一种新型含铜过剩硅6xxx铝合金在等温热压缩下的变形与再结晶行为

《Journal of Materials Research and Technology》：Deformation and recrystallization behaviors under isothermal hot compression of a novel Cu-bearing excess-Si 6xxx aluminum alloy

　　

研究人员在400-520 °C的温度和0.001-10 s^-1的应变速率下，通过等温热压缩试验系统地研究了含铜过剩硅6xxx铝合金的高温变形行为及可加工性。为了消除由界面摩擦和变形引起的绝热升温所产生的实验误差，研究人员使用摩擦和温度修正模型对原始真实应力-应变数据进行了修正。随后，建立了一个应变补偿的Arrhenius型本构模型，以预测流变应力随变形条件变化的函数关系。结合加工图和电子背散射衍射（EBSD）表征，研究人员进一步分析了变形不稳定性、动态软化机制以及微观组织演变。结果表明，所建立的本构模型表现出优异的预测能力，相关系数（R）为0.996，平均绝对相对误差（AARE）为2.50%。表观变形激活能被确定为187.144 kJ/mol。微观组织观察显示，动态回复（DRV）是主要的软化机制，并伴随有限的动态再结晶（DRX）。流变失稳区主要集中在高应变速率下，并随应变增加而扩大，而最佳加工窗口被确定在470-520 °C和0.01-0.1 s^-1的范围内。本研究为优化该含铜过剩硅6xxx铝合金的热加工工艺提供了理论基础和实验指导。

Al-Mg-Si（6xxx系）铝合金因其良好的成形性、适中的比强度和耐腐蚀性被广泛应用于汽车、轨道交通和结构件等领域。其中，6082铝合金是制造挤压型材和锻件的标准选择，其时效硬化响应主要归因于亚稳态的Mg2Si析出相。为促进额外的沉淀硬化，工业上常采用“过剩硅”设计，即让硅含量超过形成Mg2Si的化学计量比。然而，传统的6082铝合金为保持耐腐蚀性和可焊性，其铜含量被限制在较低水平，这限制了其在严苛承载应用中的强度上限。近年来，研究人员尝试向Al-Mg-Si合金中引入铜，使其向四元Al-Mg-Si-Cu体系发展。铜能够促进热稳定析出相（如Q相Al4Cu2Mg8Si7及其前驱体）的形成，提供比Mg2Si更强的时效硬化响应。然而，现有的标准化6xxx合金均对铜含量设有严格上限。因此，兼具高硅和中等铜含量的合金超出了既有工业规范。此类新型合金在热变形过程中的流变行为、动态再结晶机制以及第二相对再结晶行为的具体影响等关键问题仍不清楚。针对上述问题，研究人员对一种非标准6xxx铝合金的热变形行为开展了系统研究。研究表征了该合金在400-520 °C和0.001-10 s-1条件下的等温热压缩流变应力行为，建立了应变补偿的Arrhenius本构模型并构建了加工图以识别最佳热加工窗口，同时定量表征了微观组织演变。研究得出该合金的表观变形激活能为187.144 kJ/mol，动态回复是其主要软化机制并伴随有限的动态再结晶，最佳加工窗口为470-520 °C和0.01-0.1 s-1。该研究为理解含铜过剩硅6xxx铝合金的热变形特性提供了理论基础，对优化热加工路线以获得理想的微观组织和力学性能具有重要意义。该研究成果发表在《Journal of Materials Research and Technology》上。

为开展本研究，研究人员采用直接激冷半连续铸造方法制备了合金铸锭，并通过电感耦合等离子体发射光谱仪测定了化学成分。铸锭经均匀化处理后，从半半径位置取样以代表微观组织特征，并加工成圆柱形试样。随后，在Gleeble-3800热机械模拟器上进行等温恒应变速率热压缩试验，变形温度设为400°C至520°C，应变速率为0.001至10 s^-1。试样加热至预设温度并保温后进行轴向压缩，变形后立即水淬以保留高温微观组织。利用配备电子背散射衍射探测器的场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、扫描电子显微镜及能谱仪和透射电子显微镜对变形前后的微观组织、晶粒结构、第二相分布及位错特征进行了表征。

3.1. 应力-应变曲线
通过等温热压缩试验获得了不同条件下的应力-应变曲线。结果表明，该合金的流变应力对变形温度、应变速率和应变具有显著的敏感性。在给定温度下，流变应力随应变速率增加而显著增加，因为高应变速率缩短了单位应变的变形时间，加速了位错增殖和积累，从而增强了加工硬化，同时抑制了动态软化过程。在给定应变速率下，流变应力和峰值应力随温度升高而显著下降，因为高温增强了热激活效应，促进了位错滑移、攀移和晶界迁移，从而降低了材料的整体变形抗力。压缩过程可分为加工硬化主导的初始阶段和加工硬化与动态软化竞争的第二阶段。此外，稳态Mg₂Si析出相的粗化与溶解以及热稳定Q相的强化效应共同影响了流变应力演变，这也是该合金激活能高于常规6xxx合金的原因。

