淬火方法对Al-Mg-Si-Cu型材显微组织和疲劳性能的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of quenching methods on the microstructure and fatigue properties of Al-Mg-Si-Cu profiles

　　

本研究探讨了在线淬火方法对Al-Mg-Si-Cu型材显微组织演变和疲劳裂纹扩展的影响。结果表明，由于在线空气淬火时冷却速率相对较慢，型材内容易形成粗大的Mg₂Si相和粗大的晶界析出物。在循环加载过程中，这些相可能促进裂纹萌生位置处的微裂纹萌生。有趣的是，在线空气淬火型材比在线水淬火型材表现出更高的疲劳强度因子。这是因为Al-Mg-Si-Cu型材中存在细晶粒（约5.8 μm）增加了疲劳裂纹扩展路径。同时，型材内的亚结构比例超过60%，有效抑制了裂纹扩展。这些显微组织特征共同减轻了粗大二次相对疲劳强度的不利影响。此外，尽管在线淬火方法不同，但Al-Mg-Si-Cu型材的疲劳裂纹扩展行为表现出一致的模式——具体而言，是一种混合断裂模式，包括穿晶和沿晶特征。在再结晶程度高的区域，沿晶断裂占主导。相反，在存在大量亚结构且Schmid因子相对均匀的区域，裂纹在晶粒内发生穿晶扩展。

随着电动汽车和混合动力汽车需求的增长，轻量化技术日益重要。6xxx系铝合金因其高强度、易加工成形及节能可回收性，在汽车工业中广泛应用。在实际工况下，铝合金部件需承受振动和冲击产生的循环应力，因此提升6xxx铝合金的疲劳性能至关重要。前人研究表明，晶粒结构（包括晶粒尺寸、晶界取向、亚结构、再结晶和织构）对疲劳行为有显著影响：细晶铝合金通常能提高高周疲劳（HCF）性能并降低疲劳裂纹扩展速率（FCP），这归因于晶界对裂纹扩展和位错滑移的阻碍作用；亚晶界在循环加载中也能有效抑制裂纹萌生和扩展。此外，Mn和Cr元素可有效调节合金晶粒结构，例如添加0.5 wt.% Mn的Al-Mg-Si合金具有最佳抗再结晶能力，而Mn和Cr的复合添加可生成更高数量密度的α-Al(MnCrFe)Si弥散相，更均匀细小。研究团队前期工作发现，Mn/Cr比为3.5时有利于合金中析出细小α-Al(MnCrFe)Si弥散相，从而获得更细晶粒和更多亚结构及小角度晶界。当前，Al-Mg-Si-Cu型材越来越多用于汽车关键承载部件。在线淬火过程是型材生产的关键环节，不同淬火方法会影响时效过程中强化相析出行为、金属间化合物分布及无析出带（PFZ）宽度等显微组织演变，进而影响型材的疲劳性能。然而，关于在线淬火方法对Al-Mg-Si-Cu合金疲劳性能影响的数据有限，尤其是淬火方法引起的显微组织变化与大量细亚结构共存条件下疲劳裂纹的形成和扩展行为尚不清楚。为此，本研究以Al-Mg-Si-Cu型材为对象，设定Mn/Cr比为3.5，采用在线水淬火（OWQ）和在线空气淬火（OAQ）两种方法，旨在探究在线淬火方法对疲劳性能的影响，并阐明不同淬火条件下显微组织影响疲劳裂纹萌生位置和扩展行为的机理。与以往研究相比，本工作的新颖之处在于建立了含Mn/Cr弥散相控制的亚结构稳定性、淬火敏感性引起的晶界析出和PFZ差异，与疲劳裂纹扩展路径之间的关联。因此，本研究可为优化Al-Mg-Si-Cu汽车安全结构型材的在线淬火工艺提供实验证据和机理理解。论文发表在《Journal of Materials Research and Technology》。

研究人员开展的主要研究包括：制备Al-Mg-Si-Cu合金型材（由山东魏桥创业集团提供，挤压比35，方形截面45×45×2.5 mm），分别进行在线空气淬火（OAQ，冷却速率631±15°C/min）和在线水淬火（OWQ，冷却速率408±15°C/min），随后在180°C进行6小时人工时效。通过拉伸测试（Shimadzu AGX-V电子万能试验机，GB/T228.1-2010标准，标距20 mm，拉伸速率2 mm/min）和高周疲劳测试（Instron8801疲劳试验机，应力比R=-1，频率110 Hz，正弦波，终止条件为断裂或10⁷次循环）获得力学性能。采用SEM（JEOL JSM-IT800）及EDS、EBSD（加速电压20 kV，步长0.3 μm，Channel 5软件后处理）和TEM（FEI Talos F200X，加速电压200 kV，结合CBED测厚）对显微组织、断口和裂纹扩展路径进行表征，利用ImageJ软件定量分析弥散相和析出相。

