6063铝合金准静态压缩裂纹分析

孙 亮，刘兆伟，王洪卓，李秋梅，周 龙，董刘颖

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

铝合金是工业应用最广泛的有色金属材料，具有密度低、强度高、塑性好、导电性和导热性能优良等特点，广泛应用于机械制造、航空航天、地铁轻轨、汽车、船舶等领域[1-3]。6063铝合金是一种具有中等强度的Al-Mg-Si 系合金[4-6]，具有优良的焊接性、抗蚀性、可加工性、挤出性和阳极氧化性等特点，因而得到广泛的工业应用[7-9]。

用6063铝合金挤压型材作吸能盒，其性能稳定，尺寸一致性较好，吸能性能较同等重量的钢质结构提高50%以上，能更加有效地保护车内乘员的安全[10]。准静态压缩实验是衡量吸能性能的主要方法之一[11]，某批次6063挤压型材进行准静态压缩实验时，型材变形处出现明显裂纹。本研究通过宏观表面、低倍组织和高倍组织观察与分析，探讨6063挤压型材变形缺陷的产生原因。

1 试验材料与方法

采用半连续铸造方法制备6063铝合金铸锭，合金经540 ℃×6 h均匀化处理后，通过2750T卧式挤压机进行挤压生产，挤压制品横截面为长170 mm、宽55 mm、壁厚3 mm的矩形，具体挤压工艺参数见表1，挤压型材合金经在线淬火后，进行200 ℃×7 h的人工时效处理。

利用AX10型光学显微镜(OM)进行光学显微组织观察；采用SSX-550型扫描电镜(SEM)观察第二相形貌和分布；准静态压缩实验在微机控制的液压机上进行，压缩试样长度为300 mm，下压速度为100 mm/min，压下量为试样长度的60%。

表1 挤压工艺参数

2 试验结果与讨论

2.1 成分检测

裂纹样品和无裂纹样品的化学成分检测结果，见表2。两种样品化学成分无明显区别，均符合标准成分范围，由此可知，裂纹不是由宏观偏析所致。

2.2 宏观分析

图1为压缩试样缺陷示意图，从图中可知，裂纹处于弯曲变形内侧，变形量最大位置属于压缩类裂纹，长度约10 mm，裂纹附近变形较严重处出现橘皮现象见图1(b)。

2.3 显微组织分析

图2为试样裂纹截面处显微组织，从图中可看出，裂纹尖端附近析出相尺寸较大，且较集中；与无裂纹组织相比，裂纹试样中存在尺寸较大的黑色相，却数量较多。

表2 缺陷样品与非缺陷样品成分检测结果(质量分数，%)

(a)准静态压缩试样；(b)裂纹的宏观形貌

(a)裂纹；(b)无裂纹

图3为裂纹试样和无裂纹试样显微组织图，从图中可以看出，含裂纹和无裂纹试样的显微组织并无明显变化。

图4为裂纹试样与无裂纹试样粗晶层图，从图中可知，裂纹试样平均粗晶层厚度达143 μm，而无裂纹试样平均粗晶层厚度为32 μm，对比之下裂纹试样粗晶层较厚。

(a)裂纹；(b)无裂纹

(a)裂纹；(b)无裂纹

2.4 SEM/EDS分析

裂纹试样扫描电镜(SEM)图见图5。从图中可以看出，裂纹一侧出现层状物质。图中A为裂纹内部，B和C为裂纹边缘，所对应的能谱(EDS)结果见表3。从能谱分析可知，B和C处检测到O元素，这说明裂纹附近发生了氧化现象，而裂纹内部A处块状物主要由Al、Mg和Si元素组成，分析为AlMgSi强化相。

表3 EDS分析结果(质量分数，%)

图5 裂纹试样高倍组织形貌

2.5 讨论与建议

由上述测试结果可知，标准6063铝合金并无宏观偏析，裂纹主要出现在弯曲变形严重区域，属于压缩变形裂纹，裂纹粗晶层较厚，而且裂纹附近出现一些尺寸较大的析出相，因此，裂纹产生主要是有以下2个方面：

1)组织。裂纹尖端附近析出相尺寸较大且集中，析出相尺寸波动较大，分布不均，在压缩变形过程中，褶皱处发生弯曲折叠，析出相尺寸密度不同，导致变形抗力不同，从而在变形中容易出现开裂现象。

2)粗晶层。由于边部与芯部纤维状晶粒尺寸相差较大，变形过程中容易产生错位，变形量小时易出现橘皮现象，而变形量大时形成裂纹源。

在准静态压溃试验中，吸能零件变形中裂纹的出现将大大降低材料的承载能力，可能产生严重的后果[12]，裂纹是必须避免的缺陷。针对上述分析，本文提出以下建议：

1)组织方面，析出相的尺寸可以通过时效改善，建议缩短时效时间，减小析出相尺寸；

2)挤压工艺方面，通过调整工艺或模具结构调控粗晶层厚度，比如适当降低挤压温度，提高在线淬火的冷却速度，从而降低粗晶层的厚度和晶粒尺寸的不均匀性。

3 结论

裂纹产生的原因，一方面是大尺寸析出相聚集，在变形过程中变形量与基体不同，容易形成裂纹；另一方面是材料的晶粒尺寸相差较大，变形后出现橘皮现象，容易形成裂纹源。

针对裂纹，建议对材料时效工艺进行适当调整，优化挤压工艺调控晶粒不均匀性，从而减少裂纹的产生。