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摘要：采用光学显微镜、扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）、能谱仪（energy dispersive spectrometer，EDS）、电子万能实验机等测试分析手段，研究了不同微量元素对汽车防撞梁挤压型材组织、强度及弯曲性能的影响。研究结果表明：1#试样中Mn的质量分数为0.50%～0.60%、Fe的质量分数为0.16%，其受拉应力侧再结晶层厚度为110.52 μm，基体中粗大杂质相尺寸最大，亚微米级相最少，弯曲后试样断裂；2#试样中Mn的质量分数为0.40%～0.50%、Fe的质量分数为0.20%，其为再结晶组织，弯曲后型材表面产生严重橘皮后开裂；3#试样中Mn的质量分数为0.60%～0.70%，Fe的质量分数为0.11%，其受拉应力侧无再结晶层，杂质相尺寸最小、亚微米级相最多，弯曲后型材表面光滑，未产生开裂。EDS結果显示，合金基体中的杂质相主要为硬脆的AlFeMnSi和富Si初生相。
关键词：弯曲性能；显微组织；微量元素；析出相；铝合金
中图分类号：TG 14 文献标志码：A
基金项目：辽宁省‘兴辽英才计划’项目资助（XLYC1802054）
Influence of Trace Elements on the Bending Performance of Aluminum Alloy Anti-collision Beam
DONG Liuying， XIE Fangliang， CHEN Li， LIU Zhaowei， MENG Xu， LI Qiumei， LI Pengwei
（Liaoning Zhongwang Group Co.， Ltd.， Liaoyang 111003， China）
Abstract： By means of optical microscope， scanning electron microscope （SEM）， energy dispersive spectrometer （EDS） and electronic universal testing machine， the effects of different trace elements on the microstructure， strength and bending properties of extruded profiles of automobile crash beam were studied. The results show that the mass fraction of Mn in 1# sample is 0.50%-0.60%， the mass fraction of Fe is 0.16%， and the thickness of recrystallization layer on the tensile stress side is 110.52 μm. The size of coarse impurity phase in the matrix is the largest， and the size of submicron phase is the least. The sample will fracture after bending. The mass fraction of Mn in 2# sample is 0.40%-0.50%， the mass fraction of Fe is 0.20%， and it is recrystallized structure. After bending， the surface of the profile cracks after serious orange peel appears. The mass fraction of Mn in 3# sample is 0.60%-0.70%， and the mass fraction of Fe is 0.11%. There is no recrystallization layer on the tensile stress side. The impurity phase size is the smallest， and the submicron phase size is the most. After bending， the surface of the profile is smooth without cracking. The EDS results show that the impurity phases in the alloy matrix are mainly hard and brittle AlFeMnSi and Si-rich primary phases.
