董劉穎 謝方亮 陳利 劉兆偉 孟旭 李秋梅 李鵬偉

摘要：采用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）、能譜儀（energy dispersive spectrometer，EDS）、電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)等測(cè)試分析手段，研究了不同微量元素對(duì)汽車防撞梁擠壓型材組織、強(qiáng)度及彎曲性能的影響。研究結(jié)果表明：1#試樣中Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.50%～0.60%、Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16%，其受拉應(yīng)力側(cè)再結(jié)晶層厚度為110.52 μm，基體中粗大雜質(zhì)相尺寸最大，亞微米級(jí)相最少，彎曲后試樣斷裂；2#試樣中Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.40%～0.50%、Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20%，其為再結(jié)晶組織，彎曲后型材表面產(chǎn)生嚴(yán)重橘皮后開裂；3#試樣中Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.60%～0.70%，F(xiàn)e的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.11%，其受拉應(yīng)力側(cè)無(wú)再結(jié)晶層，雜質(zhì)相尺寸最小、亞微米級(jí)相最多，彎曲后型材表面光滑，未產(chǎn)生開裂。EDS結(jié)果顯示，合金基體中的雜質(zhì)相主要為硬脆的AlFeMnSi和富Si初生相。

關(guān)鍵詞：彎曲性能；顯微組織；微量元素；析出相；鋁合金

中圖分類號(hào)：TG 14 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：遼寧省‘興遼英才計(jì)劃項(xiàng)目資助（XLYC1802054）

Influence of Trace Elements on the Bending Performance of Aluminum Alloy Anti-collision Beam

DONG Liuying， XIE Fangliang， CHEN Li， LIU Zhaowei， MENG Xu， LI Qiumei， LI Pengwei

（Liaoning Zhongwang Group Co.， Ltd.， Liaoyang 111003， China）

Abstract： By means of optical microscope， scanning electron microscope （SEM）， energy dispersive spectrometer （EDS） and electronic universal testing machine， the effects of different trace elements on the microstructure， strength and bending properties of extruded profiles of automobile crash beam were studied. The results show that the mass fraction of Mn in 1# sample is 0.50%-0.60%， the mass fraction of Fe is 0.16%， and the thickness of recrystallization layer on the tensile stress side is 110.52 μm. The size of coarse impurity phase in the matrix is the largest， and the size of submicron phase is the least. The sample will fracture after bending. The mass fraction of Mn in 2# sample is 0.40%-0.50%， the mass fraction of Fe is 0.20%， and it is recrystallized structure. After bending， the surface of the profile cracks after serious orange peel appears. The mass fraction of Mn in 3# sample is 0.60%-0.70%， and the mass fraction of Fe is 0.11%. There is no recrystallization layer on the tensile stress side. The impurity phase size is the smallest， and the submicron phase size is the most. After bending， the surface of the profile is smooth without cracking. The EDS results show that the impurity phases in the alloy matrix are mainly hard and brittle AlFeMnSi and Si-rich primary phases.

Keywords： bending property； microstructure； trace elements； precipitated phase； aluminum alloy

汽車車身輕量化和耐撞性的研究，對(duì)于汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展有著重大意義[1]。防撞梁是汽車中用來(lái)減輕車輛受到碰撞損傷的一種裝置，由主梁、吸能盒、連接汽車的安裝板組成。主梁、吸能盒都可以在車輛發(fā)生低速碰撞時(shí)有效吸收碰撞能量，盡可能減小撞擊力對(duì)車身縱梁的損害，發(fā)揮其對(duì)車輛的保護(hù)作用。汽車在發(fā)生碰撞過(guò)程中，防撞梁會(huì)產(chǎn)生很大的形狀改變，這時(shí)車身、發(fā)動(dòng)機(jī)甚至乘客都會(huì)受到嚴(yán)重的傷害。這就要求防撞梁主梁（以下簡(jiǎn)稱防撞梁）在設(shè)計(jì)時(shí)滿足一定的強(qiáng)度、剛度、韌性，還要具有一定的塑性，使汽車在受撞擊時(shí)具有緩沖能力，對(duì)人、車起到很好的保護(hù)作用[2-4]。

