程 玲， 黨振乾， 馮 帆

（1.黑龍江科技大學(xué)工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心哈爾濱150022；2.黑龍江科技大學(xué)科技處，哈爾濱150022；3.黑龍江科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150022）

擠壓態(tài)Al-Mg-Mn合金的塑性變形行為

程 玲1， 黨振乾2， 馮 帆3

（1.黑龍江科技大學(xué)工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心哈爾濱150022；2.黑龍江科技大學(xué)科技處，哈爾濱150022；3.黑龍江科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150022）

為改善擠壓態(tài)Al-Mg-Mn合金棒材的塑性變形性能，確定該合金的加工工藝參數(shù)，通過改變變形溫度和應(yīng)變速率，得到伸長率最大的變形參數(shù)，并探討了該合金的斷裂機(jī)理。結(jié)果表明：在變形溫度為500℃，應(yīng)變速率為1.00×10-3s-1時(shí)，合金的伸長率最大，達(dá)到109.54%；在塑性變形過程中，材料出現(xiàn)應(yīng)變硬化和應(yīng)變軟化現(xiàn)象，在穩(wěn)態(tài)變形階段出現(xiàn)鋸齒形流變現(xiàn)象。該合金的斷裂形式宏觀表現(xiàn)為明顯的韌性斷裂，微觀形式為穿晶斷裂，斷口由韌窩和撕裂棱組成。該研究為擠壓態(tài)Al-Mg-Mn合金加工工藝參數(shù)的合理選擇提供了參考依據(jù)。

Al-Mg-Mn合金；擠壓態(tài)；塑性變形

0　引 言

鋁鎂合金具有良好的抗蝕性、可焊性和光輝性，廣泛應(yīng)用于航空航天、電子電氣、交通運(yùn)輸和橋梁建筑等領(lǐng)域［1］。變形鋁鎂合金具有晶粒組織細(xì)密、機(jī)械強(qiáng)度高、表面質(zhì)量好等優(yōu)異的性能，在生產(chǎn)結(jié)構(gòu)零件方面得到廣泛應(yīng)用，在機(jī)械零件輕量化領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景［2］。鎂是鋁鎂合金的主要合金元素，鎂在鋁中的室溫溶解度為0.34%，極限溶解度為14.90%，鎂元素主要以β（Mg2Al3）相的形式彌散分布于基體中，鎂元素在合金中的含量直接影響合金的強(qiáng)化效果，隨著Mg含量的提高，合金強(qiáng)度提高、塑性下降［3］。當(dāng)Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3.50%時(shí)，第二相β（Mg5Al8、Mg2Al3）沿晶界、亞晶界析出，第二相β相對基體a（Al）來說是陽極，優(yōu)先發(fā)生腐蝕，使合金具有很大的晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕敏感性［4］。當(dāng)鎂以主要合金元素并與錳元素一起使用時(shí)，能形成一種高強(qiáng)度的鋁鎂合金，該類型的合金加工硬化現(xiàn)象明顯，強(qiáng)度遠(yuǎn)高于純鋁和鋁錳合金［5］。

鋁鎂合金的成型技術(shù)主要包括擠壓、軋制、鍛造和拉拔等，其加工方法按照變形溫度可分為熱加工、溫加工和冷加工。Al-Mg系合金的熱加工工藝仍存在一系列缺點(diǎn)，如變形溫度區(qū)間窄、道次變形量較低、形變不均勻、容易出現(xiàn)局部應(yīng)力集中產(chǎn)生熱開裂等現(xiàn)象。為了降低合金的變形抗力并提高合金的塑性變形性能，可采用溫加工的方式對合金進(jìn)行塑性加工。溫加工主要應(yīng)用于合金的中間過程加工。溫加工主要包括溫?cái)D壓、溫軋制和溫頂鍛等。而作為塑性加工的一種，擠壓成型的合金具有晶粒組織細(xì)密、內(nèi)部應(yīng)力為壓應(yīng)力等良好的特性，在重要領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。因此，筆者主要針對擠壓成型后Al-Mg-Mn合金棒材的塑性變形行為，研究變形溫度和應(yīng)變速率對伸長率的影響，并通過觀察塑性變形后試樣的斷口形貌，探討擠壓態(tài)Al-Mg-Mn合金斷裂的機(jī)理。

1　實(shí) 驗(yàn)

1.1材料

實(shí)驗(yàn)采用自行熔煉的Al-Mg-Mn合金鑄錠為原料，合金的化學(xué)成分為：Al（w=96.4%）、Mg（w= 3.1%）和Mn（w=0.5%）。實(shí)驗(yàn)鑄型采用金屬型，鑄錠直徑為350 mm，將成型后的鑄錠進(jìn)行溫?cái)D壓，擠壓溫度為410℃，總變形量達(dá)94.2%，最后將鑄錠擠壓成表面光滑平整的合金棒材，棒材直徑為20 mm，且表面無微小裂紋。