Keywords： bending property； microstructure； trace elements； precipitated phase； aluminum alloy
汽车车身轻量化和耐撞性的研究，对于汽车产业的可持续性发展有着重大意义[1]。防撞梁是汽车中用来减轻车辆受到碰撞损伤的一种装置，由主梁、吸能盒、连接汽车的安装板组成。主梁、吸能盒都可以在车辆发生低速碰撞时有效吸收碰撞能量，尽可能减小撞击力对车身纵梁的损害，发挥其对车辆的保护作用。汽车在发生碰撞过程中，防撞梁会产生很大的形状改变，这时车身、发动机甚至乘客都会受到严重的伤害。这就要求防撞梁主梁（以下简称防撞梁）在设计时满足一定的强度、刚度、韧性，还要具有一定的塑性，使汽车在受撞击时具有缓冲能力，对人、车起到很好的保护作用[2-4]。
高的强韧性可在很大程度上提高防撞梁的抗弯曲性能而不易破裂[5-6]。然而，高的强度和塑韧性主要受合金中微量元素的影响，Mn形成的弥散相能阻止位错及晶界的迁移，从而提高再结晶温度、有效阻止再结晶晶粒的形核和长大，使强韧性相应提高[7-8]。少部分Fe有细化晶粒的作用，然而大部分在合金中以杂质的形式存在，这些杂质形成粗大而不溶的相和共晶化合物，在室温下很难溶解，在塑性变形时，在部分颗粒-基体边界上发生空隙，产生微裂纹，成为宏观裂纹源，对合金的塑韧性有非常不利的影响[9]。 本文以三点弯曲后防撞梁是否发生开裂为出发点，研究不同微量元素对其组织及弯曲性能的影响，讨论产生弯曲开裂的原因。
1 实验材料与方法
实验材料为3种含有不同微量元素的6xxx系铝合金防撞梁挤压型材，其成分见表1。使用AGX50KN型电子万能实验机进行三点弯曲性能测试；使用GX51型OLYMPUS金相显微镜观察组织形貌；使用岛津SSX-550型扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）观察合金基体及第二相形貌，能谱仪（energy dispersive spectrometer，EDS）观测其成分。
2 實验结果及分析
2.1 Fe、Mn微量元素对三点弯曲性能的影响
三点弯曲实验时加载速度为60 mm/min，试样要求弯曲至150°。图1为不同Fe、Mn含量的合金型材经过时效处理后再进行三点弯曲实验后的表面宏观形貌。由图1可以看出：1#合金未弯曲至150°即提前断裂；2#合金弯曲后橘皮开裂严重，接近于穿透性裂纹；3#合金弯曲后表面光滑，变形均匀，无开裂现象。
图2为不同Fe、Mn含量的型材用20 mm宽试样弯曲断裂的加载力，其中，3#试样的加载力最大，为2 418 N，与1#的相差不大；2#的最小，为2 286 N。
2.2 Fe、Mn微量元素对显微组织的影响
图3为不同Fe、Mn含量的型材弯曲后的偏光显微组织图。从图3可知，1#、3#只有边部有少量粗大的再结晶组织，1#弯曲试样外侧（受拉应力侧）再结晶层厚度为110.52 μm，3#弯曲试样外侧未发生再结晶，内侧再结晶层厚度仅为43.17 μm，其余部分为随弯曲变形的纤维组织；2 #全截面发生了再结晶，晶粒尺寸大小不一，越靠近边部，再结晶晶粒尺寸越大。
图4为不同Fe、Mn含量的合金金相显微组织图。由图4可以看出，由于元素含量超过其在Al中的极限固溶度，导致3种合金基体上分布大量微米级未回溶的粗大相，且形状不规则。通过对比发现，1#试样基体中微米级未回溶相尺寸最大，约10 μm，分布有聚集现象，基体上亚微米级第二相数量少； 2#试样未回溶相尺寸减小，分布较1#均匀，基体上亚微米级第二相数量增加；3#试样未回溶相尺寸最小，约5 μm，分布较1 #均匀，基体上亚微米级第二相数量最多。
通过SEM分别对3种成分合金型材基体中存在的未回溶粗大相分布状态进行观察，其成分使用EDS进行测定，取点位置及检测结果见图5和表2。由图5和表2可知，基体中均含Mg、Si、Al元素。文献[10-12]显示图5中1#-B、2#-A和3#-B呈块状、长条状或不规则形状灰色微米级未回溶相主要含Mg、Si、Mn、Fe、Al元素，为（FeMnSi）Al6杂质相；1#-A、2#-B和3#-A呈球状或椭圆状、条状的黑色微米级未回溶相，含Mg、Si、Al元素，和基体相比，其Si含量明显偏高，为富Si的初生相；2#-C亚微米级小颗粒，含Mn、Mg、Si、Al元素，为MnAl6相。