高的強(qiáng)韌性可在很大程度上提高防撞梁的抗彎曲性能而不易破裂[5-6]。然而，高的強(qiáng)度和塑韌性主要受合金中微量元素的影響，Mn形成的彌散相能阻止位錯(cuò)及晶界的遷移，從而提高再結(jié)晶溫度、有效阻止再結(jié)晶晶粒的形核和長(zhǎng)大，使強(qiáng)韌性相應(yīng)提高[7-8]。少部分Fe有細(xì)化晶粒的作用，然而大部分在合金中以雜質(zhì)的形式存在，這些雜質(zhì)形成粗大而不溶的相和共晶化合物，在室溫下很難溶解，在塑性變形時(shí)，在部分顆粒-基體邊界上發(fā)生空隙，產(chǎn)生微裂紋，成為宏觀裂紋源，對(duì)合金的塑韌性有非常不利的影響[9]。

本文以三點(diǎn)彎曲后防撞梁是否發(fā)生開裂為出發(fā)點(diǎn)，研究不同微量元素對(duì)其組織及彎曲性能的影響，討論產(chǎn)生彎曲開裂的原因。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為3種含有不同微量元素的6xxx系鋁合金防撞梁擠壓型材，其成分見表1。使用AGX50KN型電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行三點(diǎn)彎曲性能測(cè)試；使用GX51型OLYMPUS金相顯微鏡觀察組織形貌；使用島津SSX-550型掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察合金基體及第二相形貌，能譜儀（energy dispersive spectrometer，EDS）觀測(cè)其成分。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 Fe、Mn微量元素對(duì)三點(diǎn)彎曲性能的影響

三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)時(shí)加載速度為60 mm/min，試樣要求彎曲至150°。圖1為不同F(xiàn)e、Mn含量的合金型材經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后再進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)后的表面宏觀形貌。由圖1可以看出：1#合金未彎曲至150°即提前斷裂；2#合金彎曲后橘皮開裂嚴(yán)重，接近于穿透性裂紋；3#合金彎曲后表面光滑，變形均勻，無(wú)開裂現(xiàn)象。

圖2為不同F(xiàn)e、Mn含量的型材用20 mm寬試樣彎曲斷裂的加載力，其中，3#試樣的加載力最大，為2 418 N，與1#的相差不大；2#的最小，為2 286 N。

2.2 Fe、Mn微量元素對(duì)顯微組織的影響

圖3為不同F(xiàn)e、Mn含量的型材彎曲后的偏光顯微組織圖。從圖3可知，1#、3#只有邊部有少量粗大的再結(jié)晶組織，1#彎曲試樣外側(cè)（受拉應(yīng)力側(cè)）再結(jié)晶層厚度為110.52 μm，3#彎曲試樣外側(cè)未發(fā)生再結(jié)晶，內(nèi)側(cè)再結(jié)晶層厚度僅為43.17 μm，其余部分為隨彎曲變形的纖維組織；2 #全截面發(fā)生了再結(jié)晶，晶粒尺寸大小不一，越靠近邊部，再結(jié)晶晶粒尺寸越大。

圖4為不同F(xiàn)e、Mn含量的合金金相顯微組織圖。由圖4可以看出，由于元素含量超過(guò)其在Al中的極限固溶度，導(dǎo)致3種合金基體上分布大量微米級(jí)未回溶的粗大相，且形狀不規(guī)則。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，1#試樣基體中微米級(jí)未回溶相尺寸最大，約10 μm，分布有聚集現(xiàn)象，基體上亞微米級(jí)第二相數(shù)量少； 2#試樣未回溶相尺寸減小，分布較1#均勻，基體上亞微米級(jí)第二相數(shù)量增加；3#試樣未回溶相尺寸最小，約5 μm，分布較1 #均勻，基體上亞微米級(jí)第二相數(shù)量最多。

