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(1. 湖南工學院 汽車零部件技術研究院， 湖南 衡陽 421002；2. 湖南工學院 機械工程學院， 湖南 衡陽 421002)

汽車在工業(yè)生產和日常生活中運用廣泛，為人類帶來便捷，同時，綠色環(huán)保和節(jié)能減排等問題也受到了更多的關注。輕量化是實現環(huán)保和節(jié)能的重要方法，采用輕質高強的輕量化材料來制造汽車零部件可有效實現汽車輕量化[1-3]。6082鋁合金強度中等，耐腐蝕性能和焊接性能優(yōu)異[4-5]，其主要的合金元素為Mg和Si，是一種可以通過熱處理進行強化的輕量化材料[6-7]。該類合金在常溫下的成形性能一般，通常會采用熱成形工藝改善材料成形能力。工業(yè)生產中采用鍛造、擠壓和軋制等熱加工工藝將鋁合金加工成各種結構件[8-9]，在航空航天、汽車和船舶等領域應用廣泛。

材料在發(fā)生熱變形時，其微觀組織會發(fā)生改變，最終影響零部件的性能。王家毅等[10]研究了鍛造工藝對6082鋁合金性能的影響及其強化機理，結果表明，動態(tài)回復是引發(fā)材料軟化的主要機制，同時還發(fā)現，基體中的位錯組織對析出相的演變有顯著影響。鄧鵬等[11]研究了擠壓態(tài)7N01鋁合金，發(fā)現晶粒沿著擠壓方向被拉長，并形成了形變織構，這種織構能夠有效地抵抗擠壓方向上的塑性變形。李旺珍等[12]發(fā)現不同軋制狀態(tài)的Al-Cu-Mg-Sc合金表現出不同的平面力學性能各向異性，合金在軋制過程中形成的第二相和織構是導致其各向異性的主要原因。材料熱變形過程中的變形溫度、變形量和應變速率等決定了高溫下鋁合金材料的熱變形行為和微觀組織。

對于需求量較大的鋁合金板材而言，通常會采用熱軋或者熱擠壓的方法成形，材料在熱加工的過程中，如果熱加工工藝參數設置不合理，可能會造成開裂和晶粒粗大等現象[13]。因此，有必要對該材料在高溫條件下的壓縮變形行為和微觀組織演變進行研究。本文采用熱模擬試驗機測試了軋制態(tài)6082-T6態(tài)鋁合金在100～400 ℃條件下的壓縮力學性能，借助光學顯微鏡和透射電鏡對合金的微觀組織演變進行了探索，分析了合金微觀組織特征和變形機理，以期為6082鋁合金熱加工工藝參數的選擇和制定提供依據。

1 試驗材料與方法

本研究采用的材料為6082-T6態(tài)鋁合金軋制板材，板厚為10 mm，其化學成分(質量分數，%)為0.93Si、0.2Fe、0.08Cu、0.47Mn、0.72Mg、0.1Cr、0.02Zn、0.07Ti，其余為Al。如圖1所示(RD為軋向，TD為橫向)，采用線切割沿與軋制方向成0°、45°和90°方向制備直徑φ8 mm，高度12 mm的圓柱體試樣。在Gleeble 3500熱模擬試驗機上對軋制態(tài)6082鋁合金進行熱壓縮試驗，升溫速率10 ℃/s，保溫時間5 min，總壓縮應變量為75%。熱壓縮變形溫度分別為100、200、300和400 ℃，應變速率為0.01 s-1。每次壓縮試驗結束后立即將試樣進行水淬以保存高溫變形組織。

圖1 試樣制備方向示意圖Fig.1 Schematic diagram of specimen preparation directions

金相試樣經鑲樣、粗磨、細磨、機械拋光和陽極覆膜后，采用AX10 Zeiss型光學顯微鏡觀察顯微組織。由圖2(a)可見，軋制后的鋁合金板材中，晶粒沿著軋制方向被拉長，呈典型的纖維狀晶粒。在熱壓縮變形前后試樣上截取厚度0.1 mm的薄片，機械減薄至70 μm，然后沖出直徑φ3 mm的圓片，采用丙酮清洗圓片，通過MTP-I型電解減薄儀雙噴減薄，雙噴液為30% HNO3+70% CH3OH溶液(體積分數)，工作電壓為20 V，溫度為-30～-20 ℃。利用Tecnai G2 F20型透射電鏡進行組織觀察，加速電壓為200 kV。圖2(b)為軋制態(tài)6082-T6鋁合金的TEM組織，可知在鋁合金基體中均勻分布著針狀的析出相，6082鋁合金可以通過時效處理進行強化，其強度的高低主要取決于基體內析出強化相的尺寸、分布及數量[14]。

圖2 軋制態(tài)6082-T6鋁合金的顯微組織 Fig.2 Microstructure of the as-rolled 6082-T6 aluminum alloy(a) OM; (b) TEM

2 試驗結果和討論

2.1 力學性能

圖3為與軋向呈不同角度的6082-T6鋁合金試樣在應變速率0.01 s-1和變形溫度100～400 ℃條件下壓縮后的真應力-真應變曲線。變形初期，合金的應力迅速升高，鋁合金是高層錯能金屬材料，隨著壓縮的進行，晶粒內部的位錯密度不斷提高，并發(fā)生相互作用，金屬內部位錯的交滑移會導致材料軟化，但是形變引起的硬化作用占主導地位，因此，材料表現為流變應力迅速提高，并達到峰值[15]。隨著應變量增加，應力水平有所下降，這是由于晶內變形儲存能越來越多，合金內位錯的攀移、交滑移互相作用加強，位錯密度逐漸降低，軟化作用高于應變硬化。隨著應變量的繼續(xù)增加，合金的流變應力基本保持水平狀態(tài)。