1.2設(shè)備

合金的塑性變形實(shí)驗(yàn)采用拉伸方法進(jìn)行，拉伸實(shí)驗(yàn)在CMT5305微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，利用高溫電阻爐控制拉伸實(shí)驗(yàn)的溫度，電阻爐最高溫度可達(dá)1 000℃，在電阻爐內(nèi)自上而下均勻布置三處測溫裝置，保證溫度的精確控制，溫度誤差不超過±3℃。利用CamScanMX2600掃描電子顯微鏡對拉伸后的試樣進(jìn)行斷口形貌觀察。

1.3方案

拉伸試樣按國家標(biāo)準(zhǔn)加工，尺寸如圖1所示。在拉伸實(shí)驗(yàn)過程中試驗(yàn)機(jī)夾頭的速度恒定，應(yīng)變速率保持不變，試樣拉伸到斷裂為止。

具體實(shí)驗(yàn)方案為：（1）確定合適的變形溫度。應(yīng)變速率選取6.67×10-4s-1，變形溫度選取350、400、450、500和550℃，對合金進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，得到試樣伸長率最大的變形溫度。（2）確定合適的應(yīng)變速率。在伸長率最大的變形溫度下，應(yīng)變速率選取3.34×10-4、6.67×10-4、1.00×10-3和1.33×10-3s-1，得到試樣伸長率最大的應(yīng)變速率。

圖1　拉伸試件尺寸Fig.1 Size of tensile specimen

2　結(jié)果與討論

2.1變形溫度對合金變形能力的影響

圖2為應(yīng)變速率為6.67×10-4s-1時(shí)，不同溫度下試樣的伸長率情況。由圖2可見，隨著溫度的升高，材料的伸長率逐漸提高，當(dāng)溫度為500℃時(shí)，材料的伸長率最大，達(dá)到70.3%。當(dāng)溫度達(dá)550℃時(shí)，接近合金的熔點(diǎn)，材料的伸長率下降明顯。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是：隨著拉伸溫度的升高，材料的晶界開動(dòng)，晶體的滑移系增多，晶界之間更容易產(chǎn)生滑動(dòng)，宏觀表現(xiàn)為材料的伸長率增加。一般來說，在塑性變形過程中，隨著溫度升高，提高了原子的自由能，降低了臨界切變應(yīng)力。因此，當(dāng)溫度達(dá)到最佳變形溫度時(shí)，材料的所有滑移系開動(dòng)，且塑性變形達(dá)到均勻流變時(shí)，材料最容易發(fā)生均勻塑性變形，在恒應(yīng)變的作用下，材料的伸長率最大。當(dāng)溫度繼續(xù)升高，接近熔點(diǎn)時(shí)，晶界開始消失，材料發(fā)生均勻塑性變形的能力下降，同時(shí)，材料失去了變形抗力，伸長率下降明顯。

圖2　相同應(yīng)變速率下溫度-伸長率關(guān)系Fig.2 Relationship of tem perature and elongation in same strain rate

2.2應(yīng)變速率對合金變形能力的影響

圖3為擠壓態(tài)Al-Mg-Mn合金在變形溫度為500℃時(shí)，拉伸試樣的宏觀形貌。從圖3可以看出，在應(yīng)變速率為1.00×10-3s-1時(shí)，試樣的伸長率最大，且沒有出現(xiàn)明顯的頸縮現(xiàn)象，在斷裂前為均勻變形。圖4為擠壓態(tài)Al-Mg-Mn鋁合金在500℃下，應(yīng)變速率和伸長率的關(guān)系曲線。由圖4可見，應(yīng)變速率為1.00×10-3s-1時(shí)材料的伸長率最大，為109.54%。

圖3　溫度500℃下試樣的宏觀形貌Fig.3 M acroscopic morphology of sam p le at tem peratu re of 500℃

圖5為擠壓態(tài)Al-Mg-Mn合金在變形溫度為500℃時(shí)，不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖5可見，應(yīng)變速率為1.00×10-3s-1的曲線在穩(wěn)態(tài)變形階段斜率逐漸減小，出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是再結(jié)晶軟化效果大于加工硬化效果，材料的均勻塑性變形能力提高；應(yīng)變速率為3.34×10-4和6.67×10-4s-1的曲線在穩(wěn)態(tài)變形階段斜率逐漸增加，出現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象，原因是加工硬化效果大于再結(jié)晶軟化效果，材料的均勻塑性變形能力降低。在材料的塑性變形階段，工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線并不是一條光滑的曲線，而是呈細(xì)小的鋸齒狀，原因是在穩(wěn)態(tài)變形過程中，材料出現(xiàn)明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，而塑性變形過程必然伴隨著材料的加工硬化現(xiàn)象，兩者交互作用，表現(xiàn)為應(yīng)力的升高和降低，導(dǎo)致曲線不光滑而呈細(xì)小的鋸齒狀。

