連續(xù)擠壓Al1.1Mg0.3Cu合金的拉伸性能和加工硬化行為

張輝　羅松　蔣福林

摘要：為了提高Al1.1Mg0.3Cu合金線桿的拉伸性能，通過金相、透射電鏡、掃描電鏡顯微組織觀察和拉伸試驗分別對連續(xù)擠壓態(tài)及拉拔退火態(tài)合金的微觀組織和拉伸性能進(jìn)行了研究.結(jié)果表明：連續(xù)擠壓成形工藝有助于進(jìn)一步改善合金的拉伸性能，與傳統(tǒng)拉拔后退火處理工藝相比，通過連續(xù)擠壓工藝制備的合金組織晶粒細(xì)小而均勻，沉淀相和位錯密度較少，致使合金的延伸率相對較高而加工硬化率相對較低；此外，相比傳統(tǒng)工藝，由連續(xù)擠壓工藝制備的合金拉伸試樣斷口形貌中韌窩更深、更細(xì)小.

關(guān)鍵詞：鋁合金；連續(xù)擠壓成形；顯微組織；力學(xué)性能；加工硬化

中圖分類號：TG146.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：In order to improve the drawability of Al1.1Mg0.3Cu alloy wire rod， the microstructures and mechanical properties of continuous extruded and conventional drawn and annealed alloys were investigated by observation of optical microscopy， transmission electron microscopy and scanning electron microscopy and tensile testing. The experimental results show that continuous extrusion forming produced a finer， more uniform structure， with fewer precipitates and lower dislocation density， than that resulting from conventional drawing followed by annealing processing. Increased tensile elongation， lowered work hardening rate， and enhanced drawability resulted from continuous extrusion processing. The fracture surface of the material prepared by continuous extrusion presented deeper and finer dimples， compared with that of the conventionally processed material.

Key words：aluminum alloy； continuous extrusion forming； microstructure； mechanical properties； work hardening

鋁合金或銅包鋁復(fù)合電線導(dǎo)線具有成本低、重量輕、強度和電導(dǎo)率高等特點，已經(jīng)代替銅基合金廣泛應(yīng)用于電工領(lǐng)域[1-6].研究表明，合金的加工硬化率越高、延伸率越小，在室溫拉拔過程中越容易發(fā)生斷裂[7-8].

Conform連續(xù)擠壓成形工藝已廣泛應(yīng)用于軟鋁合金桿材、管材、型材以及銅導(dǎo)線的連續(xù)生產(chǎn)中.該工藝具有如下特點：坯料無需加熱、能耗低；生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)率高、產(chǎn)品成品率高；生產(chǎn)工序簡單、可連續(xù)生產(chǎn)長度不受限制的產(chǎn)品[9-11].原料被連續(xù)送入擠壓輪的凹形槽和槽封塊所構(gòu)成的幾乎密閉的擠壓型腔內(nèi)，在堵頭處，坯料沿圓周方向的運動受阻，被迫進(jìn)入擠壓模腔，最后通過裝在模腔內(nèi)的模具擠成所需的產(chǎn)品.研究表明[10-12]：在Conform連續(xù)擠壓成形過程中，材料發(fā)生塑性變形的區(qū)域內(nèi)會產(chǎn)生一個強烈的內(nèi)部剪切帶（IISB）.劇烈的剪切變形會產(chǎn)生大量的變形熱，從而降低了塑性變形的不均勻性，提高了金屬的塑性變形能力.

通過Conform連續(xù)擠壓在改善AZ31鎂合金的組織均勻性的同時還改變了鎂合金基面結(jié)構(gòu)，從而增強了該合金的塑性[12].Utsunomiya等人[13]利用連續(xù)剪切變形方式（conshearing）和Raab等人[14]利用ECAPConform工藝分別細(xì)化了鋁合金，以提高鋁合金性能.利用Conform工藝的特性（強烈的內(nèi)部剪切變形和變形溫度逐漸增加）來提高鋁合金力學(xué)性能和提高產(chǎn)品成材率的相關(guān)研究文獻(xiàn)較多[12].

