预变形 Al-Mg-Si(-Cu) 合金中不同锌含量下力学性能与微观结构的关联

《Materials Science and Engineering: A》：Linking mechanical properties to microstructure in pre-deformed Al-Mg-Si(-Cu) alloys with variable Zn content

　　

# 摘要

时效硬化前的预变形是提高挤压6xxx系列铝型材强度的有效方法。我们系统地研究了0%–35%预变形结合人工时效对铝6061合金力学性能、析出相特性和相演化的影响，同时对比了添加和不添加0.1 wt% Zn的情况。在不变形和预变形两种条件下，添加Zn均可提高强度且不降低延伸率。对于给定的人工时效时间和温度，强度随变形量增加而提高，直至15%应变后趋于平台。在更高应变下，额外的加工硬化贡献可被析出相更快的粗化所抵消，从而导致过时效组织。透射电子显微镜（TEM）显示，添加Zn提高了析出相密度但不影响其尺寸，从而提高了体积分数。预变形同样提高了析出相密度，但由于尺寸减小，体积分数与未变形状态相似。高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）揭示了从针状有序相向结构无序针状析出相与板条状相混合的转变。不含相特异性信息的强度模型再现了无Zn合金的行为，包括回复后加工硬化贡献的60 MPa。虽然预变形被证明略微降低了析出强化效果，但加工硬化完全解释了强度的净增加。

# 引言

过去几年中，大多数汽车制造商增加了铝的使用量，因其轻量化特性，这一趋势预计将持续[1]。Al-Mg-Si合金，通常称为6xxx系列，对回收过程中杂质的敏感性并非最强，但由于Fe、Cu、Mn和Zn含量超过合金规格的递增——这些均来自其他合金体系的潜在交叉污染——从废料中生产仍存在挑战[2]。该系列合金以轧制、挤压、拉拔或锻造成型方式应用于建筑、汽车、船舶和航空航天工业[3]。这些合金以良好的成形性、高耐蚀性、优异的表面性能和可焊性著称，同时成本相对较低[4]、[5]。其力学性能主要通过析出强化实现，即在人工时效（AA）过程中从过饱和固溶体中形成细小析出相。含Cu的Al-Mg-Si合金（如铝6061合金）的沉淀序列通常表示为[6]、[7]：

SSSS → 溶质团簇 → GP区 → β″, L → β′, S, C, Q′ → Q。

其中，针状且相干的β″相是强度的主要贡献者[6]。此前的研究表明，向Al-Mg-Si合金中添加少量Zn不会改变沉淀序列，但可通过增加数量密度提高强度[8]、[9]、[10]。除合金化外，性能还可通过改变位错密度、晶粒尺寸、析出相弥散度、团簇或晶体学织构来部分调节。

这些合金的屈服应力σy是多种机制的叠加[11]：

σy = σintrinsic + σsolidsolution + σprecipitates + σwork?hardening

其中σintrinsic是铝基体的本征摩擦应力，σsolidsolution是Mg、Si及其他溶质（如Cu）的固溶强化，σprecipitates是由尺寸和密度控制的析出强化，σwork?hardening是位错强化，该强化在时效过程中因静态回复而部分减小。时效前的预变形（即T8处理）通过σwork?hardening引入显著的屈服应力，并通过提供形核位点和增加空位浓度加速沉淀动力学[12]、[13]、[14]。这将反过来影响析出相的贡献σprecipitates。

对于某些汽车应用而言，研究在时效前引入冷变形工序的工艺路线具有工业价值。对工业界而言，预测不同变形量和时效温度下的强度演化至关重要，需要理解回收带来的合金添加物（如Zn）如何影响预变形效果，并开发能够准确捕捉强度演化及其各项贡献的模型。

尽管6xxx合金的沉淀序列和时效行为已有充分研究，但预变形、人工时效（AA）和Zn添加对强度的共同影响仍未被完全量化。虽然Zn添加和预变形的单独效应已有研究，但较少研究同时结合定量的析出相统计、析出相相演化和含Zn添加物及高变形量的合金的强度建模。具体而言：

- 预变形如何加速和改变沉淀过程
- 析出相和位错对强度的相对贡献
- Zn添加如何改变沉淀行为和力学性能
- 当存在显著变形量时，基于物理的模型（如NaMo [15]）能否预测强度演化

本工作通过实验与建模相结合的方法尝试回答上述问题。利用力学测试、基于定量TEM的析出相分析、HAADF-STEM相表征和基于物理的强度建模，确定析出相与残余加工硬化对最终强度的相对贡献。通过在含Zn和不含Zn的铝6061合金中将拉伸行为、析出相统计、相分析和预测建模联系起来，本工作旨在区分所观察到的微观组织变化及其对力学响应的实际贡献。

# 材料与实验方法

本工作研究了两种不同合金：一种标准Al-Mg-Si(-Cu)合金（铝6061合金）和一种添加少量Zn的合金（铝6061 + 0.1 wt% Zn合金）。铸造后通过光发射光谱（OES）测量的成分见表1。

铸锭直径为95 mm，在575 °C下均匀化处理2.25 h。随后在实验室压机上挤压成截面尺寸为25.2 × 3.55 mm的平面型材。挤压过程

## 力学性能

图2和表3展示了五种条件下的屈服强度、抗拉强度（UTS）、均匀延伸率和总延伸率。表3中提供了标准误差。

在未变形的T6状态下，添加0.1 wt% Zn提高了强度但未降低延伸率，屈服应力提高了约8%，延伸率几乎无变化。预变形相对于T6状态进一步提高了强度，标准6061合金的屈服应力提高了约15%。同样的趋势也被观察到

# 结论

本工作研究了预变形和添加少量Zn对Al-Mg-Si(-Cu)合金的影响，包括单独作用和组合效应。选用标准6061合金作为参照，选择T6处理（185 °C，6 h）作为标准合金和添加Zn合金的参照热处理工艺。两种合金均经历15%变形后进行人工时效。来自拉伸测试、TEM和基于物理的强度模型NaMo的结果可总结如下

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# CRediT作者贡献声明

Inga D. Konow：撰写—审阅与编辑，撰写—原稿，可视化，方法论，调查研究，数据整理。Calin D. Marioara：撰写—审阅与编辑，监督，概念化。Jan H. Nordlien：撰写—审阅与编辑，概念化。Eva A. M?rtsell：撰写—审阅与编辑，概念化。Randi Holmestad：撰写—审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取。

# 利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

# 致谢

本工作由SFI PhysMet（物理冶金创新研究中心，项目编号309584）资助。作者感谢挪威研究理事会及SFI PhysMet合作伙伴的财政支持。TEM实验在挪威透射电子显微镜中心（NORTEM）完成，该中心由RCN合同编号197405资助；EBSD映射在等离子聚焦离子束（PFIB）实验室完成，该实验室由RCN项目资助。

Inga D. Konow | Calin D. Marioara | Jan H. Nordlien | Eva A. M?rtsell | Randi Holmestad

挪威科技大学物理系，H?gskoleringen 5, Trondheim, 7491, Tr?ndelag, Norway