3.2. 摩擦和温度修正的真实应力-应变曲线
热压缩过程中界面摩擦和非均匀变形导致应力分布偏离均匀状态，而塑性变形产生的热量导致实际温度偏离预设值，引起系统偏差。研究人员采用摩擦修正模型和温度修正模型对原始数据进行了修正。结果表明，摩擦修正后的流变应力始终低于测量值，且随应变增加，两者的差异增大。温度修正方面，由于热模拟系统的响应滞后，高应变速率下修正效果显著，而低应变速率下偏差较小。经双重修正后，流变曲线更能准确反映材料的内在行为。

3.3. 应变补偿的Arrhenius本构模型
研究人员利用修正后的数据建立了Arrhenius型本构模型。通过线性拟合确定了材料常数，计算出变形激活能为187.144 kJ/mol，高于纯铝的自扩散激活能，表明热压缩过程中可能发生动态再结晶。由于传统Arrhenius模型忽略了应变的影响，研究人员采用了应变补偿方法，将材料常数表示为应变的5次多项式函数，建立了修正模型。验证结果表明，该模型预测的流变应力与实验数据吻合良好，相关系数为0.996，平均绝对相对误差为2.50%，能够准确描述流变应力对变形温度、应变速率和应变的依赖关系。

3.4. 加工图
研究人员将功率耗散图与流变失稳图重叠构建了加工图。在给定应变下，功率耗散效率随温度升高和应变速率降低而增加，促进了动态回复和再结晶。随着应变积累，失稳域扩大。流变失稳区主要集中在高应变速率区域，此区域功率耗散效率低，不足以驱动回复或再结晶，易产生剪切带和局部流变。结合接近工业成形应变的加工图，确定了最佳加工窗口为470-520 °C和0.01-0.1 s^-1，在此区域内变形稳定且均匀。

3.5. 变形微观组织表征
3.5.1. 晶粒特征
通过EBSD对变形组织进行表征。在低应变速率下，在高角晶界处观察到了无亚结构的细晶，表明动态再结晶形核开始；而在高应变速率下，组织高度不均匀，出现了局部流变和绝热剪切带，印证了加工图预测的失稳。低角度晶界分数分析表明，高应变速率下该分数高，表明发生了广泛的亚晶形成；低应变速率下该分数降低，表明其向高角晶界转化与动态再结晶形核和晶界迁移有关。晶粒尺寸统计表明，高温和高应变速率均会促进晶粒长大，但机制不同。

3.5.2. 局部应变分布特征
核平均取向差反映了晶内位错密度和局部取向畸变。KAM随应变速率增加而增加，随温度升高而降低。高应变速率下易发生应变集中，高温度则增强回复和再结晶以控制微观组织，这些与加工图结果一致。

3.5.3. 再结晶微观组织
基于晶粒取向差分布，组织被分为再结晶、亚结构和变形晶粒。在低Z参数值条件下，再结晶分数最高，表明动态再结晶被促进；在高Z参数值条件下，动态再结晶被抑制。Q相颗粒的Zener钉扎效应抑制了不连续动态再结晶，而Mg₂Si析出相的高温粗化降低了其钉扎效率。总体表明动态回复占据主导地位，而动态再结晶起竞争作用。

3.5.4. 位错特征
通过TEM观察了不同条件下的位错运动和晶界迁移。在低Z参数值下，高温和低应变速率促进了位错的滑移、攀移和湮灭，位错重排成亚晶界并通过亚晶旋转/合并演化成高角晶界，形成连续动态再结晶。在高Z参数值下，位错积累超过重排，形成密集缠结，驱动晶界向低能侧凸起，引发不连续动态再结晶。第二相颗粒对位错和晶界具有钉扎作用。

总结讨论部分与结论：
在讨论部分，研究人员结合加工图和微观组织演变深入分析了变形参数与软化机制之间的内在联系，明确了动态回复主导、伴随有限动态再结晶的软化机制，并验证了Q相颗粒的Zener钉扎效应对不连续动态再结晶的抑制作用。在研究结论部分，研究人员总结道：该合金的流变应力随应变速率增加而增加，随温度升高而降低，表明这是一种对应变速率敏感且受热激活机制控制的合金。摩擦效应会导致测量应力高估，而高应变速率下温度升高效应显著，经修正后的流变曲线更能反映材料本征行为。建立的应变补偿Arrhenius模型准确描述了流变应力与温度、应变速率和应变的关系，预测值与实验值高度匹配，激活能约为187.144 kJ/mol，表明该合金具有良好的热加工性。加工图和微观组织分析表明，动态回复为主要软化机制并伴随动态再结晶，失稳区主要位于高应变速率下并随应变扩大，最佳热加工窗口为470-520 °C和0.01-0.1 s^-1。