2.3 分析讨论
在刘川[13]关于汽车板材弯曲性能的研究中发现，拉应力表层晶粒尺寸越大的材料，在三点弯曲过程中越难获得晶粒间的相容性，其拉应力表层的变形程度越小，则增大弯曲断裂源，裂纹越易于扩展，导致其弯曲性能较差。在Saai等[14]的研究中发现，材料弯曲性差的原因是由于大晶粒和初级颗粒结构的存在。AlMnFeSi、富Si初生相等均为铸态生成的初级颗粒，为硬脆相，在挤压变形过程中破碎成不规则形状，破坏基体连续性，在弯曲过程中，此类硬脆相在弯曲外表面一侧受较大的拉应力，产生严重的应力集中，致使杂质相附近产生微裂纹或小孔，在随后变形过程中微裂纹或小孔聚集长大，最后导致弯曲开裂，甚至提前断裂。
1#合金抑制再结晶元素Mn的含量居中，受拉应力侧有再结晶层，叠加高含量Fe，基体中杂质相尺寸大、数量多。一方面试样承受最大塑性变形能力降低，另一方面加剧弯曲开裂，故弯曲试样提前断裂，抗弯强度低。2#试样的杂质相尺寸有所减少，但抑制再结晶元素Mn含量最少，导致再结晶程度高、强度低、塑性差，因此抗弯强度最低。试样边部再结晶晶粒尺寸大且不均匀，部分异常长大，心部再结晶晶粒较小，导致塑性变形不均匀，弯曲后发生应力集中，表面橘皮严重而开裂。3#合金抑制再结晶元素Mn含量最多，且Fe含量最少，试样受拉应力侧无再结晶层，杂质相尺寸最小、分布均匀性好，基体中亚微米级第二相均匀分布，整体为挤压形变组织，有利于弯曲变形均匀，抗弯强度高，弯曲后表面光滑[15-16]。
3 结 论
（1）Mn的质量分数为0.50%～0.60%、Fe为0.16%的1#合金，受拉应力侧再结晶层厚度为110.52 μm，基体中粗大杂质相尺寸最大、数量多，亚微米级第二相最少；Mn的质量分数为0.40%～0.50%、Fe为0.20%的2#合金，为完全再结晶组织，亚微米级相大小、尺寸居中；Mn的质量分数为0.60%～0.70%、Fe为0.11%的3#合金，其受拉应力侧无再结晶层，粗大杂质相尺寸最小，亚微米级第二相最多； （2）1#试样弯曲后提前断裂；2#试样橘皮严重，接近穿透性断裂；3#试样弯曲后表面光滑，未产生开裂；
（3）3种成分合金的型材基体中杂质相主要为AlFeMnSi、富Si初生相等，均为硬脆相。
参考文献：
[ 1 ]殷俊龙. 基于碰撞性能要求的汽车防撞梁概述[J]. 汽车实用技术， 2020（8）： 98–100.
[ 2 ]黄文舜. 汽车前防撞梁低速碰撞性能分析及优化设计[D]. 广州： 华南理工大学， 2019.
[ 3 ]张振明. 变厚度复合材料汽车防撞梁优化设计研究[D]. 长沙： 湖南大学， 2014.
[ 4 ]王杭燕. 基于性能驱动的纯电动轿车下车体结构拓扑优化与稳健性设计研究[D]. 长沙： 湖南大学， 2019.
[ 5 ]于金凤， 吴敬哲. 6×××系铝合金挤压型材弯曲性能提升工艺研究[J]. 铝加工， 2017（1）： 53–57.
[ 6 ]马青梅， 张悦， 刘兴武， 等. 铝合金型材力学及弯曲性能的影响因素[J]. 热处理技术与装备， 2017， 38（3）： 33–37.
[ 7 ]张国鹏. 热处理工艺对新型6XXX系铝合金组织与性能的影响[D]. 长沙： 中南大学， 2010.
[ 8 ]梁振宇. 合金元素对Al-Mg-Si合金导体材料组织与性能的影响研究[D]. 长沙： 湖南大学， 2013.
[ 9 ]李秋梅， 王春雷， 董刘颖， 等. Si、Mn元素含量对铝合金型材组织及性能影响[J]. 有色金属加工， 2020， 49（5）： 46–48.
[10]李學朝. 铝合金材料组织与金相图谱[M]. 北京： 冶金工业出版社， 2010.
[11]高亮. Mn对新型高强Al-Mg-Si合金组织性能影响[D]. 沈阳： 东北大学， 2011.
[12]QIAN X M， PARSON N， CHEN X G. Effects of Mn addition and related Mn-containing dispersoids on the hot deformation behavior of 6082 aluminum alloys[J]. Materials Science and Engineering：A， 2019， 764： 138253.
[13]刘川. 汽车铝合金覆盖件原始板材组织性能分析与自然时效对其弯曲性能的影响研究[D]. 重庆： 重庆大学， 2015.
