6063鋁合金準靜態壓縮裂紋分析

孫 亮，劉兆偉，王洪卓，李秋梅，周 龍，董劉穎

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

鋁合金是工業應用最廣泛的有色金屬材料，具有密度低、強度高、塑性好、導電性和導熱性能優良等特點，廣泛應用于機械制造、航空航天、地鐵輕軌、汽車、船舶等領域[1-3]。6063鋁合金是一種具有中等強度的Al-Mg-Si 系合金[4-6]，具有優良的焊接性、抗蝕性、可加工性、擠出性和陽極氧化性等特點，因而得到廣泛的工業應用[7-9]。

用6063鋁合金擠壓型材作吸能盒，其性能穩定，尺寸一致性較好，吸能性能較同等重量的鋼質結構提高50%以上，能更加有效地保護車內乘員的安全[10]。準靜態壓縮實驗是衡量吸能性能的主要方法之一[11]，某批次6063擠壓型材進行準靜態壓縮實驗時，型材變形處出現明顯裂紋。本研究通過宏觀表面、低倍組織和高倍組織觀察與分析，探討6063擠壓型材變形缺陷的產生原因。

1 試驗材料與方法

采用半連續鑄造方法制備6063鋁合金鑄錠，合金經540 ℃×6 h均勻化處理后，通過2750T臥式擠壓機進行擠壓生產，擠壓制品橫截面為長170 mm、寬55 mm、壁厚3 mm的矩形，具體擠壓工藝參數見表1，擠壓型材合金經在線淬火后，進行200 ℃×7 h的人工時效處理。

利用AX10型光學顯微鏡(OM)進行光學顯微組織觀察；采用SSX-550型掃描電鏡(SEM)觀察第二相形貌和分布；準靜態壓縮實驗在微機控制的液壓機上進行，壓縮試樣長度為300 mm，下壓速度為100 mm/min，壓下量為試樣長度的60%。

表1 擠壓工藝參數

2 試驗結果與討論

2.1 成分檢測

裂紋樣品和無裂紋樣品的化學成分檢測結果，見表2。兩種樣品化學成分無明顯區別，均符合標準成分范圍，由此可知，裂紋不是由宏觀偏析所致。

2.2 宏觀分析

圖1為壓縮試樣缺陷示意圖，從圖中可知，裂紋處于彎曲變形內側，變形量最大位置屬于壓縮類裂紋，長度約10 mm，裂紋附近變形較嚴重處出現橘皮現象見圖1(b)。

2.3 顯微組織分析

圖2為試樣裂紋截面處顯微組織，從圖中可看出，裂紋尖端附近析出相尺寸較大，且較集中；與無裂紋組織相比，裂紋試樣中存在尺寸較大的黑色相，卻數量較多。

表2 缺陷樣品與非缺陷樣品成分檢測結果(質量分數，%)

(a)準靜態壓縮試樣；(b)裂紋的宏觀形貌

(a)裂紋；(b)無裂紋

圖3為裂紋試樣和無裂紋試樣顯微組織圖，從圖中可以看出，含裂紋和無裂紋試樣的顯微組織并無明顯變化。

圖4為裂紋試樣與無裂紋試樣粗晶層圖，從圖中可知，裂紋試樣平均粗晶層厚度達143 μm，而無裂紋試樣平均粗晶層厚度為32 μm，對比之下裂紋試樣粗晶層較厚。

(a)裂紋；(b)無裂紋

(a)裂紋；(b)無裂紋

2.4 SEM/EDS分析

裂紋試樣掃描電鏡(SEM)圖見圖5。從圖中可以看出，裂紋一側出現層狀物質。圖中A為裂紋內部，B和C為裂紋邊緣，所對應的能譜(EDS)結果見表3。從能譜分析可知，B和C處檢測到O元素，這說明裂紋附近發生了氧化現象，而裂紋內部A處塊狀物主要由Al、Mg和Si元素組成，分析為AlMgSi強化相。

表3 EDS分析結果(質量分數，%)

圖5 裂紋試樣高倍組織形貌

2.5 討論與建議

由上述測試結果可知，標準6063鋁合金并無宏觀偏析，裂紋主要出現在彎曲變形嚴重區域，屬于壓縮變形裂紋，裂紋粗晶層較厚，而且裂紋附近出現一些尺寸較大的析出相，因此，裂紋產生主要是有以下2個方面：

1)組織。裂紋尖端附近析出相尺寸較大且集中，析出相尺寸波動較大，分布不均，在壓縮變形過程中，褶皺處發生彎曲折疊，析出相尺寸密度不同，導致變形抗力不同，從而在變形中容易出現開裂現象。

2)粗晶層。由于邊部與芯部纖維狀晶粒尺寸相差較大，變形過程中容易產生錯位，變形量小時易出現橘皮現象，而變形量大時形成裂紋源。

在準靜態壓潰試驗中，吸能零件變形中裂紋的出現將大大降低材料的承載能力，可能產生嚴重的后果[12]，裂紋是必須避免的缺陷。針對上述分析，本文提出以下建議：

1)組織方面，析出相的尺寸可以通過時效改善，建議縮短時效時間，減小析出相尺寸；

2)擠壓工藝方面，通過調整工藝或模具結構調控粗晶層厚度，比如適當降低擠壓溫度，提高在線淬火的冷卻速度，從而降低粗晶層的厚度和晶粒尺寸的不均勻性。

3 結論

裂紋產生的原因，一方面是大尺寸析出相聚集，在變形過程中變形量與基體不同，容易形成裂紋；另一方面是材料的晶粒尺寸相差較大，變形后出現橘皮現象，容易形成裂紋源。

針對裂紋，建議對材料時效工藝進行適當調整，優化擠壓工藝調控晶粒不均勻性，從而減少裂紋的產生。