等通道转角挤压6000系铝合金的时效特性、微观结构及其强韧性

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6000系铝合金广泛的用于飞机,船舶,汽车工业。它拥有良好的可成形性,焊接性和耐腐蚀性。大塑性变形(SPD)技术被广泛用来获得极细晶(UFG),它可以显著改善6000系铝合金力学性能。在SPD技术中,等通道转角挤压技术(ECAP)是制造块状超细晶材料最有前景的方法。时效析出是铝合金强化机制中最有效的方式之一,所以,对超细晶6000系铝合金的时效析出行为、微观结构以及力学性能的研究具有重要的意义。  本文选用差示扫描量热法(DSC)、拉伸试验、导电率试验、X射线衍射(XRD)、金相分析、透射电子显微镜(TEM)及高分辨透镜(HRTEM)等表征方法,分析并研究了等通道转角挤压大塑性变形对6013和6061铝合金时效析出行为、微观结构和力学性能的影响,所得结果总结如下:  (1)用DSC结合J-M-A方法对比研究了6013 Al-Mg-Si-Cu铝合金固溶态、静态时效和ECAP动态时效过程中的时效析出行为和激活能。结果表明,合金在室温、110、170、191和300℃下ECAP下均发生了β"或β的动态时效析出;动态时效ECAP合金由于具有更小的晶粒尺寸和更高的位错密度,其β"和β的激活能高于固溶态对应的激活能;利用DSC分析可以预测6000系铝合金在ECAP过程中的动态时效析出程度及析出相种类。  (2) XRD和TEM分析均表明,ECAP变形明显细化了6000系铝合金的晶粒尺寸,TEM测得的6013和6061铝合金170℃下4道次ECAP后的平均晶粒尺寸分别为239nm和245nm,均已达到小于1000nm的超细晶级。  (3) ECAP变形后,6000系铝合金的位错密度明显提高,XRD测得ECAP合金的平均位错密度达1014 m-2,HRTEM测得的6013合金ECAP后的局部位错密度高达1017 m-2,表明经过ECAP后,合金中的位错密度很不均匀。  (4) TEM分析表明,在ECAP变形后的6000系铝合金中,存在大量沿Al基体<100>Al方向析出的4 nm大小的β"析出相,这些析出相往往与位错同时存在,证实了DSC有关6000系铝合金在ECAP过程中存在动态时效析出的结论。  (5) HRTEM观察表明,在6061铝合金预时效+110℃下4道次ECAP后的试样中,存在局部高密度的层错,局部层错密度高达1017 m-2,层错的宽度在4-10 nm之间。  (6)导电率测试结果表明,ECAP试样导电率明显高于固溶态合金的导电率,其中191℃下ECAP6061合金的导电率最高,为43.6%IACS。由于在ECAP变形过程中已经产生了动态时效析出,降低了基体中溶质原子的浓度及其对电子散射的阻碍作用,从而其导电率高于固溶态合金的导电率。  (7)根据XRD测得的微观结构参数,定量分析了6000系铝合金ECAP后不同强化机制对强度的贡献。结果表明,时效析出相强化是合金中最重要的强化机制。110℃ ECAP后的6061试样中,细晶强化贡献了119 MPa的强度,占28%;位错强化贡献了30 MPa的强度,占7.1%;时效析出相强化贡献了256MPa的强度,占60.2%。  (8)力学性能研究结果表明,ECAP工艺与适当的时效工艺相结合能够大大提高6000系铝合金的力学性能。与固溶态的力学性能相比较,6013 ECAP合金的的抗拉强度提高了0.4~1.2倍,从213MPa提升到303~459MPa;屈服强度提高了1~3倍,由102MPa提升至208~433MPa。  (9)通过ECAP工艺与适当的时效工艺相结合,制备出了几种高强度和高韧性兼备的超细晶6000系Al-Mg-Si-(Cu)铝合金,其中,6013室温ECAP后的性能最好,其抗拉强度、屈服强度和均匀伸长率分别为459MPa、433MPa和12%。细小的β"析出相和位错的交互作用,是ECAP后合金的强度、加工硬化能力和韧性同步提高的主要原因。
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