由於6xxx鋁合金具有良好的比強度、耐腐蝕性，因此它是汽車行業中最常用的鋁合金。然而，由於工業化發展對材料機械性能和外形複雜程度的需求越來越高，需要一系列具有更強加工性能的新型高性能合金。目前高強度6xxx系鋁合金中含有大量的鎂(Mg)、矽(Si)以及銅(Cu)、錳(Mn)和鉻(Cr)。這些元素在提高合金室溫強度的同時，也顯著提高了變形抗力，從而限制了擠壓或熱軋等製造工藝允許的工藝參數範圍。
近階段，鈧(Sc)能夠有效替代傳統鋁合金強化元素。Sc的能夠形成細小的Al3Sc彌散相，提高合金強度並為其他強化相提供形核質點。此外，當Sc與Zr共存時，能夠形成Al3(Sc,Zr)彌散相，在高溫熱加工中提供穩定性。在鋁合金熱變形過程中，合金成分和變形條件決定了組織演變的多種機制。儘管觀察到Sc彌散相在擠壓和軋制等過程中起到抑制再結晶的作用，但其在高溫下對組織演變以及後續的變形行為的影響尚不明確。
澳大利亞迪肯大學的研究人員研究了含Sc和Zr、Mn和Cr的兩種鋁鎂矽合金在不同變形溫度和應變速率下的熱壓縮行為。相關論文以題為「Effect of Al3(Sc,Zr) dispersoids on the hot deformation behaviour of 6xxx-series alloys: A physically based constitutive model」發表在Materials Science &Engineering A。
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https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139873
本研究設計兩種Al-Mg-Si合金，一種為6005A合金（Al-0.47Mg-0.54Si-0.11Fe-0.09Mn-0.05Cr），另一種添加了Sc和Zr取代了合金中的Mn和Cr（Al-0.45Mg-0.57Si-0.11Fe-0.05Sc-0.10Zr）。為了獲得較多的彌散相，在熱加工前進行了575℃×5h固溶，後300℃×3h和450℃×3h熱處理以獲得Al3(Sc,Zr)彌散相，最後進行500℃×0.5h（水淬）。
研究利用雙曲方程計算了不同合金在變形條件範圍內的熱壓縮應力-應變數據，得到了合金的熱變形激活能和材料常數。與Al-Mg-Si-Mn-Cr合金(177.2 kJ/mol)相比，Al-Mg-Si-Sc-Zr合金的熱變形激活能(202.4 kJ/mol)更高。Al-Mg-Si-Sc-Zr合金激活能的增加是由於Al3(Sc,Zr)彌散相強化作用的增強。建立的本構方程能夠較準確地預測合金熱加工的流動應力。
圖1 (a) Al-Mg-Si-Mn-Cr和(b) Al-Mg-Si-Sc-Zr合金經熱處理後的顯微組織
圖2 Al-Mg-Si-Mn-Cr合金熱壓縮變形真應力-應變曲線(a) 683K, (b) 718 K, (c) 753 K, (d) 788 K, (e) 823 K
研究發現，平均取向差角隨溫度的增加和應變速率的減小而增大。隨著變形溫度的升高，位錯的流動性增強，促進其聚結和多角化，從而導致動態回復（DRV）的速率和水平增加。應變速率的降低也是如此，當應變速率降低時，允許亞晶粒結合的時間增長，從而使DRV增加。增加的DRV使更多的位錯結合，進而促進亞晶粒旋轉，導致觀察到的平均取向差角增加。此外，在一定變形條件下，含Sc和Zr合金的平均取向差角和亞晶粒尺寸較Al-Mg-Si-Mn-Cr合金降低，說明Al3(Sc,Zr)彌散相對位錯運動和亞晶粒旋轉起到了阻礙作用，進一步阻礙了DRV。
圖3 Al-Mg-Si-Sc-Zr合金熱壓縮變形真應力-應變曲線(a)683 K, (b) 718 K, (c) 753 K, (d) 788 K, (e) 823 K
圖4 Al-Mg-Si-Mn-Cr和Al-Mg-Si-Sc-Zr合金在不同變形條件下的取向圖。
綜上所述，本文研究了Sc、Zr元素在鋁合金熱變形時的影響機制。通過熱壓縮試驗建立了本構方程，得到了變形激活能和材料常數，探討了Al3(Sc,Zr)彌散析出相對流動應力及軟化機制的影響。本研究為Sc、Zr元素在鋁合金中的應用提供了理論基礎。（文：破風）