论峰值时效再结晶铝镁硅挤压合金的弯曲各向异性

《Materials Science and Engineering: A》：On the bending anisotropy of a peak-aged recrystallized Al-Mg-Si extrusion alloy

　　

摘要

Al-Mg-Si挤压合金在汽车结构件中的应用日益增多，在这些应用中，等向弯曲性能受到青睐，以确保成形和使用过程中变形和断裂行为具有方向无关性。本研究考察了峰值时效状态下AA6082挤压合金弯曲各向异性的来源。通过EBSD表征了晶粒结构和晶体学织构，揭示出一种贯穿厚度方向的层状再结晶微观结构，其中表层、次表层和中心层具有各自不同的织构。弯曲响应通过VDA 238-100小半径弯曲试验结合三维数字图像相关（3D-DIC）进行了评估。观察到显著的弯曲各向异性，与横向（TD）状态相比，挤压方向（ED）状态下的弯曲角度超过两倍，且在出现可见发丝裂纹时的最大主应变高出约50%。尽管延伸率存在巨大差异，两种加载方向均通过类似的晶间延性断裂模式失效。对塑性、形态学和拓扑学各向异性的相对重要性进行了系统评估。黏塑自洽（VPSC）模型表明，表层内的塑性各向异性主要通过产生更高的远场最大主应力和更高的晶粒与无析出相区（PFZ）强度比，从而增加析出相断裂/脱粘的驱动力并增强PFZ损伤的局部化，成为弯曲各向异性的主要贡献因素。相比之下，与析出相形态和空间分布相关的形态学各向异性和拓扑学各向异性仅具有较小的影响。

引言

沉淀强化的铝（Al）合金被广泛应用于交通领域（飞机、列车和汽车等），以实现轻量化[1]，[2]，[3]。特别是AA6XXX系列（即Al-Mg-Si(-Mn-Fe)）铝挤压材，被大量用于汽车结构件，如车身面板、吸能管和侧围梁。这些挤压件在复杂塑性变形下的性能在制造和使用过程中都至关重要，需要足够的延伸率以实现最佳的能量吸收和抗撞性。工业关注的关键性能之一是弯曲性能。汽车部件设计倾向于等向弯曲性能，以确保成形和运行过程中的方向无关性和可预测性。然而，在AA6XXX挤压材中广泛观察到弯曲各向异性，其中弯曲轴垂直于挤压方向（ED）时通常表现出优于垂直于横向（TD）时的弯曲性能[4]，[5]，[6]。这种弯曲各向异性通常归因于三种微观结构各向异性来源[7]：(i) 与晶体学织构相关的塑性各向异性；(ii) 与第二相颗粒形状和对齐相关的形态学各向异性；以及(iii) 由颗粒空间分布引起的拓扑学各向异性。

塑性各向异性是弯曲各向异性的主要贡献因素，因为弯曲变形主要由具有方向依赖性的塑性流动主导。在延性断裂中，裂纹通过空洞的形核、长大和连接而发展，屈服和应变硬化方面的方向性差异会在空洞周围产生不同的局部应力状态，从而产生不同的损伤演化速率。在铝合金中，塑性各向异性主要由晶体学织构控制[8]，[9]，[10]，[11]，[12]，[13]，[14]，[15]，[16]，[17]，[18]，[19]，[20]，[21]，[22]。例如，在单晶水平上，实验和有限元（FE）模拟均表明，立方取向（Cube-oriented）的晶粒表现出优异且等向的弯曲性能，而Goss取向的晶粒则表现出强烈的弯曲各向异性，当弯曲轴垂直于ED时弯曲性能良好，而垂直于TD时弯曲性能较差[12]，[14]，[17]。此外，据报道，强化相在Al–Mg–Si合金中对塑性各向异性仅具有微小影响，突出了晶体学织构无论时效状态如何都起主导作用[18]，[19]。

除晶体学织构外，第二相颗粒在延性断裂中也起着关键作用，因为损伤往往通过颗粒断裂或颗粒-基体脱粘而萌生。在含有多个颗粒尺寸尺度的Al-Mg-Si合金中，组成相颗粒由于其尺寸相对较大（直径约1μm），产生应力集中并促进主空洞形核，因此对延伸率通常具有最强的影响[23]，[24]。较小的弥散相和晶界（GB）Mg-Si析出相（直径约0.1μm）可形核次级空洞，通过削弱主空洞之间的韧带促进空洞连接[25]，[26]，[27]。除了对延伸率的直接影响外，颗粒还可通过形态学和拓扑学效应引入各向异性。形态学各向异性源于颗粒的形状和取向。例如，沿特定方向对齐的细长颗粒会经历具有方向依赖性的载荷传递，例如取决于加载是施加在其长轴还是短轴上[28]。拓扑学各向异性源于颗粒的空间分布，聚集增加会加速空洞连接并降低延伸率。此类聚集可能在挤压过程中发展形成，大的金属间相颗粒破碎并沿ED延伸成线状（stringer-like）分布[7]。

