《MSEA》一种新方法！更准确地测量铝合金的析出相体积分数！

目前，Al-Mg-Si-Mn-Fe挤压材在运输领域的应用是铝合金的主要发展方向之一。为了追求生产效率，挤压变形大部分在高于熔点80%的温度下(即铝锭高于450℃)和高应变速率下(平均应变速率10-200s^-1)进行。在该温度下，高层错能合金(例如铝)表现出稳定的流动应力，很少或没有加工硬化。流动应力与坯料开始挤压时的突破压力有关，这是铝合金挤压的主要参数之一。大部分汽车用铝合金都添加了Mn和Cr，Mn和Cr可以在均质化过程中析出，形成弥散分布的第二相颗粒。析出相能够影响合金挤压的高温流动应力、再结晶、淬火敏感性等多个方面。现有研究使用透射电镜对析出相的体积分数进行测量，预计误差达到30%，这是不够准确的。

英国哥伦比亚大学的研究人员提出了一种新的方法，通过电子探针、透射电镜和电阻率的测量来量化析出相的体积分数，精度比传统方法明显提高，并建立了基于位错的高温流变应力本构方程。相关论文以题为“The effect of Mn on the high temperature flow stress of Al-Mg-Si alloys”发表在Materials Science & Engineering A。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140605

本研究设计4种不同Mn、Cr含量的合金，基体合金为Al-0.71Mg-0.9Si-0.21Fe，在此基体中分别加入0.25Mn、0.5Mn和0.5Mn-0.15Cr，含Mn、Cr的合金中Si含量适量提高。将4种合金铸造成直径101mm的圆柱锭，均匀化处理温度为550℃和580℃，均火时长从10min至168h不等。

在改进的Kocks-Chen模型的基础上建立了一个高温流动应力模型，该模型准确的分析了弥散第二相粒子的析出强化作用。该方法将分离电子探针分析(EPMA)中富铁相和铝基体重叠部分相互作用的体积。电阻率测量和TEM测量Mn/Fe原子比例，使用质量平衡和分散体的摩尔体积可以确定合金的含锰相体积分数。通过TEM测量Mn/Cr比值，将该方法扩展到Mn/Cr合金。结果表明，该方法对Mn/Fe和Mn/Cr的比值不敏感。新方法的优点是当使用TEM或FEGSEM测量时，它对局部化学差异和阈值并不敏感。

图1 0.5Mn合金的背散射结果(a) 550℃×2h; (b)580℃×12h; (c) 550℃×2h下尺寸分布;(d) 580℃×12h下尺寸分布

图2 (a) 0.5Mn合金均火550℃×2h后的HAADF图; (b) 析出相中SC晶体结构; (c) BCC晶体结构

在Kocks和Chen的溶质阻力模型的基础上，提出了一个基于位错理论的模型，该模型明确地解释了Mn和Mn/Cr析出相的尺寸和体积分数对高温流动应力的影响。该模型描述了在不同温度、应变速率和体积分数/尺寸下的流动应力。对0.75Mn合金在550℃下均匀化2小时的独立实验验证了该模型，预测误差在5%以内。与Zener-Holloman方法相比，该模型的优势在于，需要调节的参数较少。

图3 0.5Mn0.15Cr合金均火550℃×2h后的原子探针结果

图4 不同均火条件下的原子探针结果(a) 0.25Mn; (b) 0.5Mn; (c) 0.5Mn0.15Cr

图5 0Mn、0.25Mn、0.5Mn和0.5Mn0.15Cr合金三种均质下，本构模型计算的流变应力与实验流变应力的关系

综上所述，本研究所提出的流动应力模型用于预测流变应力，有助于建立挤压过程模型的本构方程。对可变形铝合金的成分设计和挤压过程预测意义重大。（文：破风）