DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.04.027

Ti和Ce对AlMgSi基合金板材成形性能的影响

关绍康 姚波 王迎新

  郑州大学材料科学与工程学院  

  郑州大学材料科学与工程学院 郑州450002  

摘 要：

采用DSC , EDS , SEM及TEM等分析手段 , 研究了微量Ti和Ce对新型AlMgSi基铝合金汽车车身板材成形性能的影响。结果表明 :对含 0 .2 5 %～ 0 .2 7%Ti (质量分数 ) 的铝合金中 , Ti除了作为异质核心起细化晶粒作用外 , 还分布于晶界 , 通过抑制α (Al) 晶粒生长有效地细化组织 , 提高成形性能 ;Ce的加入提高了 β″相的激活能 , 降低了 β′相的激活能 , 从而促使形成 β′相 , 降低板材的抗拉强度 , 使屈强比增大 , 从而不利于成形性能。同时还研究了过剩Si和Mg2 Si对板材性能的影响。

关键词：

Ti;Ce;AlMgSi基合金板材;成形性能;

中图分类号： TG335

收稿日期：2001-10-20

基金：河南省重点科技攻关资助项目 ( 9930 1840 1);河南省杰出青年基金资助项目 (豫科 2 0 0 0 -15 );

Effect of Ti and Ce on forming properties of new type AlMgSi based alloy sheet

Abstract：

The influence of Ti, Ce elements on forming properties of new type AlMgSi based alloy auto body sheet was studied systematically by using DSC, SEM, EDS and TEM. The results show that, 0.25%～0.27%Ti (mass fraction) is advantageous to refining microstructure as heterogeneous nucleus and to restricting the growth of α (Al) grains through the distribution on the grain boundaries, so that the forming properties of AlMgSi based alloy sheet are improved. The addition of Ce increases the activation energy of β″ phase and decreases that of β′ phase, so the formation of β′ phase is promoted. Therefore the tensile strength of AlMgSi based alloy sheets is decreased and the ratio of yield strength and tensile strength is increased, which harms to the forming properties. Besides, the effect of contents of excessive Si and Mg 2Si of AlMgSi based alloy sheets was studied.

Keyword：

Ti; Ce; AlMgSi based alloy sheets; forming property;

Received： 2001-10-20

世界汽车工业正面临越来越严峻的3大问题: 能源、 环境、 安全。 因此, 减轻汽车自重以降低能耗、 减少污染、 提高效率成为各大汽车厂提高竞争力的重要措施。 目前, 在汽车上使用铝合金代替钢铁是各国汽车制造商的主要减重手段。 汽车车身约占汽车总重的30%左右, 汽车车身使用铝合金对减轻汽车自重具有重要的意义, 也是近年来国内外研究的一个热点 ^[1,2,3,4] 。 提高铝合金车身板材强度的同时改善其成形性能是目前研究的重点, 作者研究了微量元素Ti和Ce、 过剩Si含量、 Mg₂Si含量对AlMgSi基铝合金汽车车身板材成形性能的影响。

1 试验方法

铝合金板材成分如表1所示。 经熔炼、 铸造后, 轧制成1 mm厚的板材, 板材在不同制度下进行热处理后测试板材的各种性能。 并作金相, DSC, SEM及TEM分析。 DSC分析利用日本Seiko公司的DSC6200仪器进行, 容器采用纯铝坩埚, 用纯铝作参比, 用高纯氮气保护, 升温速率10 K/min。 SEM分析是在日本日立公司的JSM-5600LV型扫描电子显微镜进行。 TEM分析是在JEM-2000FX透射电子显微镜上进行, 加速电压160 kV, 试样先机械研磨成50 μm左右的薄片, 再利用MTP-1双喷减薄仪减薄, 电解液为10%高氯酸+90%乙醇, 最后用GL-6900型离子减薄仪减薄。

表1 铝合金板材的成分

Table 1 Composition of aluminum alloysheets (mass fraction, %)

Sample	Si	Cu		Mg		Mn		Ti
1#	1.08	0.66		1.07		0.37		0.23
2#	1.15	0.72		1.20		0.34		0.27
3#	1.40	0.67		1.32		0.34		0.12
4#	1.14	0.80		1.30		0.36		0.16
5#	1.16	0.73		1.26		0.35		0.27
Sample	Ce		Fe		Mg2Si		Excessive Si
1#	0.34		0.16		1.70		0.46
2#	0.23		0.20		1.90		0.46
3#	0		0.30		2.10		0.70
4#	0.10		0.22		2.05		0.45
5#	0		0.14		2.00		0.43

