中间处理对Al-Mg-Si合金轧制板材显微组织及力学性能的影响

申报人：卢秦泓申报日期：2024-06-04

基本情况

所属批次:

2024年批次

项目名称:

中间处理对Al-Mg-Si合金轧制板材显微组织及力学性能的影响学生申报

项目类型:

创新训练项目

所属学科门类:

工学

所属专业类:

材料类

项目来源名称:

学生承担社会企业委托项目选题

项目归属学院:

项目期限:

一年期

项目简介:

Al-Mg-Si合金具有比强度高、耐腐蚀性好和成本低等优点，广泛应用于新能源汽车车体结构件，常规中间处理可提升合金的强度但降低了塑性。项目引入新型固溶中间处理方法，利用高温下优异的原子扩散和重组能力，通过优化固溶处理工艺获得细小等轴再结晶组织，实现强度和塑性的共同提高。同时借助EBSD和HRTEM技术分析中间处理方法对晶界结构、位错密度和析出相形态的影响，揭示相关强化机理。项目可对铝合金型材生产实践提供理论依据和科学指导。

负责人曾经参与科研的情况:

参与指导老师广西科技厅科研项目“高速列车车体用6A82铝合金停放效应及其耐蚀性研究”，协助开展合金显微组织样品制备及观察工作。

指导教师承担科研课题情况:

1. 广西科技计划项目，高速列车车体用6A82铝合金停放效应及其耐蚀性研究，2022.1-2024.12

2. 国家自然科学基金，混合晶界抑制铝镁钪锆合金剪切变形提高合金轧制板材退火组织均匀性研究，2023.01-2026.12

指导教师对本项目的支持情况:

指导教师研究方向为高性能Al-Mg-Si合金的微观组织与性能调控研究，熟练掌握了合金微观结构特性和组织演变规律，知悉工艺-组织-性能之间的关系，在合金变形、热处理工艺优化及微观结构表征方面也取得系列研究成果，迄今已在Mater. Des., Mater. Charact., J. Alloys Compd.等高水平期刊发表多篇学术论文，这些为本项目工作的顺利开展奠定了实验和理论基础。

项目级别:

国家级

项目成员

序号	学生	所属学院	专业	年级	项目中的分工	成员类型
1	卢秦泓	材料科学与工程学院	金属材料工程	2021	项目统筹规划总结	第一主持人
2	欧丽平	材料科学与工程学院	金属材料工程	2022	金相组织观察	成员
3	唐育琦	材料科学与工程学院	金属材料工程	2021	轧制实验	成员
4	李赛欣谌	材料科学与工程学院	金属材料工程	2022	数据收集整合	成员
5	莫枢琦	材料科学与工程学院	金属材料工程	2021	中间处理实验	成员

指导教师

序号	教师姓名	所属学院	是否企业导师	教师类型
1	刘淑辉	材料科学与工程学院	否	第一指导教师

立项依据

研究目的:

中间处理能够改善铝合金冷轧板材的加工成型性，是制备形状复杂铝合金构件的有效方法，但常规再结晶中间处理后的合金构件塑性较低，制约了其在轨道交通车辆、新能源汽车上的广泛应用。项目采用固溶退火的中间处理方法，通过细化晶粒、提高析出相密度实现合金的强度和塑性的共同提高。项目通过分析无中间处理合金、再结晶处理合金和固溶处理合金在热轧、冷轧及最终人工时效（T6）过程中的晶粒形状、晶粒尺寸、位错密度、再结晶形貌、析出相分布等特征，探索中间处理后的微观组织形貌对合金最终组织与性能的影响，并揭示合金的强化机制。该项目的研究可显著提高合金型材的使用性能，为型材的生产实践提供理论指导和技术支撑，为汽车轻量化的进一步发展提供智力支持。

研究内容:

(1) 中间处理后合金的微观组织分析

采用金相显微镜（OM）分析无中间处理、再结晶处理和固溶处理合金的晶粒形态及尺寸变化；采用背散射衍射技术（EBSD）探索晶界结构变化，分析变形组织、亚晶和再结晶组织的演变规律和性能特征，探索中间处理方法对晶粒尺寸及亚晶结构的影响规律；采用透射电子显微镜（TEM）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）分析中间处理后Mg2Si相、Si相、AlMnFeSi相的分布特点以及位错的演变情况。综合分析不同中间处理方法对合金微观组织的影响规律及机理。

(2) T6处理后合金的微观组织与力学性能分析

通过维氏硬度测试、室温单向静拉伸实验和电导率测试获得不同中间处理及T6处理后合金的硬度、强度、延伸率和电导率等物理性能指标，确定适宜的固溶处理工艺参数；采用扫描电镜（SEM）分析拉伸断口形貌；通过追踪晶粒尺寸、再结晶程度、残余位错密度、第二相尺寸及数量密度探讨合金T6处理后的微观组织演变，探明中间处理组织对最终时效处理晶界结构及强化相析出的影响，探索合金塑性的影响机理。

