晶界處均存在大量的位錯，說明位錯攀移在變形過程中起到重要作用；而在低應力下，在長時間變形條件下，合金晶內和晶界處的位錯始終很少，且位錯逐漸彎曲成盤片狀，說明低應力條件下，合金變形過程中主要受晶界遷移和原子擴散控制。

3結論

（1）Al-Mg-Si合金在高應力狀態下，其變形量明顯高于低應力狀態；在同一溫度和應力狀態下，變形量隨著時間的延長而逐漸增加，變形量-時間的曲線大致呈現線性關系，隨著施加應力的增加，變形量的增量也隨之增加；

（2）在高應力狀態下的位錯明顯多于低應力狀態，此外，高應力條件下，Al-Mg-Si合金的熱變形主要受位錯攀移控制；而在低應力條件下，合金的熱變形主要受原子和空位的擴散控制。

參考文獻：

[1] 張建新， 高新華， 陳昊. 合金元素對Al-Mg-Si系鋁合金組織及性能的影響[J]. 鑄造技術， 2007， 28（3）： 373-375.

[2] 李海， 等. Mn和Cr對Al-Mg-Si-Cu合金組織及性能的影響[J]. 材料熱處理學報， 2011， 32（10）： 100-105.

[3] 劉靜安. 熱加工工藝對Al-Mg-Si系合金型才性能的影響[J]. 輕合金加工技術， 2002， 30（2）： 1-5.

[4] 晏井利， 孫揚善， 薛烽， 等. 純Mg的蠕變行為研究[J]. 金屬學報， 2008， 44（11）： 1354-1359.