研究结果如下：

3.1 显微组织
通过SEM和EDS分析发现，两种型材中均存在两种微米级第二相：白色块状或球状的α-Al(FeMnCr)Si相，以及灰色球状或椭球状的Mg₂Si相。OAQ型材中Mg₂Si相数量密度更高（约1.11×10^-3 μm^-2，OWQ为2.67×10^-4 μm^-2），这是由于慢冷速率促进其形成。TEM观察显示，两种型材中α-Al(Fe,Mn,Cr)Si弥散相周围存在大量位错，表明其阻碍位错运动；针状β^"析出相高密度分布在晶内，OWQ型材中β^"析出相数量密度更高（5662.65 μm^-3 vs 4847.06 μm^-3）；晶界析出物在OWQ型材中细小不连续，OAQ型材中粗大连续，且OAQ型材无析出带（PFZ）宽度更大（约155 nm vs 103 nm）。EBSD分析显示两种型材均呈扁平纤维状晶粒，沿挤压方向排列，具有大量低角度晶界（LAGBs>42%），亚结构占比均超过60%（OWQ 62.16%，OAQ 61.67%），晶粒尺寸约5 μm，远小于传统6061合金。

3.2 力学性能
拉伸测试结果表明，OWQ型材屈服强度380 MPa，抗拉强度410 MPa，延伸率10.5%；OAQ型材屈服强度301 MPa，抗拉强度353 MPa，延伸率11.2%。OWQ型材强度更高，OAQ型材塑性略好。

3.3 疲劳性能
采用升降法估计疲劳极限，并使用Basquin方程拟合S-N曲线。OWQ型材拟合方程为σ_a=275.48×2(N_f)^-0.04535，疲劳强度约129 MPa；OAQ型材拟合方程为σ_b=360.60×2(N_f)^-0.06704，疲劳强度约117 MPa。两者均高于AA6061的约100 MPa。

3.4 断口分析
SEM观察疲劳断口，分为裂纹萌生区、稳定扩展区和瞬断区。裂纹萌生区观察到气孔和氧化物夹杂，以及第二相脱落。稳定扩展区存在疲劳辉纹，其宽度随应力水平增加而增大；相同应力下，OWQ型材疲劳辉纹宽度小于OAQ型材。通过Paris定律分析，OAQ型材表观Paris指数更高（1.6 vs 1.3），表明局部裂纹扩展速率更快。

3.5 疲劳裂纹扩展
SEM和EBSD分析显示，裂纹呈曲折扩展并伴有分支，裂纹萌生处存在Mg₂Si和α-Al(FeMnCr)Si第二相。EBSD分析表明，裂纹扩展行为与Schmid因子密切相关：相邻晶粒Schmid因子差异大时，裂纹沿晶界扩展；差异小时，裂纹沿高Schmid因子方向穿晶扩展，呈现混合断裂模式。

讨论部分总结：研究人员指出，疲劳裂纹通常萌生于表面缺陷及第二相附近，微裂纹扩展合并形成主裂纹。晶界特性、再结晶程度和Schmid因子分布显著影响裂纹扩展路径。与AA6061对比，Al-Mg-Si-Cu型材由于细晶（约5.8 μm）和高亚结构比例（>60%），裂纹扩展呈现混合模式，而AA6061主要为沿晶扩展。尽管OAQ型材含有更多粗大Mg₂相和粗大晶界析出物，但其疲劳强度因子（疲劳强度/抗拉强度）高于OWQ型材（0.331 vs 0.315），表明细晶和亚结构有效抑制了裂纹扩展，部分抵消了粗大二次相的不利影响。

研究结论翻译如下：
（1）采用Basquin方程拟合了应力比R=-1下Al-Mg-Si-Cu型材的S-N曲线。在线水淬火型材的方程为σ_a=275.48×2(N_f)^-0.04535。在线空气淬火型材的方程为σ_b=360.60×2(N_f)^-0.06704。根据这些方程估算的疲劳强度分别为129 MPa和117 MPa。
（2）Al-Mg-Si-Cu型材的疲劳裂纹扩展行为主要受晶粒再结晶和Schmid因子影响。这些型材的裂纹扩展表现为混合断裂模式，兼具穿晶和沿晶特征。在再结晶程度较高的区域，沿晶断裂占主导。相反，型材中存在大量亚结构特征，且这些区域的Schmid因子相对均匀，导致裂纹在晶粒内发生穿晶扩展。
（3）在线空气淬火型材比在线水淬火型材具有更高的疲劳强度因子。这归因于细晶粒和高比例亚结构的存在，它们减轻了粗大Mg₂Si相和粗大晶界析出物对疲劳强度的不利影响。