《MSEA》Al3(Sc,Zr)弥散相对6系铝合金热变形行为的影响

由于6xxx铝合金具有良好的比强度、耐腐蚀性，因此它是汽车行业中最常用的铝合金。然而，由于工业化发展对材料机械性能和外形复杂程度的需求越来越高，需要一系列具有更强加工性能的新型高性能合金。目前高强度6xxx系铝合金中含有大量的镁(Mg)、硅(Si)以及铜(Cu)、锰(Mn)和铬(Cr)。这些元素在提高合金室温强度的同时，也显著提高了变形抗力，从而限制了挤压或热轧等制造工艺允许的工艺参数范围。

近阶段，钪(Sc)能够有效替代传统铝合金强化元素。Sc的能够形成细小的Al₃Sc弥散相，提高合金强度并为其他强化相提供形核质点。此外，当Sc与Zr共存时，能够形成Al₃(Sc,Zr)弥散相，在高温热加工中提供稳定性。在铝合金热变形过程中，合金成分和变形条件决定了组织演变的多种机制。尽管观察到Sc弥散相在挤压和轧制等过程中起到抑制再结晶的作用，但其在高温下对组织演变以及后续的变形行为的影响尚不明确。

澳大利亚迪肯大学的研究人员研究了含Sc和Zr、Mn和Cr的两种铝镁硅合金在不同变形温度和应变速率下的热压缩行为。相关论文以题为“Effect of Al₃(Sc,Zr) dispersoids on the hot deformation behaviour of 6xxx-series alloys: A physically based constitutive model”发表在Materials Science &Engineering A。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139873

本研究设计两种Al-Mg-Si合金，一种为6005A合金（Al-0.47Mg-0.54Si-0.11Fe-0.09Mn-0.05Cr），另一种添加了Sc和Zr取代了合金中的Mn和Cr（Al-0.45Mg-0.57Si-0.11Fe-0.05Sc-0.10Zr）。为了获得较多的弥散相，在热加工前进行了575℃×5h固溶，后300℃×3h和450℃×3h热处理以获得Al₃(Sc,Zr)弥散相，最后进行500℃×0.5h（水淬）。

研究利用双曲方程计算了不同合金在变形条件范围内的热压缩应力-应变数据，得到了合金的热变形激活能和材料常数。与Al-Mg-Si-Mn-Cr合金(177.2 kJ/mol)相比，Al-Mg-Si-Sc-Zr合金的热变形激活能(202.4 kJ/mol)更高。Al-Mg-Si-Sc-Zr合金激活能的增加是由于Al₃(Sc,Zr)弥散相强化作用的增强。建立的本构方程能够较准确地预测合金热加工的流动应力。

图1 (a) Al-Mg-Si-Mn-Cr和(b) Al-Mg-Si-Sc-Zr合金经热处理后的显微组织

图2 Al-Mg-Si-Mn-Cr合金热压缩变形真应力-应变曲线(a) 683K, (b) 718 K, (c) 753 K, (d) 788 K, (e) 823 K

研究发现，平均取向差角随温度的增加和应变速率的减小而增大。随着变形温度的升高，位错的流动性增强，促进其聚结和多角化，从而导致动态回复（DRV）的速率和水平增加。应变速率的降低也是如此，当应变速率降低时，允许亚晶粒结合的时间增长，从而使DRV增加。增加的DRV使更多的位错结合，进而促进亚晶粒旋转，导致观察到的平均取向差角增加。此外，在一定变形条件下，含Sc和Zr合金的平均取向差角和亚晶粒尺寸较Al-Mg-Si-Mn-Cr合金降低，说明Al₃(Sc,Zr)弥散相对位错运动和亚晶粒旋转起到了阻碍作用，进一步阻碍了DRV。

图3 Al-Mg-Si-Sc-Zr合金热压缩变形真应力-应变曲线(a)683 K, (b) 718 K, (c) 753 K, (d) 788 K, (e) 823 K

图4 Al-Mg-Si-Mn-Cr和Al-Mg-Si-Sc-Zr合金在不同变形条件下的取向图。

综上所述，本文研究了Sc、Zr元素在铝合金热变形时的影响机制。通过热压缩试验建立了本构方程，得到了变形激活能和材料常数，探讨了Al₃(Sc,Zr)弥散析出相对流动应力及软化机制的影响。本研究为Sc、Zr元素在铝合金中的应用提供了理论基础。（文：破风）