6082鋁合金鑄棒力學性能研究

曹振華,韓世濤,羅昊東,周 軍,張海潮,李承豫

(遼寧忠旺集團有限公司,遼寧 遼陽 111003)

隨著能源危機日趨嚴重,對汽車減重節能的要求不斷提高,輕量化已成為汽車選材的主要發展方向。6082鋁合金屬于Al-Mg-Si系合金,以Mg2Si為強化相,為熱處理可強化鋁合金,該合金具有中等強度、良好的塑性、耐蝕性好、成形性和工藝性能良好等優點,廣泛應用于曲軸、半軸、凸輪軸、連桿和氣門頂桿等汽車零件鍛造生產中[1-2]。某批鍛造用6082鋁合金鑄棒,送檢的20件試樣中發現13件力學性能不合格,其中斷后伸長率不合格的有11件。本文選取斷后伸長率最大和最小的試樣,采用宏觀觀察、微觀斷口形貌、金相組織(光學、SEM、EDS)等檢測手段,分析6082鋁合金鑄棒力學性能不合格的原因。

1 試驗過程

試驗材料為φ110 mm的6082鋁合金鑄棒,熔鑄工藝為：熔煉→攪拌→分析→轉鑄→在線除氣精煉、過濾→半連續鑄造→冷床→鋸切→檢查→去皮→銑面和倒角→合格圓錠。使用Nabertherm空氣循環爐對試樣進行550 ℃固溶保溫2 h,水淬,190 ℃時效保溫5 h,熱處理后制備成金相和拉伸試樣。使用日本島津 AG-X100KN 型電子萬能試驗機進行拉伸試驗,使用AXIO萬能研究級倒置式材料顯微鏡、SSX-550分析掃描電子顯微鏡進行金相組織觀察。

2 試驗結果及分析

2.1 試樣表面粗糙度及尺寸的影響

試驗材料經固溶時效處理后在直徑1/4處取樣[3],加工成不同尺寸的力學性能試樣若干。利用車床車出表面不同深淺度的加工痕,利用粗糙度測量儀的測試結果表征加工試樣的加工痕深淺程度,作為衡量表面質量的參考。對不同尺寸與粗糙度的試樣進力學性能檢測,結果見表1。

隨著試樣平行段粗糙度的增加,φ5 mm試樣的屈服強度和抗拉強度分別降低4%、3.3%,斷后伸長率降低12.9%;而φ10 mm試樣的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率變化不大。這說明直徑越小,缺口應力集中的敏感性越大。隨著塑性變形量的增加,材料通過應變硬化來補充橫截面的減少,如果表面有缺口,塑形變形集中在該區域,不均勻變形導致斷后伸長率降低。試樣橫截面越小,缺口處應力集中的影響越大,對力學性能的影響越顯著。

2.2 斷口形貌

2.2.1宏觀形貌

圖1為斷后伸長率合格與不合格試樣的斷口形貌。由圖1可知,試樣斷口上均未見頸縮痕跡,為脆性斷裂。斷后伸長率合格試樣斷裂從心部開始,且斷口凸凹起伏,說明尚有一定的塑性;而斷后伸長率不合格試樣的斷口較為平整,脆性斷裂特征更為明顯。還可以看出,試樣均從心部開裂。

(a)斷后伸長率合格試樣;(b)斷后伸長率不合格試樣圖1 宏觀斷口形貌(a)sample with qualified elongation after fracture; (b)sample with unqualified elongation after fractureFig.1 Macroscopic fracture morphology

2.2.2微觀形貌

試樣微觀斷口形貌見圖2。由表2可見,塑性高的斷口,韌性斷裂特征明顯,如撕裂嶺面積大、韌窩小而深,說明斷裂吸收的能量多;而塑性低的斷口表現為解理脆性斷裂和少量韌性斷裂,韌窩平且大,無撕裂痕跡,撕裂嶺面積小,說明斷裂時吸收的能量少。從金相組織上分析,塑性低的斷口,缺陷密度較大;塑性高的斷口,缺陷密度小。兩種斷口具體區別如下：

(a,b,c)試樣斷后伸長率為12.3%;(d,e,f)試樣斷后伸長率為2.3%;(g,h,i)氧化膜形貌圖2 微觀斷口形貌(a, b, c) elongation of the sample is 12.3%; (d, e, f)elongation of the sample is 2.3%; (g, h, i) morphology of oxide filmFig.2 Microscopic fracture morphology

表2 基體及典型顆粒EDS分析(質量分數,%)Table 2 EDS analysis of matrix and typical particles(mass fraction,%)

