重庆大学《MSEA》：Mg和Si含量对Al-Mg-Si合金组织性能影响

Al-Mg-Si合金板材具有密度低、耐蚀性好以及可回收性等优点，广泛应用于新能源汽车的车身板材料。但是，与钢相比，铝合金的成形性相对较差，尤其是在180°翻边成形过程中容易出现开裂。影响Al-Mg-Si合金的弯曲性能因素有：1）织构；2）含Fe相的形貌、尺寸和数量；3）再结晶晶粒尺寸；4）晶界析出相。板材的再结晶织构、析出相、晶粒尺寸与合金成分以及热加工工艺密切相关。目前，关于Al-Mg-Si合金板材的弯曲性能研究的不多，尤其是合金成分以及热加工工艺对翻边性能的影响。

重庆大学、中铝科学院和加拿大英属哥伦比亚大学等单位的研究人员设计了四组不同Mg/Si比的Al-Mg-Si合金，探讨了Mg和Si元素含量对合金板材微观组织、织构和弯曲性能的影响，通过SEM、TEM、EBSD和XRD等手段分析了铸态、均匀化处理、热轧和冷轧以及固溶处理后合金中析出相、织构的演变。通过VPSC模拟了Al-Mg-Si合金板材的应力应变行为以及塑性应变比r值，讨论了板材在180°弯曲过程中的断裂机理。相关论文以题为“The effect of Mg and Si content on the microstructure, texture and bendability of Al-Mg-Si alloys”发表在Materials Science & Engineering A。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141199

作者首先利用ThermoCalc软件计算了四组不同成分合金的平衡态析出相，通过SEM+EDS验证了Al-Mg-Si合金在铸态下含有5中析出相：Al₅Cu₂Mg₈Si₆相 (Q相)、Mg₂Si(β相)、α-Al(FeMn)Si相、β-AlFeSi相、Si相。

图1合金的背散射SEM图以及元素面扫描分布图

Al-Mg-Si合金铸锭经过一系列的热机械加工（均匀化处理、热轧、冷轧），最终制备成1mm厚的板材。冷轧态的Al-Mg-Si合金板材由微米尺寸级的含Fe相和M_g2Si相（图2）、纳米尺寸级的弥散相（图3）组成，这些析出相会影响下一步固溶处理的再结晶行为。

经过固溶处理后，Al-Mg-Si合金板材出现了明显的再结晶行为，如图4所示，通过左下角的极图可以看出，织构的主要类型为Cube。通过XRD进一步分析织构种类的含量，如图5所示，织构主要由Cube、Goss、Cube-_ND、Cube-_RD和P组成，通过统计发现，约超过60%的晶粒是随机取向，证明再结晶是有PSN机制主导。文中通过计算进一步分析了不同合金织构密度差异的原因。

通过VPSC模拟计算了四组合金板材在T4P态下的应力应变行为，以及r值。对比结果显示，模拟数据与实验数据可以很好地吻合。文中还得出了适用于Al-Mg-Si合金板材的模拟参数。

在180°弯曲过程中，板材的外表面经受了剧烈的塑性变形，塑性变形一般都超过60 %。在传统的单向拉伸试验中，由于有necking现象的出现，测试得到的延伸率一般都在30%以下。作者通过对断裂面的观测计算，得到了材料的实际断裂应变，如图7所示。此外，作者采用Datsko and Yang模型，建立了断裂应变与翻边因子（r/t比）的关系。

通过SEM观察Al-Mg-Si合金板材经过180°弯曲后的ND × RD面和TD × RD面，可以看出在弯曲过程中，横截面出现了明显的45°剪切带，随后断裂沿着剪切带的方向，由外层至内层扩展。局部放大图可以看出，在白色含Fe相的附近，出现了微裂纹的起源。裂纹的扩展路径：一种类型是沿着剪切带扩展；另一种是沿着颗粒附近微裂纹的合并成长。从弯曲的断面可以看出明显的韧窝，证明Al-Mg-Si合金板材在T4P态下的断裂类型为穿晶断裂，这与之前部分论文报道的沿晶断裂结果不符。作者推测，在本论文中，由于淬火过程中冷却速度较快，来不及形成晶界析出相，所有最终的断裂类型为塑性的穿晶断裂。

 

总结：本研究系统地探讨了不同Mg和Si含量Al-Mg-Si合金板材的微观组织和弯曲性能，分析了合金在热加工过程中微观组织的演变，讨论了合金板材在弯曲过程中的塑性变形、裂纹的起源与扩散。本文为设计高性能的汽车用Al-Mg-Si合金板材提供了理论基础。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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