(3) 合金的强化机理分析

根据晶粒尺寸变化结合Hall-Petch方法分析合金的细晶强化能力；根据残余位错密度结合Bailey-Hirsch方程分析加工硬化对强度的影响；根据析出相尺寸及密度结合Orowan机制分析合金的析出强化能力；确定热轧处理、再结晶处理和固溶处理对强度的贡献，揭示合金的主要强化机制。

国、内外研究现状和发展动态:

6000系Al-Mg-Si合金因其重量轻、成本低、强度高和耐腐蚀性强等优点，广泛应用于建筑和交通运输行业[1-3]。近年来随着节能减排意识的增强，新能源汽车飞速发展，通过减轻车辆的重量提高续航里程成为各车企的主要目标，而采用高强度铝合金材料代替钢架材料是轻量化的重要途径，开发高性能铝合金成为主要的议题。

加工硬化是改善合金的力学性能的主要方法之一，轧制作为常见的塑性加工方式，被广泛应用于铝合金的板材加工。对于汽车车身用薄壁或形状复杂的结构件，因为加工变形量大，需要对合金进行热轧后再冷轧，再进行最终人工时效处理（T6）。热轧时合金在高温下经历了大量的塑性变形，晶粒发生回复和再结晶，形成更均匀的组织和更细小的析出物，从而提高材料的强度、硬度和耐热性[4-6]。但合金经过热轧后存在残余应力大、塑性下降等问题，再进行冷轧变形易产生裂纹或变形等缺陷[7]。为了提高热轧合金的塑性，降低再变形抗力，通常需要在热轧后对合金进行中间退火处理。常见的中间退火工艺为再结晶退火，是将合金加热至再结晶温度之上并保持一定时间，使合金发生再结晶的一种中间处理方法，可以改善合金的组织并提高力学性能[8]。再结晶退火通过晶粒重组并形核长大，形成具有较大尺寸的新晶粒。由于晶粒的重新排列和材料内部的应变释放，能够有效消除材料中的残余应力和其他缺陷，形成更均匀的晶格结构和再结晶组织，提高冷轧后合金的强度、硬度[9-10]。但是冷轧后合金的延展性并不能得到很好的保证，因此，寻找能同时提高合金强度和塑性的中间热处理方法对全面提高合金的使用性能具有重要的意义。

细化再结晶晶粒是提高合金强度并改善合金塑性的重要手段，如何通过中间退火处理获得大量细小等轴晶是提高合金使用性能的关键。合金的再结晶过程包含形核和生长两个阶段，增加形核速率可以显著提高晶粒数量，达到细化晶粒的目的。退火温度是影响形核率的重要因素，较高的退火温度可以存储更多的能量，促进晶界迁移和扩展，提高形核速率从而细化晶粒[11]。同时高温退火处理可以加速位错等缺陷的运动和消除，降低内应力水平，从而减轻合金的脆性，改善塑性和韧性[12-13]。但是，过高的退火温度可能导致晶粒长大过快，降低了合金的强度和硬度。因此，适当提高中间退火温度是改善合金使用性能的有效途径。

因此，本项目通过对热轧后的合金进行再结晶处理和不同温度下的固溶处理，分析热轧、中间热处理、冷轧及人工时效后合金的微观组织演变，探讨中间热处理工艺对Al-Mg-Si合金冷轧板材力学性能的影响，并揭示晶粒尺寸、残余位错密度、析出相形态对合金强度的贡献，可加深在多重因素耦合作用下中间处理对变形铝合金微观组织演变规律及其作用机理影响的认识，对提高铝合金构件的承载能力和服役寿命发挥重要作用，对推进铝合金轻量化技术的工程应用，推动绿色低碳可持续发展具有重要的战略意义。

创新点与项目特色:

（1）创新点

① 本项目采用一种新型的中间固溶处理制度，实现冷轧板材强度和塑性的同时提高，增强了型材的使用性能，同时这种中间处理方法工艺简单，耗时短，操作方便。

② 项目结合EBSD和HRTEM技术，分析晶粒尺寸、晶界结构、第二相形态对合金强度和塑性的贡献，从而从本质上解释固溶处理改善合金力学性能的原因，并以此探明合金的强化机理，项目具有很强的科学性。

（2）项目特色

广西是全国十个重点有色金属产区之一，铝产业是广西产值超千亿的龙头产业。项目依托本地资源及产业优势，结合广西南南铝加工有限公司铝加工工艺改进需求，研究中间处理对Al-Mg-Si合金微观组织与力学性能的影响，确定适宜的中间热处理工艺参数，实现复杂形状铝合金构件强度和塑性的同时提高，增强铝合金构件的承载能力和使用寿命，满足车辆轻量化要求，并推动广西地方经济的发展。

技术路线、拟解决的问题及预期成果:

（1）技术路线

项目技术路线如图1所示。

图1 技术路线

（2）拟解决的问题

① 晶粒细化是在提高合金强度的同时，改善塑性的有效手段，因此，如何调整工艺获得细小等轴晶组织是需解决的主要问题。项目采用固溶中间处理方法，利用固溶温度下的高存储能和扩散速率，提高合金的形核速率，实现晶粒的细化，达到同时提升强度和塑性的目的。

