Mn元素对不同淬火工艺下Al-Mg-Si合金组织与力学性能的影响.pdf

Material Sciences 材料科学材料科学,2023,13(5),393-400 Published Online May 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/ms https:/doi.org/10.12677/ms.2023.135044 文章引用文章引用:王宇,周礼,卫亮,康巍,陈晶晶.Mn元素对不同淬火工艺下Al-Mg-Si合金组织与力学性能的影响J.材料科学,2023,13(5):393-400.DOI:10.12677/ms.2023.135044 Mn元素对不同淬火工艺下元素对不同淬火工艺下Al-Mg-Si合金组织与合金组织与力学性能的影响力学性能的影响 王王 宇宇1,2*，周周 礼礼1,2，卫，卫 亮亮1,2，康康 巍巍1,2，陈晶晶陈晶晶1,2 1重载快捷大功率电力机车全国重点实验室，湖南 株洲 2中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 收稿日期：2023年3月21日；录用日期：2023年5月18日；发布日期：2023年5月25日 摘摘 要要 本文采用拉伸性能、光学金相、扫描电镜及透射电镜等手段研究了本文采用拉伸性能、光学金相、扫描电镜及透射电镜等手段研究了Mn元素对不同淬火工艺下元素对不同淬火工艺下Al-Mg-Si合金组织性能的影响。结果表明，合金组织性能的影响。结果表明，Mn元素的添加细化了基体晶粒和第二相粒子尺寸，提高了合金断后伸元素的添加细化了基体晶粒和第二相粒子尺寸，提高了合金断后伸长率；然而，微量长率；然而，微量Mn元素使得淬火冷却速率对合金性能的影响更为显著。在水冷淬火条件下，元素使得淬火冷却速率对合金性能的影响更为显著。在水冷淬火条件下，0.3%Mn合金屈服强度较合金屈服强度较0 Mn合金强度提高约合金强度提高约17%，而在风冷条件下反而比，而在风冷条件下反而比0 Mn合金低。结合淬火态试样的透合金低。结合淬火态试样的透射电镜显微组织揭示了其作用机理。本文的研究结果可为射电镜显微组织揭示了其作用机理。本文的研究结果可为Al-Mg-Si挤压材的工业生产提供有益参考。挤压材的工业生产提供有益参考。关键词关键词 Al-Mg-Si合合金，淬火工艺，金，淬火工艺，Mn元素添加，淬火速率，析出相元素添加，淬火速率，析出相 Effects of Mn Addition on the Microstructures and Mechanical Property of Al-Mg-Si Alloy with Different Quenching Process Yu Wang1,2*,Li Zhou1,2,Liang Wei1,2,Wei Kang1,2,Jingjing Chen1,2 1The State Key Laboratory of Heavy-Duty and Express High-Power Electric Locomotive,Zhuzhou Hunan 2CRRC Zhuzhou Electric Locomotive Co.,Ltd.,Zhuzhou Hunan Received:Mar.21st,2023;accepted:May 18th,2023;published:May 25th,2023 *通讯作者。王宇 等 DOI:10.12677/ms.2023.135044 394 材料科学 Abstract Tensile test,optical metallography(OM),scanning electron microscope(SEM)and transmission electron microscope(TEM)were conducted to study the effects of Mn addition on the microstruc-tures and mechanical properties of Al-Mg-Si alloy with different quenching processes.It was found that the size of the matrix grain and the secondary particles were refined attributed to a trace of Mn addition,thus,the elongation of the alloys was increased.However,the Mn addition signifi-cantly increased the effect of quenching cooling rate on the alloys strength.On the water quench-ing condition,the yield strength of 0.3%Mn alloy was increased by approximately 17%,when compared with the 0 Mn alloy.But on the air quenching condition,its yield strength was lower than the 0 Mn alloy.The mechanisms of these phenomena were revealed by TEM observations on the samples in quenching temper.The results of this paper may provide favorable guidance for industrial production of Al-Mg-Si extrusions.Keywords Al-Mg-Si Alloys,Quenching Process,Mn Addition,Quenching Rate,Precipitates Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 Al-Mg-Si 合金由于其优异的成形性能和较低的生产成本，广泛应用于与国民经济高度相关的众多领域。