鋁擠壓時粗晶環(huán)的生長示意圖    

Ⅰ-內(nèi)層金屬流動速度，Ⅱ-外層金屬流動速度

2.2 錳元素的作用結(jié)果

關(guān)于錳元素在擠壓中對粗晶環(huán)形成的作用眾說紛紜，一部分研究專家認為錳對擠壓中 粗晶環(huán)的抑制起積極作用。錳與鉻等元素因為溶于鋁合金中能提高再結(jié)晶溫度，其形成的MnAl6、CrAl7 和 Mg2Si 等化合物可阻止再結(jié)晶晶粒的長大，擠壓時，由于模具幾何約束與強烈的摩擦作用，使外層金屬滯后于內(nèi)層。外層金屬內(nèi)形成很大的應(yīng)力梯度和附加應(yīng)力 狀態(tài)，因此促進了含 Mn 的第二相粒子在位錯密集處析出，使固溶體的再結(jié)晶溫度降低， 產(chǎn)生一次再結(jié)晶，但因第二相由晶內(nèi)析出后呈彌散質(zhì)點分布在晶界上，阻礙了晶粒的聚集 長大。因此，在擠壓后鋁合金制品外層呈現(xiàn)細晶組織。在后續(xù)的淬火加熱時，由于溫度高， 析出的第二相質(zhì)點又重溶，使阻礙晶粒長大的作用消失，在這種情況下，一次再結(jié)晶的一 些晶粒開始吞并周圍晶粒迅速長大，形成粗晶環(huán)。2A12 合金中的 Mn 含量（質(zhì)量分數(shù)）為0.2%~0.6%時，鋁擠壓型材在淬火后易形成粗晶環(huán)，而當(dāng) 2A12 合金中的 Mn 含量（質(zhì)量分數(shù)）提高到 0.8%~0.9%時，可以完全消除粗晶環(huán)的產(chǎn)生。

也有研究人員通過實驗表明錳元素的加入是導(dǎo)致的粗晶環(huán)的主要影響因素。以 6A02 鋁合金為例，6A02 鋁合金中主要的第二相是 Mg2Si 和 MnAl6 等，Mg2Si 的溶入使晶格常數(shù)增大，MnAl6 的溶入使晶格常數(shù)減少，而 Mn 在合金中的溶解度很小，只有在 640℃以上才能大量溶入，在 500℃以上才較多地析出。在不含 Mn 的情況下，Mg2Si 彌散相在加熱到較低溫度時就會溶解，這時個別的再結(jié)晶晶核尚未來得及生長，而大量生長是在更均一的條件下進行的，因而獲得的組織也比較均勻。

而在含 Mn 的情況下，隨Mn 含量的增加，提高了合金的再結(jié)晶溫度，降低了合金的再結(jié)晶程度，為了得到完全的單相固溶體，淬火前加熱溫度高，時間長，彌散相的溶解和 再結(jié)晶晶粒開始大量生長都是在高溫下進行的，同時，不受彌散微粒包圍的個別晶核來得 及生長，在趨向于二次再結(jié)晶的、大小不同的晶粒組織內(nèi)，新晶粒開始生長，低倍出現(xiàn)了 粗晶，對于錳元素對鋁擠壓型材的粗晶環(huán)形成是起抑制作用還是促進作用國內(nèi)大量科研工 作者對此做了大量的研究，盡管各有分歧，但比較集中的觀點是鋁合金晶粒組織的產(chǎn)生與 錳元素的含量和分布有關(guān)，在不含或者含極其少量的過渡族元素的鋁合金中不形成粗晶環(huán)， 錳元素能提高再結(jié)晶溫度，不含錳的時候彌散相在加熱到較低溫度時就會溶解，能有效降 低第二類粗晶環(huán)的產(chǎn)生，但錳的加入有助于提高合金的強度，往往由于產(chǎn)品的性能需要， 大部分合金中都會添加一定量的錳。