尽管以往的研究表明，晶体学织构[12]，[14]，[17]，组成相颗粒的形态和空间分布[7]，[28]都可影响Al-Mg-Si合金的弯曲各向异性，但在同一材料内对其相对贡献的系统评估却很少见。此外，以往关于AA6XXX合金弯曲性能的研究主要集中在T4或欠时效状态，其中成形过程中的延伸率是首要考虑因素[12]，[16]，[23]，[29]，[30]，[31]。虽然这些状态与制造高度相关，但许多结构挤压件最终是在峰值时效状态（例如T5/T6）下使用的，在这种情况下，弯曲性能对于抗撞性和服役过程中的断裂阻力仍然至关重要。在峰值时效状态下，强化的基体、晶界析出和析出相自由区（PFZ）的发展可以显著改变控制延性断裂的微观力学机制。尽管具有工业意义，但峰值时效Al–Mg–Si挤压件弯曲各向异性的来源相对而言探索较少[7]，[13]，[15]，[32]。因此，本研究的创新之处在于系统评估同一峰值时效材料中这三种机制的相对贡献。

在本研究中，对峰值时效再结晶AA6082挤压合金的弯曲响应进行了研究。系统地评估了弯曲各向异性的三种微观结构来源的相对重要性。首先通过比较与空洞形核、长大和连接相关的临界微观结构特征的相关尺度，建立了弯曲断裂的微观力学理解。然后，使用平均场晶体塑性模型分析塑性各向异性的影响，以评估晶体学织构的作用。形态学各向异性通过应用载荷传递模型于组成相颗粒进行评估，拓扑学各向异性则通过基于相关函数的组成相颗粒分布聚集分析进行量化。主要目标是确定哪种微观结构来源主导了本峰值时效合金的弯曲各向异性。

章节片段

材料

本研究使用的材料为AA6082合金，其化学成分为Al-1.0Si-0.7Mg-0.5Mn-0.2Fe（wt.%）。该合金通过直接水冷（DC）铸造为直径101.6mm的棒材。为了促进再结晶晶粒结构的形成，进行了均匀化处理，初始加热速率为250^oC/h加热至530^oC，随后以50^oC/h的降低加热速率升至最终的保温温度580^oC，棒材在此保温12小时，最后进行水淬。均匀化处理的棒材

微观结构——晶粒尺寸、形状和晶体学织构

挤压件的三维晶粒结构如图1(a)所示，以EBSD IPF-TD图的形式展示了ED-TD、ED-ND、TD-ND表面视图，覆盖挤压带材的整个厚度（约3mm）。总体而言，该材料表现出几乎完全再结晶的晶粒结构。然而，在贯穿厚度方向上，从晶粒结构和取向方面观察到三个明显的层：(i) 表层，(ii) 次表层和(iii) 中心层。层厚度的统计结果

讨论

主要结果可总结为两个方面：(i) 在两种加载方向下均观察到延性晶间断裂模式，以及(ii) 延伸率表现出显著的各向异性，TD状态下的断裂应变比ED状态下低约33%。以下讨论首先考察控制本合金中晶间断裂普遍性和延伸率的微观结构因素，然后重点关注识别

结论

本研究考察了峰值时效（T5处理状态）再结晶AA6082挤压件在弯曲过程中的各向异性来源。铸造、均匀化和挤压条件的结合产生了一种组成相颗粒形态学和拓扑学各向异性极小的微观结构，从而为评估晶体学织构对弯曲各向异性的影响提供了一个模型体系。本材料表现出贯穿厚度方向的层状晶粒结构，具有明显的

CRediT作者贡献声明

Warren Poole：撰写——审阅与编辑，监督，资源，项目管理，方法论，资金获取，形式化分析，概念化。Nick Parson：撰写——审阅与编辑，资源，资金获取，概念化。Paul Rometsch：撰写——审阅与编辑，资源，资金获取，概念化。Jacqueline Noder：撰写——审阅与编辑，方法论，调查研究，形式化分析，数据整理。Yixin Wang：撰写——审阅与编辑，撰写

数据可用性

本研究期间生成和分析的数据集可通过合理请求向通讯作者获取。

关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作的过程中，作者使用了ChatGPT（OpenAI）来改善初稿手稿的语言、语法、可读性和清晰度。使用该工具后，作者根据需要审阅并编辑了内容，并对出版物的内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢

本研究在Rio Tinto铝业和加拿大自然科学和工程研究理事会（NSERC ALLRP 586808）的支持下开展。电子显微镜检查在材料工程（UBC）电子显微镜实验室完成，使用的是由加拿大创新基金和英国哥伦比亚知识发展基金资助的AMBER-X pFIB-SEM（IF 39798）。此外，本研究部分得以完成，还要感谢加拿大研究的资金支持。

Yixin Wang|Jacqueline Noder|Paul Rometsch|Nick Parson|Warren Poole

加拿大不列颠哥伦比亚大学材料工程系，温哥华，BC，加拿大