鋁合金具有低密度、中高強(qiáng)度、成形性和耐腐蝕性能良好等特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用[1,2] 制造汽車的保險(xiǎn)杠和吸能盒等安全件以及裝甲車輛的輪轂和隔框等零部件，都使用鋁合金代替鋼材以實(shí)現(xiàn)輕量化[3] 為了提高和改善鋁合金部件的力學(xué)性能，通常采用擠壓、軋制和沖壓等塑性變形加工和成形 [4,5,6] 塑性變形后材料的微觀組織發(fā)生強(qiáng)烈的變化，如析出相的析出和回溶、有規(guī)律的晶粒取向以及動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶等[7,8,9] 這些變化，顯著影響材料的強(qiáng)度和塑性等機(jī)械性能 而材料的宏觀性能，在很大程度上受顯微組織的影響 在設(shè)計(jì)和制造鋁合金零件時(shí)需要考慮材料的微觀組織演變，通過改善組織特征提高合金的力學(xué)性能一直都受到極大的關(guān)注

目前關(guān)于鋁合金的微觀組織和力學(xué)性能的研究，大多是在中低應(yīng)變速率條件下進(jìn)行變形實(shí)驗(yàn)[10,11] 值得注意的是，在交通和國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域鋁合金的高應(yīng)變速率響應(yīng)非常重要 一方面，在零部件的生產(chǎn)過程中高速?zèng)_壓、電磁成形和高速切削等高應(yīng)變速率成形越來越多[12,13,14] 另一方面，鋁合金部件的服役環(huán)境極其復(fù)雜苛刻，承受不同形式的載荷[15] 因此，關(guān)于鋁合金材料在高應(yīng)變速率變形下的力學(xué)性能和微觀組織演化的研究有極為重要的意義

6013鋁合金是一種典型的Al-Mg-Si合金，具有良好的力學(xué)、耐腐蝕和焊接性能，在航天航空、汽車制造和軍事裝甲等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[16] 關(guān)于6013鋁合金在中低應(yīng)變速率條件下的變形已經(jīng)進(jìn)行了比較深入的研究[17,18]，本文研究在較大應(yīng)變速率條件下擠壓態(tài)6013-T4鋁合金的力學(xué)響應(yīng)、微觀組織演變和微觀機(jī)理

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用材料為擠壓態(tài)6013-T4鋁合金棒材，其化學(xué)成分為0.9-Cu，0.95-Mg，0.75-Si，0.35-Mn和0.2-Fe(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)，其余為Al 將直徑為85 mm的圓柱形鋁鑄錠放入加熱爐中，升溫至560℃后均勻化處理16 h 使用8MN臥式擠壓機(jī)將鋁錠熱擠壓成直徑為25 mm的圓棒，擠壓筒的直徑為90 mm，擠壓比為13，擠壓速率為4 m/min，通過水霧將擠壓圓棒淬火至室溫后停放1個(gè)月

用線切割機(jī)對(duì)6013-T4鋁合金在與擠壓方向成0°、45°、90°方向進(jìn)行下料，動(dòng)態(tài)壓縮試樣的直徑為8 mm厚度為4 mm(圖1) 所有力學(xué)性能測(cè)試在同一時(shí)間段內(nèi)完成，使用應(yīng)變環(huán)得到在不同應(yīng)變速率下應(yīng)變量相同的壓縮試樣，以便對(duì)比分析其微觀組織



圖16013-T4鋁合金的切樣示意圖

Fig.1Schematic diagram of 6013-T4 aluminum alloy sample

使用分離式霍普金森壓桿(SHPB：split Hopkinson pressure bar)系統(tǒng)(圖2)完成動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn) 在實(shí)驗(yàn)過程中，試樣放在入射桿與透射桿之間 使用該設(shè)備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄入射、反射和透射的應(yīng)變-時(shí)間曲線 在均勻性假設(shè)的基礎(chǔ)上，根據(jù)一維應(yīng)力波理論和式(1)-(3)計(jì)算每次沖擊的應(yīng)力、應(yīng)變量和應(yīng)變速率