2 结果与分析

从实验合金的低倍金相组织看, 含Ce且低Ti的4^#试样晶粒尺寸很不均匀, 有大晶粒出现。 而无Ce的5^#试样晶粒尺寸均匀细小, 平均晶粒尺寸约为50 μm, 含Ti最低的3^#试样晶粒粗大。 从高倍金相组织看, 含Ce的2^#试样中的强化相主要在晶间形成, 晶界较为干净, 初生Si不连续。 这可能是由于Ce有净化晶界的作用, 抑制了部分强化相的形成 ^[5] 。 而不含Ce的5^#试样中各种强化相在晶界更为密集。 在各个试样中都没有发现针状Al₃Ti, 说明Ti的分布是均匀的。 由以上现象可以分析出, Ce的加入产生微合金化作用, 改变了合金中的热力学平衡, 减少Si, Mg, Cu等合金元素向晶界的偏聚, 而更多地固溶于铝基体中或形成化合物, 同时减少了Ti在晶界的分布, 减弱了其抑制α (Al) 晶粒长大的作用, 可能只作为异质核心起细化作用 (见图1) 。 不含Ce的5^#试样中, Si, Mg, Cu在晶界上的偏聚都很明显, 说明在晶界上形成了化合物相, Ti在晶界上的分布也比晶粒内高, 且晶粒较细, 说明Ti在晶界上更有利于发挥细化作用, 即Ti在晶界上抑制了α (Al) 晶粒生长 (见图2) 。

从表2可以看出, 在T4状态下, 5^#合金板材

图1 2#试样的线扫描示意图

Fig.1 Line scanning of cast sample 2^#

图2 5#试样的线扫描示意图

Fig.2 Line scanning of cast sample 5^#

试样的综合性能最好, 其抗拉强度最高, σ_0.2/σ_b最小, 延伸率较高, 杯突值最大, n, r值也最大。 这说明在含有过剩Si的合金中, 通过提高Ti的含量, 可以使合金在保持高强度的条件下提高其成形性能。

对于2^#, 4^#, 5^# 3种合金板材试样, 它们的Mg₂Si含量及过剩Si含量相近, 比较其力学性能可以看出, 5^#, 2^#试样的屈服强度较高, 数值相近, 延伸率也较高, 4^#试样屈服强度较低, 延伸率也较低, 5^#试样的抗拉强度最高, 2^#, 4^#试样次之。

屈服强度除了与合金有关外, 主要取决于晶粒大小和第二相的分布。 第二相中过剩Si含量对屈服强度的影响较大, 研究表明 ^[6] , 在过剩Si含量<0.5%, Mg₂Si含量<2%范围内, 每增加0.1%过剩Si可使σ_s增加10~15 MPa, 每增加0.1%的

表2 铝合金板材的性能

Table 2 Properties of aluminum alloy sheets

Sample	σb/MPa	σ0.2/MPa	δ/%	σ0.2/σb	Cupping value	90° bending radius	n	r
1# (T4)	326	196	29	0.601	5.80	$\frac{1}{2}t$	0.26	0.66
2# (T4)	325	195	26	0.594	6.70	$\frac{1}{2}t$	0.25	0.58
3# (T4)	315	191	22	0.607	4.90
4# (T4)	325	192	26	0.591	7.40	$\frac{1}{2}t$	0.25	0.59
5# (T4)	342	196	28	0.573	7.70	$\frac{1}{2}t$	0.27	0.73
2# (T6)	395	350	11
5# (T6)	395	355	12
6010 (T4)	296	186	27	0.628	9.13	1t	0.22	0.70
6010 (T6)	386	372	11

Mg₂Si可使σ_s增加5~6 MPa。 铸态下Ti分布于晶界, 通过抑制α (Al) 晶粒生长有效地细化了组织, 提高了轧制后板材的屈服强度。 3^#试样含Ti量最少, 晶粒粗大, 过剩Si过高, 屈服强度最低。 由此可见, 尽管Ce可以细化铸态合金初生Si, 净化铸态合金晶界, 但它对T4状态下板材的屈服强度影响较小, 过剩Si及Ti含量对屈服强度影响较大。