在銅包鋁鎂合金細(xì)線實際工業(yè)生產(chǎn)過程中，導(dǎo)線在拉拔過程中經(jīng)常產(chǎn)生裂紋、斷裂等問題.分析發(fā)現(xiàn)可以通過添加過量的銅或者在拉拔前進(jìn)行Conform連續(xù)擠壓變形來提高AlMg合金芯導(dǎo)線的拉伸性能，從而提高產(chǎn)品的成品率[4]，但機理還不夠清楚.本文通過Conform連續(xù)擠壓工藝制備Al1.1Mg0.3Cu合金線桿，并與傳統(tǒng)拉拔后退火工藝制備的同種鋁合金線桿的微觀結(jié)構(gòu)和拉伸性能進(jìn)行比較分析，從而得到Conform連續(xù)擠壓提高銅包鋁鎂合金拉伸性能的相關(guān)機理.

1實驗方法

1.1化學(xué)成分

實驗中，Al1.1Mg0.3Cu合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為：wMg=1.1，wCu=0.3，wMn=0.008，wZn=0.05，wSi=0.06，wFe=0.15，wAl=余量.

1.2實驗工藝

通過LJ300鋁連續(xù)擠壓機將直徑為12 mm的Al1.1Mg0.3Cu合金桿材擠壓成直徑為8.7 mm的線材.擠壓輪直徑為300 mm，轉(zhuǎn)速為16 r/min，擠出部分速率約為0.48 m/s，擠壓模出口溫度大約為430 ℃.擠出后，在離模具出口2 m處對線桿進(jìn)行水冷.另外，通過拉拔機將直徑為12 mm的Al1.1Mg0.3Cu合金桿材在室溫下拉拔成直徑為8.7 mm的線桿，拉拔速率為3.2 m/s.然后再將拉拔線材進(jìn)行退火處理，退火溫度為430 ℃，退火時間為4 h.

根據(jù)GB/T 228-2002《金屬材料常溫拉伸試驗方法》將線桿制成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，標(biāo)距長度為25 mm，標(biāo)距直徑為5 mm.在WDW100機上進(jìn)行單軸拉伸測試，拉伸速率為0.5 mm/min.拉伸斷裂后，利用FEI QUANTA 200掃描電子顯微鏡（SEM）對試樣拉伸斷口進(jìn)行掃描觀察.通過Leitz MM6光學(xué)顯微鏡（OM）和JEM3010透射電子顯微鏡（TEM）觀察顯微組織.

2實驗結(jié)果及分析

2.1顯微組織分析

不同工藝制備的Al1.1Mg0.3Cu合金的光學(xué)顯微組織如圖1所示.從圖中可以看出，連續(xù)擠壓態(tài)組織晶粒尺寸相差較小，平均晶粒尺寸約為200 μm（圖1（a））.傳統(tǒng)拉拔后退火態(tài)組織中晶粒尺寸相差較大，最大可達(dá)900 μm，最小只有280 μm，平均晶粒尺寸約為485 μm（圖1（b））.相比傳統(tǒng)拉拔后退火工藝，通過Conform工藝制備的線桿組織更均勻，晶粒更細(xì)小.圖2為不同工藝制備的Al1.1Mg0.3Cu合金的TEM圖.從圖中可以看出，連續(xù)擠壓態(tài)組織中存在少量的位錯和第二相粒子（圖2（a）和（b））.EDS分析結(jié)果（表1）表明，這些第二相粒子都是富含硅的雜質(zhì)相.對傳統(tǒng)拉拔態(tài)線桿進(jìn)行430 ℃/4 h退火處理后，退火態(tài)組織中仍然存在大量的位錯，沿拉拔方向分布（圖2（c））.退火態(tài)組織中還包含大量均勻分布的球形顆粒，平均直徑為0.4 μm（圖2（d））.EDS分析結(jié)果（表1）表明，這些顆?？赡転镾（Al2CuMg）相.