當(dāng)錳含量在 0.2%~0.6%時，出現(xiàn)粗晶環(huán)的厚度最大，繼續(xù)增加錳含量時，粗晶環(huán)減少乃至消失，研究表明，LY12 合金中錳含量由 0.4 增加到 0.8，粗晶環(huán)深度可由 4~5 毫米減少到零。當(dāng)金屬中的過渡族元素含量不多時，由于錳本身的擴散系數(shù)低，形成的第二相不 均勻分布，如圖 3 同一試樣粗晶區(qū)和基體區(qū)第二相粒子的分布圖上所示，明顯可見兩區(qū)的第二相分布不同，粗晶區(qū)第二相粒子大而疏，基體的粒子細而密。即使是鑄錠經(jīng)過均勻化 處理也難以使得錳在整個枝晶面上達到均衡。往往是在一部分固溶體（枝晶外圍區(qū)域）中 有大量的金屬間化合物彌散微粒析出，而在另一部分（枝晶中心區(qū))只有少量的或者根本沒有析出物。因此在熱處理加熱時，析出物多的部分第二相較為均勻分布在晶內(nèi)和晶界，晶 界上的第二相粒子“釘扎”晶界（如圖 4），阻止晶界的遷移，抑制晶粒粗化。而析出物少的部位形成少量再結(jié)晶核心，第二相粒子不是彌散分布在晶界上，而是大部分聚集成團，對 晶界不起“釘扎”作用，從而晶粒在沒有阻力的情況下迅速長大，并吞并周圍的變形機體以 及不形成再結(jié)晶核心的大量金屬間化合物彌散微粒的區(qū)域，從而導(dǎo)致出現(xiàn)粗大的晶粒組織。例如，在含 0.56%Mn 的合金中，在 500℃加熱時出現(xiàn)粗晶環(huán)，而在含 1.38%Mn 的合金中， 則在高達 560℃下才出現(xiàn)粗晶環(huán)。這是由于含錳量的增加，在合金中保持相應(yīng)濃度的 MnAl6 質(zhì)點的溫度較高，改變了晶核劇烈長大的溫度。于是可以理解為，合金中含錳量的增加不 可避免粗晶環(huán)的形成，而只是提高了其形成溫度。若保持淬火加熱溫度不變，則可通過增

加錳含量來防止粗晶環(huán)的生成。

2.3 粗晶環(huán)是一次再結(jié)晶的結(jié)果

在淬火加熱階段彌散質(zhì)點重溶，為晶粒的二次再結(jié)晶創(chuàng)造了條件，這被認為是粗晶環(huán)形成的主要機理之一。但是七十年代許多科學(xué)工作者改變了這種觀點，認為對于在二次再結(jié)晶時，個別晶粒是從再結(jié)晶的小晶?；w長大的，其晶界是很曲折的，在其內(nèi)部還可能留有沒有被吞食掉的小晶粒，具有和長大的晶粒接近的位向，但在粗晶環(huán)中，大晶粒的晶界是直的，長大時晶界從曲率中心向外移動，這是一次再結(jié)晶所特有的。

對純鋁進行了擠壓棒材試驗，發(fā)現(xiàn)沒有第二相質(zhì)點的溶解，但也都形成了粗晶環(huán)。雖然過去很多資料都證明了在淬火時，伴隨著彌散質(zhì)點的溶解，邊部比中心強烈，事實證明了它不是形成粗晶環(huán)的原因。第二相質(zhì)點的重溶，只能說是減少了位錯的釘扎作用，降低了晶界移動阻力，為晶粒長大創(chuàng)造了條件，是影響粗晶環(huán)的主要因素之一。

在一般生產(chǎn)條件下，都是淬火后形成粗晶環(huán)。在擠壓過程中，變形、回復(fù)、再結(jié)晶幾乎是同時發(fā)生，因此即使是再結(jié)晶的晶粒有可能重新發(fā)生塑性變形，在晶粒內(nèi)部位錯發(fā)生運動、纏結(jié)，同時金屬在模孔處受到少量變形，也只能說明在鋁擠壓型材內(nèi)存在殘余物理變形，儲存著畸變能，為晶粒的長大提供驅(qū)動力。

瑞典有專家指出，粗晶環(huán)的形成不是一般的再結(jié)晶，是由于所謂的聚集再結(jié)晶（再結(jié)晶晶粒加熱時的連續(xù)長大，從棒材中低變形程度的中心區(qū)到高變形程度的邊緣逐漸長大） 之故，所以說無論是鋁擠壓型材后形成的粗晶環(huán)，還是淬火后形成的粗晶環(huán)，都是由一次再結(jié)晶后正常長大形成的結(jié)果。

東莞市博望金屬材料有限公司

2017-3-15