随着交通运输工具的增加,CO2排放量不断增大,推动了高强轻质铝合金在汽车上的发展应用。这类材料面临的一个主要挑战是成形性和强度之间的权衡。Al-Mg合金(5XXX系)由于其高的均匀延伸率和加工过程中的应变硬化性,在严重变形部件中得到广泛应用。在5XXX铝合金中添加合金元素是常用的提升强度方法,已有研究表明添加Cu和Zn能够产生有益的影响,预变形也被证实对铝合金有一定增强,但是还缺乏硬化过程中力学行为演化的研究。
奥地利里奥本大学等单位的研究人员主要针对Al-Mg-Zn合金,提出了一种新的能够在工业生产实现的热机械加工工艺,包括短期预时效(100℃×3h)及预变形处理(2%),达到了迄今为止最大的硬化提升(184MPa),强度达到410MPa。相关论文以题为“Giant hardening response in AlMgZn(Cu) alloys”发表在金属材料顶级期刊Acta Materialia。更多精彩专业视频,请关注抖音账号:材料科学网。
论文链接:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.116617
本研究使用的基础铝合金为ENAW-5182,添加Zn和Zn+Cu(以下简称为5182-Zn和5182-ZnCu),通过真空感应熔炼、均匀化处理(470℃×24h)、热轧和冷轧。经过固溶(465℃×35min)+预时效(100℃×3h)称为TMT1;经过固溶+预时效+预变形(2%)称为TMT2,烤漆硬化统一为185℃×20min。
研究发现TMT1处理下5182-Zn的强度提升仅47MPa,而5182-ZnCu的屈服强度提高了127MPa,表明了Cu的有益作用。TMT2条件下,5182-Zn和5182-ZnCu强度分别提高了178MPa和184MPa。5182-ZnCu的析出相(GPⅠ区)尺寸较小,且分布密度比5182-Zn高约5倍,说明了Cu对析出相形成和长大的有利影响。
图1 不同成分不同预处理后的应力应变曲线(a) ENAW-5182-O;(b)5182-Zn;(c) 5182-ZnCu
图2 Mn、Cr、Fe、Cu在(a) 5182-Zn和(b) 5182-ZnCu中的分布
图3 5182-Zn在(a) PA;(b) TMT1;(c) TMT2条件下的APT、BF-TEM图、沿铝基体(001)轴获取的DPs、元素分布图
图4 5182-ZnCu在(a) PA;(b) TMT1;(c) TMT2条件下的APT、BF-TEM图、沿铝基体(001)轴获取的DPs、元素分布图
图5 (a) 5182-Zn和(b) 5182-ZnCu在PS条件下的BF-TEM图像
预时效后进行预变形(2%),在烤漆过程中强度被进一步提高,本文中提高184MPa的5182-ZnCu和提高178MPa的5182-Zn强度超过其他现有报道的提升,强度提升的同时两种合金均保持了足够的延伸率和淬透性。预变形通过位错辅助溶质迁移增强了两种合金中析出相的生成,促进了5182-ZnCu中Cu元素的富集,增加了5182-Zn中析出相的密度。
图6 用BF-STEM探测器对预时效和预变形5182-ZnCu的显微组织特征进行原位凝固热处理(a) 位错湮没;(b)位错辅助析出相生成;(c) 析出相生长合并
在本研究中,提出了新的热机械加工路线,应用在Al-Mg-Zn(Cu)中充分解决了长期的高强度和良好成形性之间的权衡,取得了令人满意的平衡。该加工方法条件简单,符合工业能力范围,可以充分发挥该加工方法发掘汽车薄板的性能潜力。本文提出的方法将扩大铝合金在汽车领域的应用,可有助于改善未来汽车车辆的可回收性。
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标签: Acta Materialia, 金属顶刊, 铝合金
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