6063鋁合金準(zhǔn)靜態(tài)壓縮裂紋分析

孫 亮，劉兆偉，王洪卓，李秋梅，周 龍，董劉穎

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

鋁合金是工業(yè)應(yīng)用最廣泛的有色金屬材料，具有密度低、強(qiáng)度高、塑性好、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能優(yōu)良等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、航空航天、地鐵輕軌、汽車、船舶等領(lǐng)域[1-3]。6063鋁合金是一種具有中等強(qiáng)度的Al-Mg-Si 系合金[4-6]，具有優(yōu)良的焊接性、抗蝕性、可加工性、擠出性和陽(yáng)極氧化性等特點(diǎn)，因而得到廣泛的工業(yè)應(yīng)用[7-9]。

用6063鋁合金擠壓型材作吸能盒，其性能穩(wěn)定，尺寸一致性較好，吸能性能較同等重量的鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)提高50%以上，能更加有效地保護(hù)車內(nèi)乘員的安全[10]。準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)是衡量吸能性能的主要方法之一[11]，某批次6063擠壓型材進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)時(shí)，型材變形處出現(xiàn)明顯裂紋。本研究通過(guò)宏觀表面、低倍組織和高倍組織觀察與分析，探討6063擠壓型材變形缺陷的產(chǎn)生原因。

1 試驗(yàn)材料與方法

采用半連續(xù)鑄造方法制備6063鋁合金鑄錠，合金經(jīng)540 ℃×6 h均勻化處理后，通過(guò)2750T臥式擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓生產(chǎn)，擠壓制品橫截面為長(zhǎng)170 mm、寬55 mm、壁厚3 mm的矩形，具體擠壓工藝參數(shù)見表1，擠壓型材合金經(jīng)在線淬火后，進(jìn)行200 ℃×7 h的人工時(shí)效處理。

利用AX10型光學(xué)顯微鏡(OM)進(jìn)行光學(xué)顯微組織觀察；采用SSX-550型掃描電鏡(SEM)觀察第二相形貌和分布；準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)在微機(jī)控制的液壓機(jī)上進(jìn)行，壓縮試樣長(zhǎng)度為300 mm，下壓速度為100 mm/min，壓下量為試樣長(zhǎng)度的60%。

表1 擠壓工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 成分檢測(cè)

裂紋樣品和無(wú)裂紋樣品的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果，見表2。兩種樣品化學(xué)成分無(wú)明顯區(qū)別，均符合標(biāo)準(zhǔn)成分范圍，由此可知，裂紋不是由宏觀偏析所致。

2.2 宏觀分析

圖1為壓縮試樣缺陷示意圖，從圖中可知，裂紋處于彎曲變形內(nèi)側(cè)，變形量最大位置屬于壓縮類裂紋，長(zhǎng)度約10 mm，裂紋附近變形較嚴(yán)重處出現(xiàn)橘皮現(xiàn)象見圖1(b)。

2.3 顯微組織分析

圖2為試樣裂紋截面處顯微組織，從圖中可看出，裂紋尖端附近析出相尺寸較大，且較集中；與無(wú)裂紋組織相比，裂紋試樣中存在尺寸較大的黑色相，卻數(shù)量較多。

表2 缺陷樣品與非缺陷樣品成分檢測(cè)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

(a)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試樣；(b)裂紋的宏觀形貌

(a)裂紋；(b)無(wú)裂紋

圖3為裂紋試樣和無(wú)裂紋試樣顯微組織圖，從圖中可以看出，含裂紋和無(wú)裂紋試樣的顯微組織并無(wú)明顯變化。

圖4為裂紋試樣與無(wú)裂紋試樣粗晶層圖，從圖中可知，裂紋試樣平均粗晶層厚度達(dá)143 μm，而無(wú)裂紋試樣平均粗晶層厚度為32 μm，對(duì)比之下裂紋試樣粗晶層較厚。

(a)裂紋；(b)無(wú)裂紋

(a)裂紋；(b)無(wú)裂紋

2.4 SEM/EDS分析

裂紋試樣掃描電鏡(SEM)圖見圖5。從圖中可以看出，裂紋一側(cè)出現(xiàn)層狀物質(zhì)。圖中A為裂紋內(nèi)部，B和C為裂紋邊緣，所對(duì)應(yīng)的能譜(EDS)結(jié)果見表3。從能譜分析可知，B和C處檢測(cè)到O元素，這說(shuō)明裂紋附近發(fā)生了氧化現(xiàn)象，而裂紋內(nèi)部A處塊狀物主要由Al、Mg和Si元素組成，分析為AlMgSi強(qiáng)化相。

表3 EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖5 裂紋試樣高倍組織形貌

2.5 討論與建議

由上述測(cè)試結(jié)果可知，標(biāo)準(zhǔn)6063鋁合金并無(wú)宏觀偏析，裂紋主要出現(xiàn)在彎曲變形嚴(yán)重區(qū)域，屬于壓縮變形裂紋，裂紋粗晶層較厚，而且裂紋附近出現(xiàn)一些尺寸較大的析出相，因此，裂紋產(chǎn)生主要是有以下2個(gè)方面：

1)組織。裂紋尖端附近析出相尺寸較大且集中，析出相尺寸波動(dòng)較大，分布不均，在壓縮變形過(guò)程中，褶皺處發(fā)生彎曲折疊，析出相尺寸密度不同，導(dǎo)致變形抗力不同，從而在變形中容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

2)粗晶層。由于邊部與芯部纖維狀晶粒尺寸相差較大，變形過(guò)程中容易產(chǎn)生錯(cuò)位，變形量小時(shí)易出現(xiàn)橘皮現(xiàn)象，而變形量大時(shí)形成裂紋源。

在準(zhǔn)靜態(tài)壓潰試驗(yàn)中，吸能零件變形中裂紋的出現(xiàn)將大大降低材料的承載能力，可能產(chǎn)生嚴(yán)重的后果[12]，裂紋是必須避免的缺陷。針對(duì)上述分析，本文提出以下建議：

1)組織方面，析出相的尺寸可以通過(guò)時(shí)效改善，建議縮短時(shí)效時(shí)間，減小析出相尺寸；

2)擠壓工藝方面，通過(guò)調(diào)整工藝或模具結(jié)構(gòu)調(diào)控粗晶層厚度，比如適當(dāng)降低擠壓溫度，提高在線淬火的冷卻速度，從而降低粗晶層的厚度和晶粒尺寸的不均勻性。

3 結(jié)論

裂紋產(chǎn)生的原因，一方面是大尺寸析出相聚集，在變形過(guò)程中變形量與基體不同，容易形成裂紋；另一方面是材料的晶粒尺寸相差較大，變形后出現(xiàn)橘皮現(xiàn)象，容易形成裂紋源。

針對(duì)裂紋，建議對(duì)材料時(shí)效工藝進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，優(yōu)化擠壓工藝調(diào)控晶粒不均勻性，從而減少裂紋的產(chǎn)生。