顯微組織之間的差異可能是由于兩種加工工藝中合金變形區(qū)域及溫度變化的不同所造成的.在Conform連續(xù)擠壓過程中，驅(qū)動力是擠壓輪與合金之間的摩擦力，由于合金流出方式為徑向流出，使得強烈的剪切變形出現(xiàn)在中部區(qū)域，所以合金中心的

內(nèi)部剪切變形比表面的剪切變形要更劇烈[10].強烈的剪切變形發(fā)生在塑性變形區(qū)域的邊界附近，形成強烈內(nèi)部剪切變形帶（IISB）.強烈的剪切變形會產(chǎn)生大量的變形熱，使得合金溫度從室溫逐漸升到擠壓溫度[10， 12-17].在合金升溫階段，變形溫度較低，剪切變形較大，從而形成高密度位錯.IISB的存在降低了塑性變形的不均勻性，提高了合金的塑性 [10， 12].當(dāng)合金進(jìn)入擠壓模中時，合金溫度上升到擠壓溫度.由于升溫階段位錯大量累積（低溫剪切變形），合金中存在較高應(yīng)變儲能，使得合金在擠壓溫度下容易發(fā)生動態(tài)回復(fù)（DRV）甚至動態(tài)再結(jié)晶（DRX）[10， 14-17]，從而使位錯密度減少（圖2（a）），晶粒組織細(xì)化（圖1（a））.另外，強烈的剪切變形使得第二相粒子發(fā)生碎裂[10， 12]，導(dǎo)致第二相粒子分布較為稀疏（圖3（b））.而在傳統(tǒng)拉拔過程中，由于合金與模具之間存在摩擦阻力，合金流出方式為軸向流出，使得強烈的剪切變形發(fā)生在合金表層，合金表層發(fā)生不均勻塑性變形，從而形成一定的剪切變形帶.隨著拉應(yīng)變的增加，局部剪切帶之間的間距縮短，局部剪切帶逐漸伸長，形成宏觀剪切帶[2-3].因此，在傳統(tǒng)拉拔過程中，合金應(yīng)變分布不均勻，形成了不均勻的細(xì)長微觀組織且該組織中存在大量的位錯[18-20].由于在拉拔過程中累積了較高應(yīng)變儲能，使得合金在退火過程中發(fā)生快速的靜態(tài)再結(jié)晶及晶粒生長，導(dǎo)致晶粒粗大（圖1（b））.由于合金變形不均勻，組織中同時存在再結(jié)晶和非再結(jié)晶兩種區(qū)域，從而形成兩種不同的微觀組織區(qū)域（圖3（c））.合金中存在大量的高密度位錯加之較長的退火時間會加速析出相的析出和長大，導(dǎo)致大量的析出相彌散分布在晶粒中（圖2（d））.

2.2拉伸性能和加工硬化行為

圖3為Al1.1Mg0.3Cu合金在室溫下的拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變曲線圖.相比傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的合金，Conform生產(chǎn)的合金具有較低的極限抗拉強度和較高的延伸率.傳統(tǒng)加工的合金屈服強度和極限抗拉強度分別為70 MPa和161 MPa.而Conform加工的合金的屈服強度和極限抗拉強度更低，分別為51 MPa和114 MPa.Conform加工合金的延伸率（約52%）高于傳統(tǒng)加工合金的延伸率（約47%）.圖4為Al1.1Mg0.3Cu合金的加工硬化率θ真應(yīng)變ε曲線圖.加工硬化模型是由Kocks U F，Mecking H和Estrin Y（ME）為FCC合金所提出的一個抽象模型[21-23].

加工硬化率真應(yīng)變曲線可以分為兩個區(qū)域：彈性變形塑性變形過渡區(qū)域（第Ⅱ階段）和完全塑性變形區(qū)域（第Ⅲ階段）.在彈性變形塑性變形過渡區(qū)域，加工硬化率急劇下降.而在完全塑性變形區(qū)域（存在較高的應(yīng)變）加工硬化率與真應(yīng)變之間總是遵循一個線性關(guān)系[21-23]：

θ=dσ/dε=θ0-β σ. （1）

式中：θ0為初始加工硬化速率，是一個反映位錯存儲率的非熱常數(shù)；β是一個無量綱參數(shù)，為曲線某點的斜率.從圖4可以看出一個典型的完全塑性區(qū)域（第III階段）.隨著真應(yīng)力的增加，加工硬化率呈線性減少，這完全符合KocksMecking模型[21-22].Conform加工合金的初始加工硬化速率（約為530 MPa）比傳統(tǒng)加工合金的初始加工硬化速率（約為1 070 MPa）要低很多，而β相差不大.