1)第二相或夾雜相密度與尺寸不同。塑性高的斷口,孔洞較深,有明顯擴張趨勢,內部相尺寸小,為拉伸形成的韌窩;塑性低的斷口,韌窩寬而平,無明顯的擴張趨勢,為硬質顆粒從斷面上拉拔下后留下的空洞-韌窩,殘留在孔洞內的顆粒尺寸較大。

2)塑性低的試樣部分存在氧化膜缺陷。塑性低(斷后伸長率2.3%)的試樣斷口在SEM下可見明顯的亮片區域,呈鱗片層狀堆疊,無韌窩及位錯滑移痕跡,且附近存在許多大小不一的疏松,符合氧化膜及氣渣伴生的特征。該缺陷的存在,割裂了基體的連續性,導致材料伸長率降低。

3)疏松密度不同。在部分斷口上可發現大小不一的梯田花樣、沙灘花樣的疏松存在,并伴有硬質顆粒或夾雜(白色圓圈),疏松嚴重時鑄錠的塑性變差。

2.3 金相組織

6082鋁合金鑄棒基體顯微組織呈鑄態均質特征,存在枝晶結構,且網絡斷續分布。分別對基體中存在的典型顆粒進行了定性分析,并對比了不同斷后伸長率試樣中各顆粒的數量和分布。

2.3.1基體及典型顆粒EDS分析

基體中存在的各種典型顆粒,在光學顯微鏡下和掃描電鏡二次電子鏡像中顏色略有差別。在二次電子圖像上取樣,并對顆粒進行了EDS分析,見圖3和表2。

1)基體成分。基體含Mg、Si、Al元素,且各元素含量與實際成分基本相近,說明分析誤差較小。此外,基體中無C、O等元素,說明本次SEM狀態較好,無C、O等系統干擾。因此,若其他顆粒中含C、O,則基本視為該元素在顆粒中真實存在。

2)灰黑色顆粒呈球狀或橢圓狀(光學顯微鏡下呈藍黑色),富含Si及少量O,分析可能為Si的初生相或氧化物。

3)灰色塊狀、骨骼狀或不規則形狀相為AlFeMnCrSi的化合物。

4)白色顆粒(光學顯微鏡下為黑色)大小不等,形狀也略有差異,有的呈塊狀,有的不規則。該白色顆粒均不導電,可判斷該類物質為非金屬。EDS結果顯示,白色物質由Al和O組成,或由Mg和O組成,或為C、O、S、Si等物質組成(形貌上類似硅酸鹽類物質),因此分析白色物質為Al2O3、MgO或硅酸鹽類物質。

2.3.2試樣的組織對比

不同斷后伸長率試樣的金相組織見圖4。由圖4可見,斷后伸長率低(2.3%)的試樣基體中存在數量較多的非金屬夾雜(Al2O3、MgO、鹽類物質),個別尺寸較大。這些大小不一的非金屬類夾雜割裂了基體的連續性,在拉伸變形過程中,夾雜物與基體間易形成微裂紋和不均勻的變形區,在應力作用下導致脆性斷裂,形成平而寬的空洞-韌窩[4]。分析認為,大量該類物質的存在是導致斷后伸長率降低的主要原因。還可以看出,不同斷后伸長率試樣中深藍色球狀顆粒(富Si相)及灰色AlFeMnCrSi相面積分數相差不大。這些夾雜顆粒也會阻礙材料的塑性變形,拉伸時形成應力集中,導致微裂紋形成。因此,顯微缺陷的存在均會加速材料的破斷過程,最終表現為材料拉伸性能的下降[5]。缺陷越多,密度越大,塑性越差,斷后伸長率越低。

(a,b)試樣斷后伸長率為11.4%;(c,d)試樣斷后伸長率為2.3%圖4 不同斷后伸長率試樣的金相組織(a, b)elongation of the sample is 11.4%;(c, d)elongation of the sample is 2.3%Fig.4 Microstructure of sample with different elongation

3 結論

1)表面質量對6082鋁合金鑄棒的力學性能影響比較明顯,隨著表面質量降低,其屈服強度、抗拉強度、伸長率均呈下降趨勢;平行段直徑越小,缺口應力集中的敏感性越大,試樣表面質量對力學性能的影響越大。

2)6082鋁合金鑄棒的宏觀斷口為脆性斷裂。斷后伸長率高的試樣斷口呈凸凹起伏狀,韌窩有一定深度;而斷后伸長率低的試樣斷口平直,韌窩淺而平。

3)斷后伸長率低的試樣存在疏松、非金屬夾雜較多(氧化物或類似硅酸鹽類物質)的現象,個別位置還有氧化膜缺陷;而斷后伸長率高的試樣缺陷密度小。