抗拉强度方面, 含有Ce的1^#, 2^#, 4^#试样普遍比不含Ce的5^#试样低。 这主要是由于Ce提高了β″相形成激活能, 降低了β′相的形成激活能 (见表3) , 从而促进了β′相的形成 (见图4) , 2^#试样中有许多β′相与β″相共存, 而在5^#试样中没有发现这种现象。 β′相的强化效应不如β″相, 使抗拉强度降低 ^[7,8] 。

表3 各相的形成激活能

Table 3 Activation energy of formation of phases (kJ/mol)

Phase	1#	2#	4#	5#
G.P zone	39	38	30	22
β″ phase	65	69	58	52
β′ phase	120	130	131	181

从成形性能方面看, 由于Ce使抗拉强度降低, 使σ_0.2/σ_b增大, 从而使杯突值及n, r值降低, 降低了含Ce铝合金板材的成形性能。

在T6状态下, 含有Ce的2^#试样和不含Ce的5^#试样力学性能基本一致。 这是由于经过人工时效, Ce的作用不再明显, 外界的能量完全可以弥补由于Ce增加的β″相的激活能, 强化行为以β″相弥散强化为主。 所以在Mg₂Si含量相近情况下, 其力学性能相近。 从图3可以看出, 4种合金板材试样的DSC曲线形状很相似, 各峰的峰位很相近, 如G.P区在50~100 ℃之间, β″峰在190~250 ℃之间, β′峰在250~300 ℃之间。 但是不同试样的峰面积相差很大 (热流坐标有区别) , 即各试样中各相形成时的激活能是不一样的 (见表3) 。 不含Ce的5^#试样与含Ce的1^#, 2^#, 4^#试样相比, G.P区峰要明显得多, β″峰也大许多, 但β′峰要小一些。在

图3 1#, 2#, 4#, 5#试样的DSC曲线比较

Fig.3 Comparison of DSC curves of samples 1^#, 2^#, 4^#, 5^#

图4 2#和5#试样的TEM照片

Fig.4 TEM microstructures of samples 2^# and 5^# (a) —Sample 2^#; (b) —Sample 5^#

1^#, 2^#, 4^#试样中, 含Ce量越高, β′峰越明显。 图4的TEM照片显示, Ce促使Si, Mg元素形成了β′相。 因此, 5^#合金板材的性能好于其他合金板材。 这与前面的性能测试结果及金相分析是一致的。

铝合金的析出过程可以用J-M-A公式表示:

f=1-exp (-β?ⁿ) (1)

利用DSC来分析其析出动力学, 当升温速率固定时, 式 (1) 可变为 ^[9]

$\ln [(\frac{\text{d}f}{\text{d}{\rm T}})(\frac{\text{d}{\rm T}}{\text{d}t})/F(f)]=\ln$ ${\rm K}{}_0-\frac{Q{}^{*}}{R{\rm T}}\text{?}\text{?}\text{?}(2)$

式中 Q^*为激活能, K₀为参数 (取决于温度及原始成分) , R为摩尔气体常数, T为温度。

从中找出 $\ln [(\frac{\text{d}f}{\text{d}{\rm T}})(\frac{\text{d}{\rm T}}{\text{d}t})/F(f)]$ 与 $\frac{1}{{\rm T}}$ 的对应关系, 并用逼近函数得到斜率, 即为激活能。

3 结论

1) 在含有过剩Si的AlMgSi基合金铸态下, Ce抑制了合金元素在晶界上的聚集。 对于轧制后的铝合金板材, Ce降低T4状态下的抗拉强度, 使屈强比增大, 降低了合金板材的冲压成形性能, 原因在于Ce的加入提高了β″相的激活能, 降低了β′相的激活能, 从而促使形成了β′相, 而β′相的强化能力不如β″相。

2) 在含有较高Ti (0.25%~0.27%) 的铝合金中, Ti除了作为异质核心起细化晶粒作用外, Ti还分布于晶界, 通过抑制α (Al) 晶粒生长有效地细化了组织, 而Ce的存在不利于Ti向晶界分布, 不利于组织细化。

3) 过剩Si含量和Ti含量对T4状态下合金板材的屈服强度影响较大, 而Ce含量的影响不大。

参考文献

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