拉伸性能或單次允許最大變形量（εmax）的表達(dá)式為：

εmax=η（n+1）. （2）

式中：η為加工變形效率（通過機械控制）；n為硬化指數(shù)[21].硬化指數(shù)可通過冶金工藝進(jìn)行控制，優(yōu)化微觀組織增加其數(shù)值.圖5為Al1.1Mg0.3Cu合金硬化指數(shù)nlogε曲線圖.Conform加工合金的硬化指數(shù)比傳統(tǒng)加工合金高，其拉伸性能也相對要好[8， 24].相比傳統(tǒng)加工合金，Conform加工合金中組織均勻、晶粒細(xì)小、位錯較少且加工硬化率低，所以其延伸率較高、塑性和拉伸性能較好[7， 25-26].

根據(jù)先前的報道[13-14]和顯微組織的分析（2.1節(jié)）， Conform加工合金的晶粒相對較細(xì)（圖1），而該合金屈服強度相對較低（圖3），這并不符合HallPetch關(guān)系[15， 25， 27].這是因為相比Conform加工合金，傳統(tǒng)加工合金中存在大量的位錯和析出相，位錯與位錯之間的交互作用以及位錯與析出相之間的交互作用阻礙了位錯運動，從而大大提高了該合金的屈服強度.加工硬化和沉淀強化對合金屈服強度的影響程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于細(xì)晶強化.所以Conform加工合金顯微組織中晶粒較細(xì)小，然而其屈服強度卻較低.

2.3斷裂行為

圖6為Al1.1Mg0.3Cu合金的拉伸斷口形貌圖.從圖中可以看出，兩類加工合金的斷口形貌特征表現(xiàn)為韌窩，斷裂方式為韌性斷裂.Conform加工合金拉伸試樣斷口中的韌窩相比傳統(tǒng)加工合金更細(xì)更深更均勻，且韌窩為等軸韌窩，大小相差不大.這是因為在拉伸過程中合金發(fā)生塑性變形，會產(chǎn)生大量位錯，而合金中存在較多的第二相粒子.當(dāng)外力足夠大的時候，第二相粒子會重新運動起來，且由于位錯釘扎作用，位錯會向第二相顆粒處運動并聚集.當(dāng)其所積累的彈性應(yīng)變能足以克服第二相粒子與基體之間的界面結(jié)合力而形成新表面時，便會形成顯微空洞.由于顯微空洞的形成使后面的位錯受到的排斥力大大降低，從而大量的位錯在外力的作用下向新生成的顯微空洞運動，顯微空洞長大.直至與其他空洞相互連接在一起，從而形成了等軸韌窩斷口形貌.另外，斷裂表面形態(tài)的變化與總伸長有關(guān)，且韌窩的大小取決于原子特性和原子間距.傳統(tǒng)加工合金的韌窩相對較細(xì)長，這可能是由于在剪切面上發(fā)生強烈的剪切變形及斷裂所引起的.Conform加工合金斷口韌窩尺寸的減少可能與晶粒細(xì)化、低的加工硬化以及加工過程中高的動態(tài)回復(fù)和破碎的沉淀相有關(guān).該合金的顯微組織較均勻，韌窩也較均勻.傳統(tǒng)加工合金中晶粒粗大不均勻，所以其斷口韌窩淺、不均勻.在變形過程中存在一定的不完全回復(fù)，導(dǎo)致拉伸性能降低.

3結(jié)論

通過對Conform連續(xù)擠壓工藝與傳統(tǒng)拉拔后退火工藝所制備的Al1.1Mg0.3Cu合金線桿組織與拉伸性能比較研究，可以得到如下結(jié)論：

1）Conform連續(xù)擠壓工藝制備的合金晶粒尺寸較細(xì)，組織更均勻，位錯密度較低，第二相析出粒子較少.

2）Conform連續(xù)擠壓工藝制備的合金加工硬化率小，但延伸率提高了10.6%.

3）Conform連續(xù)擠壓合金拉伸試樣斷口形貌中的韌窩較深、較細(xì)且更均勻.

4）Conform連續(xù)擠壓可提高Al1.1Mg0.3Cu合金線桿的拉伸性能.

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