(1)ε=-2C0L∫0tεrdt

(2)ε˙=-2C0Lεr

(3)σ=EAASεt

式中，εr為輸入桿的應(yīng)變量；εt為透射桿的應(yīng)變量；L為試樣的初始長(zhǎng)度；C0=Eρ(ρ為壓桿的質(zhì)量密度)為波的傳播速度；A和AS分別為壓桿和試樣的橫截面積；E為兩個(gè)壓桿材料的楊氏模量



圖2SHPB實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

Fig.2Schematic diagram of SHPB experimental device

使用5%HBF4水溶液腐蝕試樣，時(shí)間1~3 min，電壓20 V，用光學(xué)顯微鏡觀察其微觀組織 使用XRD衍射儀進(jìn)行織構(gòu)測(cè)試，衍射儀的管電流為40 mA，管電壓為40 kV 采用背反射法測(cè)試織構(gòu)，根據(jù)Bunge球諧函數(shù)分析和級(jí)數(shù)展開法計(jì)算相應(yīng)的取向分布函數(shù)ODF(orientation distribution function)圖 對(duì)4個(gè)面(111)，(200)，(220)和(311)進(jìn)行測(cè)量 用于透射電鏡觀察的樣品其取樣部位為與壓縮軸垂直的縱截面中間位置，織構(gòu)和微觀組織的觀測(cè)部位如圖3所示 先將樣品機(jī)械減薄，然后進(jìn)行電解雙噴制成觀察樣品 電解雙噴儀的型號(hào)為MTP-1A，溫度為-25℃，電解液為30%硝酸和70%甲醇溶液(體積比) 用Tecnai G2 20進(jìn)行觀察，加速電壓為200 kV



圖3微觀組織觀測(cè)面的示意圖

Fig.3Schematic diagram of microstructure observation plane

2 結(jié)果和討論2.1 動(dòng)態(tài)沖擊載荷下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4表明，高應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈波浪狀，在應(yīng)變硬化之后有一個(gè)明顯的屈服，之后隨著應(yīng)變量的增加應(yīng)力不斷增加但是硬化效果減弱 在鋁合金材料的變形過程中，加工硬化和動(dòng)態(tài)軟化這兩個(gè)對(duì)立過程同時(shí)存在 在塑性變形中大量的滑移系被激發(fā)，位錯(cuò)增殖和位錯(cuò)間的相互作用使材料產(chǎn)生應(yīng)變硬化 在熱激活和外加應(yīng)力的作用下位錯(cuò)通過攀移或交滑移發(fā)生合并和重組，使材料發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù) 高速?zèng)_擊是一個(gè)絕熱過程，隨著應(yīng)變速率的提高絕熱溫升增大，材料熱激活作用增強(qiáng)，晶格的熱振動(dòng)能變大，原子平均動(dòng)能和擴(kuò)散速率增加 這些因素，增強(qiáng)了動(dòng)態(tài)回復(fù)引起的軟化 同時(shí)，材料還表現(xiàn)出明顯的正應(yīng)變速率敏感性和力學(xué)性能各向異性



圖46013-T4鋁合金的動(dòng)態(tài)壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

Fig.4True stress-true strain curves of 6013-T4 alloy under dynamic compression (a) 1000 s-1, (b) 2000 s-1, (c) 3000 s-1

圖5給出了6013-T4鋁合金0°方向試樣在應(yīng)變速率2000 s-1時(shí)不同應(yīng)變量條件下的位錯(cuò)組織 當(dāng)應(yīng)變量為0.25時(shí)合金基體內(nèi)部的位錯(cuò)密度較低，以少量的位錯(cuò)線或者位錯(cuò)墻形式分布 當(dāng)應(yīng)變量為0.5時(shí)位錯(cuò)密度顯著提高，大量的位錯(cuò)相互纏結(jié) 當(dāng)應(yīng)變量為0.75時(shí)位錯(cuò)密集，出現(xiàn)明顯的位錯(cuò)塞積現(xiàn)象 在鋁合金的動(dòng)態(tài)變形過程中，隨著應(yīng)變量的增大位錯(cuò)滑移和位錯(cuò)之間的交互作用使位錯(cuò)密度不斷提高 同時(shí)，位錯(cuò)組織由相互纏結(jié)的形式向位錯(cuò)胞發(fā)生轉(zhuǎn)變，甚至形成細(xì)小的亞晶結(jié)構(gòu)