在 Al-Mg-Si 合金挤压材生产中，不仅需要使挤压材达到较高的尺寸精度，而且还需要采用合适的工艺以保证挤压材所需综合性能1 2 3 4。目前，在保证挤压材尺寸精度方面，生产中取得了丰富的实践经验。例如在挤压材在线淬火过程中，采用冷却速率相对较小的风冷或水雾冷却，可显著减少合金淬火应力引起的变形。在挤压材性能调控方面，除主合金元素外，优化微合金化元素以调控综合性能的基本理论已较为完善。例如，大量文献表明5 6 7，在 Al-Mg-Si 合金中添加适量 Mn 元素5 6，可显著细化晶粒尺寸和结晶相尺寸7，同时改善其强度与韧性。然而，Mn 元素添加对 Al-Mg-Si 合金性能的限制作用鲜见文献报道。前期在实际生产过程中发现，当采用冷却速率较低的淬火工艺处理 Al-Mg-Si 合金挤压材时，发现添加 Mn 元素的合金其强度反而不如未添加 Mn 元素的合金。本文针对这一问题，设计了不同 Mn 元素添加量和不同淬火工艺试验，采用光学金相、扫描电镜及透射电镜研究了 Mn 元素对不同淬火工艺下 Al-Mg-Si合金组织性能的影响，揭示了 Mn 元素不影响同淬火工艺下对 Al-Mg-Si 合金性能的作用机理。本文的研究结果可为 Al-Mg-Si 合金挤压材成分与工艺的适配调控提供有益参考。2.试验材料与方法试验材料与方法 本文所用试验合金分别为 2 种不同成分的 Al-Mg-Si 合金，其中一种不添加 Mn 元素，另一种添加约0.31%wt Mn。其化学成分如表 1 所示。均匀化后的试验铸锭加热至 510后，上机以 5 m/min 的速度进行挤压，挤压比约为 23，挤压出口温度控制在 530535范围内。挤压成 4 mm 厚的型材后，在线分Open AccessOpen Access王宇 等 DOI:10.12677/ms.2023.135044 395 材料科学 别进行风冷(Air quenching,AQ)和水冷(Water quenching,WQ)淬火冷却到室温，其冷却速度分别相当于6/s、200/s。2 种材料均以风冷和水冷淬火 2 种方式进行淬火，获得 4 种不同淬火工艺和不同 Mn 元素添加量的挤压型材，相应工艺如表 2 所示。淬火后，将所有挤压材置于时效炉内进行人工时效，时效温度为 182，保温时间 016 h。Table 1.Chemical compositions of the experimental alloys 表表 1.试验材料的化学成分 材料材料 Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti 0 Mn 0.56 0.15 0.001 0.002 0.61 0.01 0.02 0.04 0.31 Mn 0.55 0.16 0.001 0.310 0.62 0.01 0.020 0.04 Table 2.Process of the experimental alloys 表表 2.试验材料的处理工艺 编号编号 材料材料 挤压工艺挤压工艺 出口温度出口温度 淬火工艺淬火工艺 时效工艺时效工艺 0 Mn/AQ 0 Mn 温度：510 速度：5 m/min 挤压比：23 530535 风冷 182，016 h 0 Mn/WQ 0 Mn 水冷 0.3 Mn/AQ 0.3 Mn 风冷 0.3 Mn/WQ 0.3 Mn 水冷 时效硬化曲线在时效过程中按一定时间间隔取样，测试硬度后绘制相应的时效硬化曲线。硬度测试在华银 HV-3 硬度计上进行，加载力约为 30 kgf，保荷时间约为 15 s；根据时效硬化曲线的结果，分别在各合金的时效峰值处取样进行力学性能和微观组织检测分析。拉伸力学性能在万能电子试验机上进行，试样标距为 50 mm，拉伸试验速率约为 2 mm/min，试验过程中采用引伸计测定材料在 0.2%塑性变形时的拉伸应力，作为材料的屈服强度，试样拉断后，测定材料的断后伸长率。所有试验结果均取 3 个试样的平均值。金相试样经打磨抛光后，采用氟硼酸溶液进行阳极覆膜，其电压为 20 V，处理时间约为 45 s。随后置于 Olymbas 光学显微镜下采用偏光模式分别观察试样的金相显微组织。扫描电镜显微组织试样在 Zesis M10 扫描电镜上观察，其加速电压约为 12 KV；透射电镜显微组织在 FEINICAL F20 透射电镜上进行，加速电压约为 120 KV，其试样为经电解双喷减薄后的薄膜试样，双喷电解液为体积比 3:7 的硝酸甲醇溶液。3.研究结果研究结果 3.1.时效硬化现象时效硬化现象 图 1 为不同试样在 182下保温 016 h 的人工时效硬化曲线。从图中可见，所有试样均表现出显著的时效硬化现象，但其硬化速率、峰值硬度等方面可见明显差异。从淬火态试样(0 h)来看，风冷淬火试样硬度较水冷试样高，其中 0.3 Mn/AQ 试样硬度最高，而采用水冷的 0.3 Mn/WQ 试样硬度最低；随着时效的进行，所有试样均表现出较高的硬化速率，其中 0.3 Mn/WQ 试样硬化速率显著高于其他试样，其硬度峰值最高，约为 101 HV；值得注意的是，虽然添加 Mn 元素的 0.3 Mn/AQ，其淬火态试样硬度较高，但其峰值硬度反而较未添加 Mn 元素的 0 Mn/AQ 试样低。此外，添加 Mn 元素的试样时效峰值时间稍短于未添加 Mn 元素的试样。王宇 等 DOI:10.12677/ms.2023.135044 396 材料科学