圖4　溫度500℃下應(yīng)變速率與伸長率的關(guān)系Fig.4 Relationship of strain rate and elongation at temperature of 500℃

圖5　溫度500℃下合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Cu rves of strain and stress at tem perature of 500℃

2.3擠壓態(tài)Al-M g-M n合金斷口形貌分析

圖6為擠壓態(tài)Al-Mg-Mn合金在溫度為500℃，不同應(yīng)變速率控制下拉伸斷裂后的斷口形貌。由圖6可見，合金拉伸后的斷口由韌窩和撕裂棱組成，材料表現(xiàn)為典型的韌性斷裂特征，裂紋擴(kuò)展方式為穿晶斷裂。觀察圖6可見，圖6a斷口形貌以空洞為主，有部分的韌窩和撕裂棱，大直徑的韌窩占多數(shù)，且撕裂棱少而粗大；圖6b斷口形貌以韌窩為主，有少許空洞，還有細(xì)小的撕裂棱；圖6c斷口形貌以撕裂棱為主，也有部分韌窩和空洞。比較圖6a、6b、6c可以看出，圖6b韌窩尺寸較大，撕裂棱較少，因此試樣的伸長率最大。

圖6　試樣的斷口形貌Fig.6 Fracturemorphology of specimen

3　結(jié) 論

（1）擠壓態(tài)Al-Mg-Mn合金在變形溫度500℃、應(yīng)變速率1.00×10-3s-1的條件下伸長率最大，為109.54%，表現(xiàn)出良好的塑性。

（2）在塑性變形過程中，材料出現(xiàn)明顯的應(yīng)變硬化和應(yīng)變軟化現(xiàn)象，在穩(wěn)態(tài)變形階段有鋸齒形流變現(xiàn)象。

（3）擠壓態(tài)Al-Mg-Mn合金在變形溫度500℃、應(yīng)變速率1.00×10-3s-1的條件下，斷裂形式為韌性斷裂，裂紋穿過晶體內(nèi)部，為穿晶斷裂，斷口由韌窩和撕裂棱組成。

［1］ 楊少華，班允剛，郭玉華，等.以氧化鎂為原料生產(chǎn)鋁鎂合金的研究［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，28（6）：839-842.

［2］ 馬高山，張頌陽.變形鋁鎂合金溫成形技術(shù)研究和發(fā)展現(xiàn)狀［J］.熱加工工藝，2010，39（11）：23-27.

［3］ 唐明君，吉澤升，呂新宇.5XXX系鋁合金的研究進(jìn)展［J］.輕合金加工技術(shù)，2004，32（7）：1-2.

［4］ 李落星，周 佳，張 輝.車身用鋁、鎂合金先進(jìn)擠壓成形技術(shù)及應(yīng)用［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48（18）：35-36.

［5］ 文 智，易丹青，王 斌，等.Al-6Mg-0.4Mn-0.2Sc鋁合金的高溫變形行為及熱加工圖［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，44（3）：915-916.

（編輯王 冬）

Plastic deformation behavior of extruded Al-Mg-Mn alloys

CHENG Ling1， DANG Zhenqian2， FENG Fan3
（1.Center of Engineering Training&Basic Experimentation，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China；2.Department of Science&Technology，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China；3.School of Materials Science&Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China）

This paper is aimed at determining the processing parameters and investigating the plastic deformation behavior of the extruded Al-Mg-Mn alloy.The aim is achieved by changing the deformation temperature and strain rate to find the deformation parameters ofmaximum elongation and exploring the fracturemechanism.The results suggest that a deformation temperature of 500℃and the strain rate of 1.00×10-3s-1give the alloy the longest elongation，up to 109.54%；plastic deformation results in strain hardening and softening behavior in materials and steady state of deformation produces jagged rheological behavior.The alloy shows an obviously ductile fracture inmacro form and transgranular fracture in microscopic form，with the fracture consisting of toughening nestand tear edges.The result could provide a reference for choosing the best processing parameters for the extruded Al-Mg-Mn alloy.

Al-Mg-Mn alloy；extrusion；plastic deformation

10.3969/j.issn.2095-7262.2014.05.008

TG115.52

2095-7262（2014）05-0480-04

A

2014-06-19

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（12513070）

程 玲（1981-），女，吉林省蛟河人，講師，碩士，研究方向：金屬材料力學(xué)性能，E-mail：dangzhenqian2414@163.com。