② 合金的使用性能与中间处理工艺密切相关，对中间过程微观组织的控制与监测是成功的关键。项目通过先进表征方法追踪晶粒尺寸、晶界结构、位错分布、第二相形貌在热轧、中间处理、冷轧及T6处理后的微观组织变化情况，有利于理解合金在变形、热处理过程中的微观组织演变的物理本质。

（3）预期成果

① 确定适宜的固溶处理制度，实现对轧制板材强度和塑性的提高；加深对中间处理调控合金组织与性能的认识；通过动手试验和数据整理分析，实现团队成员创新能力的培养和动手力能、理论分析水平的提高。

② 形成一份数据丰富，分析详细的结题报告；在SCI和EI收录的国际或中文核心期刊上发表研究论文1篇。

项目研究进度安排:

2024.5~2024.6：收集资料，进行前期分析，完善实验方案，准备实验器材和试剂；

2024.7~2024.9：进行6082合金的中间处理、轧制和人工时效实验，并进行物理性能测试和断口形貌分析；

2024.10~2024.12：制样进行OM和EBSD分析和TEM观察，分析晶粒、位错、析出相的演变规律及其对力学性能的影响；

2025.1~2025.4：整理数据，总结实验规律，分析机理，形成总结报告，发表论文。

已有基础:

与本项目有关的研究积累和已取得的成绩:

1.与本项目有关的研究积累和已取得的成绩

申请人所在课题组已对项目研究内容开展预研，申请人已完成无中间处理合金、再结晶处理合金和540°C下保湿50 min固溶处理轧制板材的工艺实验，并对合金进行了相关的力学性能检测和金相组织分析，结果如图2和图3所示。

图2 不同中间处理合金T6处理后的应力应变曲线

板材无中间处理后，硬度为115 HV，屈服强度和抗拉强度比较低，分别为279 MPa和312 MPa，断后延伸率为13.7%。经过中间处理的合金强度显著提高，其中再结晶处理合金硬度、屈服强度和抗拉强度提升至127 HV、314 MPa和344 MPa，延伸率略微降低，而固溶处理合金的强度较再结晶处理合金略有提高，但延伸率得到明显增加，达到了15.3%。合金板材应力应变曲线如图2所示。由上述实验结果可知，固溶处理可同时提高合金的强度和塑性，其硬度、屈服强度、抗拉强度和断后延伸率较无中间处理合金分别提升10.4%，13.3%、11.9%和11.7%。

对中间处理和T6处理后的合金进行金相显微组织观察可以看出，热轧后细长的纤维状晶粒分布在合金内部（图3a），这是由于合金发生了严重的塑性变形，晶粒沿轧制方向伸长。中间处理后合金内晶粒形状发生改变，尺寸增大。再结晶处理后晶粒呈长条状，晶粒变粗，发生了显著的再结晶（图3b）。当合金经历固溶处理后，纤维状晶粒完全消失，等轴晶成为最主要的存在方式（图3c）。经冷轧及T6热处理后，无中间处理合金和再结晶处理合金中存在大量长条状晶粒和部分等轴晶（图3d，图3e），长条状晶粒仍沿轧制方向分布，晶粒尺寸较大，再结晶处理合金晶粒尺寸小于无中间处理合金。固溶处理合金完全由等轴状晶粒组成，晶粒尺寸明显减小，分布更加均匀（图3f）。由此可以看出，固溶处理可以细化晶粒组织，获得细小的等轴晶粒，可同时增强合金的强度和塑性。

图3不同中间处理合金的金相组织

（a,d）无中间处理；（b,e）再结晶处理；（c,f）固溶处理；

（a-c）中间处理后；（d-f）T6处理后

已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法:

申请人所在课题组具有完整的合金制备、加工、性能测试以及微观组织观察等实验条件，拥有本项目微观组织结构分析所需的金相显微镜、带EBSD附加功能的扫描电镜和透射电镜，力学性能检测所需的维氏硬度仪、INSTRON力学性能测试平台，轧制所需的双辊轧机，热处理所需的固溶、时效炉，样品制备所需的镶样机、抛光机、线切割机等设备，可为本项目铝合金的热处理、晶内析出相鉴定及分布、断口形貌观察等实验及表征提供技术保障，可确保项目的顺利开展和完成。

经费预算

开支科目	预算经费（元）	主要用途	阶段下达经费计划（元）
开支科目	预算经费（元）	主要用途	前半阶段	后半阶段
预算经费总额	5000.00	无	2900.00	2100.00
1. 业务费	3000.00	项目开展过程中的实验测试、结果分析、合作交流等	1400.00	1600.00
（1）计算、分析、测试费	2000.00	材料的表征及性能测试等费用	1000.00	1000.00
（2）能源动力费	0.00	无	0.00	0.00
（3）会议、差旅费	1000.00	差旅费	400.00	600.00
（4）文献检索费	0.00	无	0.00	0.00
（5）论文出版费	0.00	无	0.00	0.00
2. 仪器设备购置费	0.00	无	0.00	0.00
3. 实验装置试制费	0.00	无	0.00	0.00
4. 材料费	2000.00	购买原材料、试剂、药品等	1500.00	500.00

结束