[14]SAAI A， WESTERMANN I， DUMOULIN S， et al. Crystal plasticity finite element simulations of pure bending of aluminium alloy AA7108[J]. International Journal of Material Forming， 2016， 9（4）： 457–469.
[15]王光东. Mn对含Mg高硅铝合金显微组织的影响[D].沈阳： 东北大学， 2014.
[16]胡万文. Fe元素及热处理工艺对6082铝合金组织与性能的影响[D]. 哈尔滨： 哈尔滨理工大学， 2019.
关键词：弯曲性能；显微组织；微量元素；析出相；铝合金
中图分类号：TG 14 文献标志码：A
基金项目：辽宁省‘兴辽英才计划’项目资助（XLYC1802054）
Influence of Trace Elements on the Bending Performance of Aluminum Alloy Anti-collision Beam
DONG Liuying， XIE Fangliang， CHEN Li， LIU Zhaowei， MENG Xu， LI Qiumei， LI Pengwei
（Liaoning Zhongwang Group Co.， Ltd.， Liaoyang 111003， China）
Abstract： By means of optical microscope， scanning electron microscope （SEM）， energy dispersive spectrometer （EDS） and electronic universal testing machine， the effects of different trace elements on the microstructure， strength and bending properties of extruded profiles of automobile crash beam were studied. The results show that the mass fraction of Mn in 1# sample is 0.50%-0.60%， the mass fraction of Fe is 0.16%， and the thickness of recrystallization layer on the tensile stress side is 110.52 μm. The size of coarse impurity phase in the matrix is the largest， and the size of submicron phase is the least. The sample will fracture after bending. The mass fraction of Mn in 2# sample is 0.40%-0.50%， the mass fraction of Fe is 0.20%， and it is recrystallized structure. After bending， the surface of the profile cracks after serious orange peel appears. The mass fraction of Mn in 3# sample is 0.60%-0.70%， and the mass fraction of Fe is 0.11%. There is no recrystallization layer on the tensile stress side. The impurity phase size is the smallest， and the submicron phase size is the most. After bending， the surface of the profile is smooth without cracking. The EDS results show that the impurity phases in the alloy matrix are mainly hard and brittle AlFeMnSi and Si-rich primary phases.
Keywords： bending property； microstructure； trace elements； precipitated phase； aluminum alloy