圖3 與軋向呈不同角度的軋制態(tài)6082-T6鋁合金在不同溫度熱壓縮后的真應力-真應變曲線Fig.3 True stress-true strain curves of the as-rolled 6082-T6 aluminum alloy at different angles to rolling direction after hot compressing at different temperatures(a) 0°; (b) 45°; (c) 90°

圖4為軋制態(tài)6082-T6鋁合金熱壓縮試驗的峰值應力與變形溫度和與軋制方向間的角度之間的關系曲線。由圖4可知，當取樣方向一定時，峰值應力隨變形溫度升高而降低，這是由于變形溫度的升高會加快原子的移動速度和材料的動態(tài)軟化行為。當壓縮溫度恒定時，在較低的變形溫度下，材料的力學性能各向異性明顯，0°和90°試樣的應力水平相差不大，45°試樣的應力相對較低，但是，隨著變形溫度的升高，材料的力學性能各向異性減弱，在高溫變形條件下，滑移系更容易開啟，合金的各向異性減弱。

圖5 經不同溫度熱壓縮后與軋向呈不同角度的軋制態(tài)6082-T6鋁合金的顯微組織Fig.5 Miorostructure of the as-rolled 6082-T6 aluminum alloy at different angles to rolling direction after hot compressing at different temperatures(a,b) 0°; (c,d) 45°; (e,f) 90°; (a,c,e) 100 ℃; (b,d,f) 400 ℃

圖4 軋制態(tài)6082-T6鋁合金的力學性能各向異性和溫度敏感性Fig.4 Anisotropy and temperature sensitivity of mechanical properties of the as-rolled 6082-T6 aluminum alloy

2.2 微觀組織分析

圖5為與軋制方向呈0°、45°和90°的軋制態(tài)6082-T6鋁合金試樣在100 ℃和400 ℃熱壓縮后的顯微組織。由圖5(a，b)可知，0°方向試樣在高溫壓縮條件下，保持著初始的纖維狀晶粒組織，但是在壓縮過程中，晶粒沿著剪切力方向發(fā)生了扭曲。由圖5(c，d)可知，45°方向的試樣，其晶粒組織保持纖維狀。在變形過程中，晶粒組織在應力的作用下，發(fā)生了一定程度的扭曲。由圖5(e，f)可知，90°方向試樣中晶粒比較細小，但是同樣有一定程度的晶粒扭曲現象。同時綜合對比發(fā)現，3個方向的試樣在100 ℃和400 ℃熱壓縮后晶粒組織的形態(tài)差別不大，說明合金在測試溫度范圍內，均以變形回復組織為主，并未發(fā)生明顯的再結晶。

圖6為與軋制方向呈0°軋制態(tài)6082-T6鋁合金試樣經不同溫度熱壓縮后的TEM照片。由圖6(a)可知，當壓縮溫度為100 ℃時，位錯之間發(fā)生纏結，位錯密度高。在較低溫度下變形時，位錯的運動能力較低，基體內部以動態(tài)回復為主，因此在較低溫度條件下變形的合金中位錯密度較高，但由于變形溫度較低，動態(tài)再結晶難以啟動。當熱變形溫度為200 ℃時(見圖6(b))，此時基體內部依然保持較高密度的位錯，但是位錯密度相對100 ℃條件下明顯下降。如圖6(c)所示，當變形溫度為300 ℃時，在基體中沒有發(fā)現明顯的位錯纏結。而當變形溫度升高到400 ℃時，位錯密度較低，基體中分布著大尺寸的析出相，或彌散分布在晶粒內，或排列在晶界處。當壓縮溫度較高時，原子的擴散運動能力增強，位錯的攀移和交滑移充分進行，發(fā)生大量的位錯湮滅和異號位錯抵消，在動態(tài)回復的作用下，位錯密度顯著降低，加工硬化作用和動態(tài)軟化機制達到動態(tài)平衡，材料的流變應力趨于穩(wěn)定[16]。此外，在高溫變形條件下，合金內部發(fā)現有粗化的析出相，這也是導致合金發(fā)生動態(tài)軟化的原因之一。

圖6 經不同溫度熱壓縮后與軋向呈0°軋制態(tài)6082-T6鋁合金試樣的TEM照片Fig.6 TEM images of the as-rolled 6082-T6 aluminum alloy specimen at 0° to rolling direction hot compressed at different temperatures(a) 100 ℃; (b) 200 ℃; (c) 300 ℃; (d) 400 ℃

3 結論

1) 軋制態(tài)6082-T6鋁合金表現出明顯的力學性能各向異性和溫度敏感性，即當變形溫度一定時，與軋向呈0°和90°方向的試樣強度最高，與軋向呈45°方向的試樣強度相對較低，隨著變形溫度的升高，材料的力學性能各向異性減弱。對于同一方向試樣，隨著變形溫度的升高，合金的強度下降。

2) 經過熱壓縮變形后，與軋向呈不同方向的軋制態(tài)6082-T6鋁合金的晶粒組織均沿著剪切力方向發(fā)生扭曲，但是變形溫度對晶粒組織的演變影響不大。隨著變形溫度的升高，基體內的位錯密度明顯下降，出現析出相粗化現象。