圖56013-T4鋁合金0°方向試樣在不同應(yīng)變量下的透射圖

Fig.5TEM images of 6013-T4 alloy 0° specimens under dynamic compression with different strains (a) 0.25, (b) 0.5, (c) 0.75

2.2 應(yīng)變速率敏感性

圖6給出了應(yīng)變量為0.05和0.1時(shí)，擠壓態(tài)6013-T4鋁合金在不同應(yīng)變速率條件下的真實(shí)應(yīng)力 由圖6可見，在高應(yīng)變速率沖擊變形過程中6013-T4鋁合金的真實(shí)應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的增加而增加，表現(xiàn)出明顯的正應(yīng)變速率敏感性，0°方向試樣的應(yīng)變速率敏感性最高，45°方向試樣最低



圖66013-T4鋁合金的應(yīng)變速率敏感性

Fig.6Strain rate sensitivity of 6013-T4 alloy under dynamic compression with different strains (a) strain=0.05, (b) strain=0.1

圖7給出了6013-T4鋁合金0°方向試樣經(jīng)高應(yīng)變速率壓縮相同應(yīng)變量后的位錯(cuò)組織形貌 圖7表明，隨著應(yīng)變速率的增加位錯(cuò)密度不斷增加 當(dāng)應(yīng)變速率為1000 s-1時(shí)晶粒組織中的位錯(cuò)密度較低，且分布不均勻 當(dāng)應(yīng)變速率為2000 s-1時(shí)晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)密度明顯增加，部分位錯(cuò)開始有序纏結(jié)形成位錯(cuò)墻 當(dāng)應(yīng)變速率達(dá)到3000 s-1時(shí)晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)密度顯著增加，位錯(cuò)分布趨于均勻，大量的位錯(cuò)堆積在基體內(nèi)部 高速壓縮變形過程中，材料的塑性變形使位錯(cuò)密度迅速增加 當(dāng)應(yīng)變速率較高時(shí)很短的變形時(shí)間使位錯(cuò)的移動(dòng)受到極大地的限制，從而出現(xiàn)大量的位錯(cuò)塞積 應(yīng)變速率與位錯(cuò)密度間的關(guān)系可用Orowan公式

(4)ε˙=ρbv



圖76013-T4鋁合金0°方向試樣不同應(yīng)變速率沖擊后的透射電鏡照片

Fig.7TEM images of 6013-T4 alloy 0° specimen compressed with different strain rates (a) 1000 s-1, (b) 2000 s-1, (c) 3000 s-1

描述[19] 式中，b為柏氏矢量，ρ為位錯(cuò)密度，ν為位錯(cuò)平均速率

由式4可以看出，應(yīng)變速率和位錯(cuò)密度之間呈正相關(guān)的關(guān)系，即應(yīng)變速率增加時(shí)位錯(cuò)密度也增加 材料的變形抗力增加引起材料的應(yīng)力增加，因此6013-T4鋁合金表現(xiàn)出正應(yīng)變速率敏感性

2.3 力學(xué)性能各向異性

圖8給出了6013-T4鋁合金在不同應(yīng)變速率特定應(yīng)變條件下的真實(shí)應(yīng)力 6013-T4鋁合金不同方向試樣在動(dòng)態(tài)沖擊條件下的應(yīng)力各不相同，說明擠壓態(tài)6013-T4鋁合金具有力學(xué)性能各向異性，其中0°方向試樣的應(yīng)力水平最高，45°最低



圖86013-T4鋁合金的力學(xué)性能各向異性

Fig.8Anisotropic mechanical properties of 6013-T4 aluminum alloy (a) strain=0.05; (b) strain=0.1

圖9給出了6013-T4鋁合金的初始顯微組織，可見擠壓后的材料由細(xì)長(zhǎng)纖維晶粒組成，表現(xiàn)出明顯的擠壓特征 從纖維組織的不同方向壓縮晶粒的細(xì)化機(jī)制不同，從而使沿不同加載方向的應(yīng)力不同[20] 在常溫下，當(dāng)纖維組織的拉長(zhǎng)方向與壓縮方向平行時(shí)鋁合金的強(qiáng)度最高，當(dāng)與纖維組織成45°時(shí)力學(xué)性能最差