汽车车身轻量化和耐撞性的研究，对于汽车产业的可持续性发展有着重大意义[1]。防撞梁是汽车中用来减轻车辆受到碰撞损伤的一种装置，由主梁、吸能盒、连接汽车的安装板组成。主梁、吸能盒都可以在车辆发生低速碰撞时有效吸收碰撞能量，尽可能减小撞击力对车身纵梁的损害，发挥其对车辆的保护作用。汽车在发生碰撞过程中，防撞梁会产生很大的形状改变，这时车身、发动机甚至乘客都会受到严重的伤害。这就要求防撞梁主梁（以下简称防撞梁）在设计时满足一定的强度、刚度、韧性，还要具有一定的塑性，使汽车在受撞击时具有缓冲能力，对人、车起到很好的保护作用[2-4]。
高的强韧性可在很大程度上提高防撞梁的抗弯曲性能而不易破裂[5-6]。然而，高的强度和塑韧性主要受合金中微量元素的影响，Mn形成的弥散相能阻止位错及晶界的迁移，从而提高再结晶温度、有效阻止再结晶晶粒的形核和长大，使强韧性相应提高[7-8]。少部分Fe有细化晶粒的作用，然而大部分在合金中以杂质的形式存在，这些杂质形成粗大而不溶的相和共晶化合物，在室温下很难溶解，在塑性变形时，在部分颗粒-基体边界上发生空隙，产生微裂纹，成为宏观裂纹源，对合金的塑韧性有非常不利的影响[9]。 本文以三点弯曲后防撞梁是否发生开裂为出发点，研究不同微量元素对其组织及弯曲性能的影响，讨论产生弯曲开裂的原因。
1 实验材料与方法
实验材料为3种含有不同微量元素的6xxx系铝合金防撞梁挤压型材，其成分见表1。使用AGX50KN型电子万能实验机进行三点弯曲性能测试；使用GX51型OLYMPUS金相显微镜观察组织形貌；使用岛津SSX-550型扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）观察合金基体及第二相形貌，能谱仪（energy dispersive spectrometer，EDS）观测其成分。
2 實验结果及分析
2.1 Fe、Mn微量元素对三点弯曲性能的影响
三点弯曲实验时加载速度为60 mm/min，试样要求弯曲至150°。图1为不同Fe、Mn含量的合金型材经过时效处理后再进行三点弯曲实验后的表面宏观形貌。由图1可以看出：1#合金未弯曲至150°即提前断裂；2#合金弯曲后橘皮开裂严重，接近于穿透性裂纹；3#合金弯曲后表面光滑，变形均匀，无开裂现象。
图2为不同Fe、Mn含量的型材用20 mm宽试样弯曲断裂的加载力，其中，3#试样的加载力最大，为2 418 N，与1#的相差不大；2#的最小，为2 286 N。
2.2 Fe、Mn微量元素对显微组织的影响
图3为不同Fe、Mn含量的型材弯曲后的偏光显微组织图。从图3可知，1#、3#只有边部有少量粗大的再结晶组织，1#弯曲试样外侧（受拉应力侧）再结晶层厚度为110.52 μm，3#弯曲试样外侧未发生再结晶，内侧再结晶层厚度仅为43.17 μm，其余部分为随弯曲变形的纤维组织；2 #全截面发生了再结晶，晶粒尺寸大小不一，越靠近边部，再结晶晶粒尺寸越大。
图4为不同Fe、Mn含量的合金金相显微组织图。由图4可以看出，由于元素含量超过其在Al中的极限固溶度，导致3种合金基体上分布大量微米级未回溶的粗大相，且形状不规则。通过对比发现，1#试样基体中微米级未回溶相尺寸最大，约10 μm，分布有聚集现象，基体上亚微米级第二相数量少； 2#试样未回溶相尺寸减小，分布较1#均匀，基体上亚微米级第二相数量增加；3#试样未回溶相尺寸最小，约5 μm，分布较1 #均匀，基体上亚微米级第二相数量最多。
通过SEM分别对3种成分合金型材基体中存在的未回溶粗大相分布状态进行观察，其成分使用EDS进行测定，取点位置及检测结果见图5和表2。由图5和表2可知，基体中均含Mg、Si、Al元素。文献[10-12]显示图5中1#-B、2#-A和3#-B呈块状、长条状或不规则形状灰色微米级未回溶相主要含Mg、Si、Mn、Fe、Al元素，为（FeMnSi）Al6杂质相；1#-A、2#-B和3#-A呈球状或椭圆状、条状的黑色微米级未回溶相，含Mg、Si、Al元素，和基体相比，其Si含量明显偏高，为富Si的初生相；2#-C亚微米级小颗粒，含Mn、Mg、Si、Al元素，为MnAl6相。
2.3 分析讨论
在刘川[13]关于汽车板材弯曲性能的研究中发现，拉应力表层晶粒尺寸越大的材料，在三点弯曲过程中越难获得晶粒间的相容性，其拉应力表层的变形程度越小，则增大弯曲断裂源，裂纹越易于扩展，导致其弯曲性能较差。在Saai等[14]的研究中发现，材料弯曲性差的原因是由于大晶粒和初级颗粒结构的存在。AlMnFeSi、富Si初生相等均为铸态生成的初级颗粒，为硬脆相，在挤压变形过程中破碎成不规则形状，破坏基体连续性，在弯曲过程中，此类硬脆相在弯曲外表面一侧受较大的拉应力，产生严重的应力集中，致使杂质相附近产生微裂纹或小孔，在随后变形过程中微裂纹或小孔聚集长大，最后导致弯曲开裂，甚至提前断裂。