通過(guò)SEM分別對(duì)3種成分合金型材基體中存在的未回溶粗大相分布狀態(tài)進(jìn)行觀察，其成分使用EDS進(jìn)行測(cè)定，取點(diǎn)位置及檢測(cè)結(jié)果見圖5和表2。由圖5和表2可知，基體中均含Mg、Si、Al元素。文獻(xiàn)[10-12]顯示圖5中1#-B、2#-A和3#-B呈塊狀、長(zhǎng)條狀或不規(guī)則形狀灰色微米級(jí)未回溶相主要含Mg、Si、Mn、Fe、Al元素，為（FeMnSi）Al6雜質(zhì)相；1#-A、2#-B和3#-A呈球狀或橢圓狀、條狀的黑色微米級(jí)未回溶相，含Mg、Si、Al元素，和基體相比，其Si含量明顯偏高，為富Si的初生相；2#-C亞微米級(jí)小顆粒，含Mn、Mg、Si、Al元素，為MnAl6相。

2.3 分析討論

在劉川[13]關(guān)于汽車板材彎曲性能的研究中發(fā)現(xiàn)，拉應(yīng)力表層晶粒尺寸越大的材料，在三點(diǎn)彎曲過(guò)程中越難獲得晶粒間的相容性，其拉應(yīng)力表層的變形程度越小，則增大彎曲斷裂源，裂紋越易于擴(kuò)展，導(dǎo)致其彎曲性能較差。在Saai等[14]的研究中發(fā)現(xiàn)，材料彎曲性差的原因是由于大晶粒和初級(jí)顆粒結(jié)構(gòu)的存在。AlMnFeSi、富Si初生相等均為鑄態(tài)生成的初級(jí)顆粒，為硬脆相，在擠壓變形過(guò)程中破碎成不規(guī)則形狀，破壞基體連續(xù)性，在彎曲過(guò)程中，此類硬脆相在彎曲外表面一側(cè)受較大的拉應(yīng)力，產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，致使雜質(zhì)相附近產(chǎn)生微裂紋或小孔，在隨后變形過(guò)程中微裂紋或小孔聚集長(zhǎng)大，最后導(dǎo)致彎曲開裂，甚至提前斷裂。

1#合金抑制再結(jié)晶元素Mn的含量居中，受拉應(yīng)力側(cè)有再結(jié)晶層，疊加高含量Fe，基體中雜質(zhì)相尺寸大、數(shù)量多。一方面試樣承受最大塑性變形能力降低，另一方面加劇彎曲開裂，故彎曲試樣提前斷裂，抗彎強(qiáng)度低。2#試樣的雜質(zhì)相尺寸有所減少，但抑制再結(jié)晶元素Mn含量最少，導(dǎo)致再結(jié)晶程度高、強(qiáng)度低、塑性差，因此抗彎強(qiáng)度最低。試樣邊部再結(jié)晶晶粒尺寸大且不均勻，部分異常長(zhǎng)大，心部再結(jié)晶晶粒較小，導(dǎo)致塑性變形不均勻，彎曲后發(fā)生應(yīng)力集中，表面橘皮嚴(yán)重而開裂。3#合金抑制再結(jié)晶元素Mn含量最多，且Fe含量最少，試樣受拉應(yīng)力側(cè)無(wú)再結(jié)晶層，雜質(zhì)相尺寸最小、分布均勻性好，基體中亞微米級(jí)第二相均勻分布，整體為擠壓形變組織，有利于彎曲變形均勻，抗彎強(qiáng)度高，彎曲后表面光滑[15-16]。

3 結(jié) 論

（1）Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.50%～0.60%、Fe為0.16%的1#合金，受拉應(yīng)力側(cè)再結(jié)晶層厚度為110.52 μm，基體中粗大雜質(zhì)相尺寸最大、數(shù)量多，亞微米級(jí)第二相最少；Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.40%～0.50%、Fe為0.20%的2#合金，為完全再結(jié)晶組織，亞微米級(jí)相大小、尺寸居中；Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.60%～0.70%、Fe為0.11%的3#合金，其受拉應(yīng)力側(cè)無(wú)再結(jié)晶層，粗大雜質(zhì)相尺寸最小，亞微米級(jí)第二相最多；

（2）1#試樣彎曲后提前斷裂；2#試樣橘皮嚴(yán)重，接近穿透性斷裂；3#試樣彎曲后表面光滑，未產(chǎn)生開裂；

（3）3種成分合金的型材基體中雜質(zhì)相主要為AlFeMnSi、富Si初生相等，均為硬脆相。

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