高压扭转Al-Mg-Si-(Cu)合金的析出特性、微观结构与力学性能

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随着世界节能与环保发展趋势,Al-Mg-Si-(Cu)合金(6xxx系)以其中等强度、轻质、良好的耐腐蚀性、成型能力、可焊性、表面质量与可回收被广泛运用于航空航天、车辆、建筑等领域。传统强化方法利用时效处理,在塑性基体中形成大量硬质纳米亚稳析出相阻碍位错运动,可有效提高该系材料强度。随着应用领域与规模扩大,如何进一步改善材料性能,充分挖掘该系合金潜力成为各国研究重点。近年来,利用高压扭转(High Pressure Torsion,HPT)工艺在极高载荷下对材料施加扭转变形以细化晶粒,获取优异力学性能受到研究人员广泛关注。大量实验表明,高压扭转法能制备出晶粒尺寸小于100 nm的纳米晶结构材料,获得高于未变形材料200%300%的强度提升,但塑韧性低已成为制约HPT发展的重要障碍。能否寻找出合适的工艺结合HPT变形获得高强高韧材料,将是其未来工程应用的关键。在铝合金的许多强韧化机制中,时效析出相强化是其中最为有效的途径之一。因此,通过变形前引入高密度纳米尺度析出相并随之进行高压扭转变形,研究不同工艺条件下Al-Mg-Si-(Cu)合金的析出规律和强韧性对获得高强高韧6xxx系铝合金具有重要意义。本研究以商用热挤压Al-Mg-Si-(Cu)合金为基础合金,试样预处理后直接进行不同圈数高压扭转变形,采用硬度测试、拉伸测试、差式扫描量热法(DSC)、X射线衍射(XRD)与透射电子显微镜(TEM),系统的研究了室温高压扭转对Al-Mg-Si-(Cu)合金的析出行为、微观结构与力学性能影响,主要结论包括:(1)DSC热分析结果表明,原始挤压态Al-Mg-Si-(Cu)合金热挤压之前为峰时效状态,主要析出相为β″相。6013铝合金因Cu含量更高(0.6 wt.%1.1 wt.%),析出相放热峰相比6061铝合金向低温区偏移5°C26°C,析出相激活能降低2%33%,析出动力学加速。经高压扭转变形后,剧烈剪切应变促使Al-Mg-Si-(Cu)合金中产生亚稳相β″回溶与平衡相β再析出现象。(2)XRD实验结果显示,Al-Mg-Si-(Cu)合金经热挤压变形后在(111)方向生长有利且有序。高压扭转变形后,合金(111)择优取向减弱,(200)取向增强。衍射峰出现宽化,同时出现向大、小角度偏移,合金内存在晶格畸变与残余应力。HPT后合金晶粒急剧细化,位错密度大幅增加,不同圈数变形后平均晶粒尺寸与位错密度分别达到46 nm96 nm与1.46×10144 m-23.85×10144 m-2。(3)TEM分析可以看出,原始挤压态Al-Mg-Si-(Cu)合金处峰时效状态,晶粒出现不同程度破碎,晶界平直,晶内弥散分布着针状β″相、板条状L相、Q′相以及少量的Si,位错较少。6013与6061铝合金晶内析出相平均长度分别为15.3±3.1nm与7.8±1.4 nm。经5圈高压扭转变形后,6013铝合金的晶粒尺寸达超细晶尺度,平均晶粒尺寸为124 nm。晶粒内部出现高密度位错、大量弥散分布的第二相微粒及位错胞,晶界处可见再析出的平衡相。(4)硬度测量结果表明:高压扭转变形后,Al-Mg-Si-(Cu)合金硬度显著提高。随着扭转圈数的增加,硬度逐渐增大并在高扭转圈数时趋于饱和。6013与6061铝合金分别在高压扭转5圈与1圈时硬度达到饱和硬度值204 HV与175 HV,分别比原始挤压态的硬度值110 HV与107 HV提高了85%与64%。径向硬度分布表明,6013与6061铝合金硬度在等效应变εeq≥5处趋于均匀,中心与边缘硬度值相差19%37%,通过高压扭转制备的Al-Mg-Si-(Cu)合金微观组织无法达到完全均匀。(5)拉伸测试实验发现,Al-Mg-Si-(Cu)合金力学性能随扭转圈数的增加而逐步提高。经过5圈与10圈变形后,6013与6061铝合金抗拉强度分别由363 MPa、298 MPa提高至550 MPa592 MPa、528 MPa620 MPa;屈服强度分别由260MPa、234 MPa提高至519 MPa538 MPa、477 MPa555 MPa,且保持了良好的均匀延伸率(10%13%)。其中,6061铝合金室温高压扭转5圈后综合性能最佳,其抗拉强度、屈服强度、均匀延伸率、断裂延伸率分别达到620 MPa、555 MPa、13%与27%。(6)HPT Al-Mg-Si-(Cu)合金高强、硬度与良好塑韧性是多种强韧化机制共同作用的结果。通过在材料内部引入时效析出相,并对合金施加高压扭转剧烈剪切变形,获得具有弥散分布纳米尺度析出相+高密度位错+超细晶的复合组织。晶内晶界处高密度析出相的钉扎作用增加了变形抗力,同时增加了位错储存能力,合金兼具高强度与高塑韧性。
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