1#合金抑制再结晶元素Mn的含量居中，受拉应力侧有再结晶层，叠加高含量Fe，基体中杂质相尺寸大、数量多。一方面试样承受最大塑性变形能力降低，另一方面加剧弯曲开裂，故弯曲试样提前断裂，抗弯强度低。2#试样的杂质相尺寸有所减少，但抑制再结晶元素Mn含量最少，导致再结晶程度高、强度低、塑性差，因此抗弯强度最低。试样边部再结晶晶粒尺寸大且不均匀，部分异常长大，心部再结晶晶粒较小，导致塑性变形不均匀，弯曲后发生应力集中，表面橘皮严重而开裂。3#合金抑制再结晶元素Mn含量最多，且Fe含量最少，试样受拉应力侧无再结晶层，杂质相尺寸最小、分布均匀性好，基体中亚微米级第二相均匀分布，整体为挤压形变组织，有利于弯曲变形均匀，抗弯强度高，弯曲后表面光滑[15-16]。
3 结 论
（1）Mn的质量分数为0.50%～0.60%、Fe为0.16%的1#合金，受拉应力侧再结晶层厚度为110.52 μm，基体中粗大杂质相尺寸最大、数量多，亚微米级第二相最少；Mn的质量分数为0.40%～0.50%、Fe为0.20%的2#合金，为完全再结晶组织，亚微米级相大小、尺寸居中；Mn的质量分数为0.60%～0.70%、Fe为0.11%的3#合金，其受拉应力侧无再结晶层，粗大杂质相尺寸最小，亚微米级第二相最多； （2）1#试样弯曲后提前断裂；2#试样橘皮严重，接近穿透性断裂；3#试样弯曲后表面光滑，未产生开裂；
（3）3种成分合金的型材基体中杂质相主要为AlFeMnSi、富Si初生相等，均为硬脆相。
参考文献：
[ 1 ]殷俊龙. 基于碰撞性能要求的汽车防撞梁概述[J]. 汽车实用技术， 2020（8）： 98–100.
[ 2 ]黄文舜. 汽车前防撞梁低速碰撞性能分析及优化设计[D]. 广州： 华南理工大学， 2019.
[ 3 ]张振明. 变厚度复合材料汽车防撞梁优化设计研究[D]. 长沙： 湖南大学， 2014.
[ 4 ]王杭燕. 基于性能驱动的纯电动轿车下车体结构拓扑优化与稳健性设计研究[D]. 长沙： 湖南大学， 2019.
[ 5 ]于金凤， 吴敬哲. 6×××系铝合金挤压型材弯曲性能提升工艺研究[J]. 铝加工， 2017（1）： 53–57.
[ 6 ]马青梅， 张悦， 刘兴武， 等. 铝合金型材力学及弯曲性能的影响因素[J]. 热处理技术与装备， 2017， 38（3）： 33–37.
[ 7 ]张国鹏. 热处理工艺对新型6XXX系铝合金组织与性能的影响[D]. 长沙： 中南大学， 2010.
[ 8 ]梁振宇. 合金元素对Al-Mg-Si合金导体材料组织与性能的影响研究[D]. 长沙： 湖南大学， 2013.
[ 9 ]李秋梅， 王春雷， 董刘颖， 等. Si、Mn元素含量对铝合金型材组织及性能影响[J]. 有色金属加工， 2020， 49（5）： 46–48.
[10]李學朝. 铝合金材料组织与金相图谱[M]. 北京： 冶金工业出版社， 2010.
[11]高亮. Mn对新型高强Al-Mg-Si合金组织性能影响[D]. 沈阳： 东北大学， 2011.
[12]QIAN X M， PARSON N， CHEN X G. Effects of Mn addition and related Mn-containing dispersoids on the hot deformation behavior of 6082 aluminum alloys[J]. Materials Science and Engineering：A， 2019， 764： 138253.
[13]刘川. 汽车铝合金覆盖件原始板材组织性能分析与自然时效对其弯曲性能的影响研究[D]. 重庆： 重庆大学， 2015.
[14]SAAI A， WESTERMANN I， DUMOULIN S， et al. Crystal plasticity finite element simulations of pure bending of aluminium alloy AA7108[J]. International Journal of Material Forming， 2016， 9（4）： 457–469.
[15]王光东. Mn对含Mg高硅铝合金显微组织的影响[D].沈阳： 东北大学， 2014.
[16]胡万文. Fe元素及热处理工艺对6082铝合金组织与性能的影响[D]. 哈尔滨： 哈尔滨理工大学， 2019.