圖96013-T4鋁合金的初始顯微組織

Fig.9Optical microstructure of extruded 6013-T4 aluminum alloy

圖10給出了擠壓態(tài)6013-T4鋁合金材料的織構(gòu)ODF圖 由圖10可見，主要的織構(gòu)組分為{112}<111>和{110}<111>織構(gòu)，是典型的鋁合金變形織構(gòu)，強(qiáng)度分別為17.9和18.5 可用Schmid因子描述擠壓織構(gòu)對(duì)材料力學(xué)性能的影響 在晶體產(chǎn)生塑性變形的過程中，不同滑移系的應(yīng)力達(dá)到一個(gè)臨界值，稱臨界剪切應(yīng)力 剪切應(yīng)力可表示為[21]

(5)τnd=σy=PAcos?cosλ



圖10擠壓態(tài)6013-T4鋁合金的ODF圖

Fig.10ODF of extruded 6013-T4 aluminum alloy

式中，A為加載力作用平面；P為加載力；?為加載方向和正交平面的夾角；λ為滑移方向和加載方向的夾角；σy為材料的屈服強(qiáng)度；施密特因子為

(6)M=cos?cosλ

根據(jù)對(duì)不同方向試樣的計(jì)算，{112}<111>織構(gòu)在0°、45°和90°方向的最大施密特因子分別為0.27，0.49和0.41 {110}<111>織構(gòu)在0°，45°和90°方向的最大施密特因子分別為0.27，0.43和0.41 施密特因子表征晶體滑移系開動(dòng)的難易程度 0°方向試樣的施密特因子總是最低，在該方向的硬取向最多，45°方向試樣的施密特因子總是最高，在該方向的軟取向較多 因此，0°方向試樣的強(qiáng)度最高，45°方向試樣的強(qiáng)度最低

圖11給出了當(dāng)應(yīng)變速率2000 s-1時(shí)不同方向的擠壓態(tài)6013-T4鋁合金試樣在相同應(yīng)變量條件下的透射組織形貌 0°、45°和90°試樣基體內(nèi)部的位錯(cuò)密度較高，出現(xiàn)了位錯(cuò)塞積，并形成了大量的位錯(cuò)墻 0°方向的位錯(cuò)密度更高，位錯(cuò)塞積的現(xiàn)象更明顯，位錯(cuò)相互纏結(jié)形成的位錯(cuò)墻也相對(duì)較多，應(yīng)變硬化效果更明顯，抵抗塑性變形的能力更強(qiáng) 45°和90°方向試樣基體內(nèi)部的位錯(cuò)密度比0°方向低，在宏觀性能上45°和90°方向試樣的力學(xué)性能較低



圖11擠壓態(tài)6013-T4鋁合金不同方向試樣高速?zèng)_擊后的透射電鏡照片

Fig.11TEM images of 6013-T4 alloy samples under dynamic impact with different directions (a) 0°; (b) 45°; (c) 90°

3 結(jié)論

(1) 擠壓態(tài)6013-T4鋁合金在高速?zèng)_擊變形過程中表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變硬化行為和正應(yīng)變速率敏感性，真實(shí)應(yīng)力隨著應(yīng)變和應(yīng)變速率的提高而增大 應(yīng)變量和應(yīng)變速率對(duì)位錯(cuò)組織有顯著的影響，位錯(cuò)密度隨著應(yīng)變和應(yīng)變速率的增大而提高，高應(yīng)變速率和大應(yīng)變量變形后試樣的位錯(cuò)塞積顯著

(2) 擠壓態(tài)6013-T4鋁合金在動(dòng)態(tài)載荷下的力學(xué)性能具有明顯的各向異性，0°方向試樣的應(yīng)力最高，90°方向試樣的應(yīng)力略高于45°方向試樣 合金的主要織構(gòu)類型為{112}<111>和{110}<111>，兩種織構(gòu)在0°，45°和90°方向試樣對(duì)應(yīng)的最大施密特因子分別為0.27，0.49，0.47和0.27，0.43，0.41 擠壓態(tài)6013-T4鋁合金在0°方向的施密特因子最小，在該方向硬取向較多，應(yīng)力較高 在相同應(yīng)變速率和應(yīng)變量條件下壓縮變形時(shí)0°方向的位錯(cuò)密度更高，位錯(cuò)纏結(jié)顯著

參考文獻(xiàn):