鋁合金差示掃描量熱分析（DSC）的影響因素研究

王 操，王麗萍，屈玉石，苗承義，張 瀟

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽111003）

0 前言

作為Al-Mg-Si 系熱處理可強化變形鋁合金，6082鋁合金被廣泛應用于汽車、建筑等領域[1]。鋁合金在制備和成形過程中，往往需要經歷熱處理和澆注、凝固、冷卻等工藝過程，研究其熱處理過程中固、液轉變及相變溫度對合金部件的最終組織控制乃至最終性能的影響至關重要[2]。差示掃描量熱分析（DSC）是金屬凝固過程研究中應用最廣泛的手段，可以研究材料熱處理和澆注、凝固、冷卻等工藝過程中組織能量變化，為凝固行為和相變研究提供重要依據[3-5]。

目前，關于差示掃描量熱分析手段應用于高溫合金的研究較多，而其在鋁合金型材方面的應用研究卻鮮有報道。因此，本文針對攪拌摩擦焊6082鋁合金，通過對其母材部位不同升溫速率以及相同升溫速率不同合金部位進行研究，采用DSC分析法總結攪拌摩擦焊6082鋁合金的相變規律。

1 試驗

試驗材料為6082 鋁合金攪拌摩擦焊型材，熱處理狀態為T6，其化學成分如表1所示。

表1 6082鋁合金化學成分（質量分數/%）

T6時效處理后，對6082鋁合金不同部位進行取樣，取樣部位如圖1所示。不同升溫速率對比試樣取自型材母材區相同5 個部位，分別對應5 ℃/min、10 ℃/min、15 ℃/min、20 ℃/min、25 ℃/min 升溫速率，編號分別為A1、A2、A3、A4、A5。不同部位DSC曲線對比試驗取樣部位分別為熱影響區、前進側熱機影響區、焊核、回轉側熱機影響區，編號分別為B、C、D、E。

圖1 取樣部位分布

2 試驗結果

2.1 不同升溫速率對鋁合金DSC曲線的影響

圖2 為6082 鋁合金攪拌摩擦焊型材分別以5 ℃/min、 10 ℃/min、 15 ℃/min、 20 ℃/min、25 ℃/min 的升溫速率進行DSC試驗后經Origin軟件整理得出的不同升溫速率DSC測定曲線。從圖2中可以看出，不同升溫速率DSC 曲線形狀基本一致，隨著升溫速率的增加，合金相變功率增加。升溫速率為10 ℃/min、15 ℃/min、20 ℃/min、25 ℃/min時低溫結晶峰向高溫方向偏移；合金固相線溫度基本一致，通過線性外推和取平均值計算其分別為590.4 ℃、582.2 ℃、583.0 ℃、571.5 ℃、575.5 ℃；升溫速率為5 ℃/min、10 ℃/min 時液相線曲線峰較尖銳且明顯；升溫速率為15 ℃/min、20 ℃/min、25 ℃/min 時，液相線曲線峰較平緩且相較于升溫速度為5 ℃/min、10 ℃/min時向低溫方向偏移；升溫速率為5 ℃/min 時液相線溫度為665.0 ℃。

圖2 不同升溫速率DSC測定曲線

2.2 不同取樣部位對鋁合金DSC曲線的影響

圖3 為6082 鋁合金攪拌摩擦焊型材升溫速率5 ℃/min、取樣部位分別為母材、熱影響區、前進側熱機影響區、焊核、回轉側熱機影響區的DSC測定曲線。

圖3 不同取樣部位DSC測定曲線

從圖3中可以看出，6082鋁合金攪拌摩擦焊型材母材區升溫時相變功率較高，焊核區與前進側熱機影響區相變功率相近，回轉側熱機影響區與熱影響區相變功率相近。與母材區相比，焊核區結晶放熱峰向低溫方向偏移，而前進側熱機影響區、回轉側熱機影響區及熱影響區結晶放熱峰則向高溫方向偏移，且偏移溫度基本一致；不同部位的固相線溫度基本一致，且峰形狀相同，焊核區液相線峰較尖銳，其他部位液相線峰較為平緩，母材區與焊核區液相線溫度相差近20 ℃。

3 分析與討論

其中， A 為相應DSC曲線上峰的面積；ΔH 為熔化潛熱，J/g；K為儀器修正系數。

由公式（1）可知：相同儀器設備情況下，熔化潛熱與DSC曲線峰面積呈正比。隨著升溫速率的提高，合金相變功率提高，相應的DSC曲線峰面積增加，合金升溫時所需熔化潛熱增加，因此升溫速率為10 ℃/min、15 ℃/min、20 ℃/min、25 ℃/min時低溫結晶峰向高溫方向偏移。固相線溫度與合金加熱速度無關，因此不同升溫速度所對應的合金固相線溫度基本一致。6082 鋁合金結晶相變溫度范圍在590～660 ℃區間內，即在固相線溫度與液相線溫度范圍內，因此升溫速率越慢，合金相變越充分，峰形狀越明顯且尖銳。

攪拌摩擦焊中不同部位的組織形貌各不相同，焊核區在攪拌摩擦過程中在高溫變形下發生再結晶轉變；焊核區即為動態再結晶區，發生完全動態再結晶，其組織為細小的等軸晶粒；熱機影響區在攪拌摩擦焊過程中離攪拌摩擦中心距離不同，組織發生不同程度的塑性變形和部分再結晶而形成彎曲且拉長的微觀晶粒組織；熱影響區無攪拌摩擦作用，只受摩擦熱循環作用；母材區的微觀組織和力學性能均不發生變化。因此在DSC曲線測定中，DSC曲線發生一定變化。焊核區、熱機影響區、熱影響區受攪拌摩擦焊不同程度的影響，組織發生不同程度的變化，焊核區為等軸細小晶粒相變時所需熔化潛熱較小，因此結晶放熱峰較母材區向低溫方向偏移，熱機影響區、熱影響區受塑性變形及晶粒長大影響所需熔化潛熱增加，因此結晶放熱峰向高溫方向偏移。在共晶相變溫度范圍即固相線與液相線溫度范圍內，共晶相熔化只與材料本身有關，因此固相線溫度基本一致。焊核區為完全動態再結晶組織，低熔點共晶相較少，趨于液相線溫度時峰形較明顯且曲線尖銳。

4 結論

（1）不同升溫速率下6082合金的DSC曲線形狀基本一致，隨著升溫速率的增加，合金相變功率增加；與5 ℃/min 相比，升溫速率為10 ℃/min、15 ℃/min、20 ℃/min、25 ℃/min 時的低溫結晶峰向高溫方向偏移；合金固相線溫度基本一致。

（2）6082 鋁合金攪拌摩擦焊型材母材區升溫時相變功率較高，焊核區與前進側熱機影響區相變功率相近，回轉側熱機影響區與熱影響區相變功率相近；與母材區相比，焊核區結晶放熱峰向低溫方向偏移，前進側熱機影響區、回轉側熱機影響區及熱影響區結晶放熱峰向高溫方向偏移且偏移溫度基本一致。不同部位的固相線溫度基本一致，且峰形狀相同，焊核區液相線峰較尖銳，其他部位液相線峰較為平緩，母材區與焊核區液相線溫度相差近20 ℃。