اثرات نسبت های مختلف اکستروژن بر روی ریزساختار و خواص مکانیکی میله های آلیاژ آلومینیوم 6063 چیست؟

آلیاژ آلومینیوم 6063 متعلق به آلیاژ آلومینیوم با قابلیت عملیات حرارتی سری Al-Mg-Si با آلیاژ کم است. عملکرد قالب گیری اکستروژن عالی، مقاومت در برابر خوردگی خوب و خواص مکانیکی جامع دارد. همچنین به دلیل رنگ آمیزی اکسیداسیون آسان آن به طور گسترده در صنعت خودرو استفاده می شود. با تسریع روند خودروهای سبک وزن، استفاده از مواد اکستروژن آلیاژ آلومینیوم 6063 در صنعت خودرو نیز افزایش یافته است. 

ریزساختار و خواص مواد اکسترود شده تحت تأثیر اثرات ترکیبی سرعت اکستروژن، دمای اکستروژن و نسبت اکستروژن است. در میان آنها، نسبت اکستروژن عمدتاً توسط فشار اکستروژن، راندمان تولید و تجهیزات تولید تعیین می شود. هنگامی که نسبت اکستروژن کوچک است، تغییر شکل آلیاژ کوچک است و پالایش ریزساختار واضح نیست. افزایش نسبت اکستروژن می تواند به طور قابل توجهی دانه ها را تصفیه کند، فاز دوم درشت را تجزیه کند، یک ریزساختار یکنواخت به دست آورد و خواص مکانیکی آلیاژ را بهبود بخشد.

آلیاژهای آلومینیوم 6061 و 6063 در طول فرآیند اکستروژن تحت تبلور مجدد دینامیکی قرار می گیرند. هنگامی که دمای اکستروژن ثابت است، با افزایش نسبت اکستروژن، اندازه دانه کاهش می‌یابد، فاز تقویتی به خوبی پراکنده می‌شود و استحکام کششی و ازدیاد طول آلیاژ بر این اساس افزایش می‌یابد. با این حال، با افزایش نسبت اکستروژن، نیروی اکستروژن مورد نیاز برای فرآیند اکستروژن نیز افزایش می‌یابد که باعث اثر حرارتی بیشتر می‌شود و باعث افزایش دمای داخلی آلیاژ و کاهش عملکرد محصول می‌شود. این آزمایش اثر نسبت اکستروژن، به ویژه نسبت اکستروژن بزرگ، بر ریزساختار و خواص مکانیکی آلیاژ آلومینیوم 6063 را مورد مطالعه قرار می‌دهد.

1 مواد و روش های آزمایشی

مواد آزمایشی 6063 آلیاژ آلومینیوم است و ترکیب شیمیایی در جدول 1 نشان داده شده است. درمان در دمای 560 ℃ به مدت 6 ساعت. بیلت تا 470 درجه سانتیگراد گرم می شود و گرم نگه داشته می شود. دمای پیش گرم کردن بشکه اکستروژن 420 ℃ و دمای پیش گرم کردن قالب 450 ℃ است. هنگامی که سرعت اکستروژن (سرعت حرکت میله اکستروژن) V=5 میلی‌متر بر ثانیه بدون تغییر باقی می‌ماند، 5 گروه آزمایش نسبت اکستروژن مختلف انجام می‌شود و نسبت‌های اکستروژن R 17 است (مطابق با قطر سوراخ قالب D=12 میلی‌متر). 25 (D=10mm)، 39 (D=8mm)، 69 (D=6mm)، و 156 (D=4mm).

جدول 1 ترکیبات شیمیایی آلیاژ 6063 Al (wt/%)

پس از سنگ زنی کاغذ سنباده و پرداخت مکانیکی، نمونه های متالوگرافی با معرف HF با کسر حجمی 40 درصد به مدت حدود 25 ثانیه اچ شدند و ساختار متالوگرافی نمونه ها بر روی میکروسکوپ نوری LEICA-5000 مشاهده شد. یک نمونه آنالیز بافت با اندازه 10 میلی متر × 10 میلی متر از مرکز بخش طولی میله اکسترود شده بریده شد و سنگ زنی و اچ مکانیکی برای حذف لایه تنش سطحی انجام شد. شکل قطب ناقص سه صفحه کریستالی {111}، {200}، و {220} نمونه توسط دستگاه تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس X'Pert Pro MRD شرکت PANalytical اندازه‌گیری شد و داده‌های بافت پردازش و آنالیز شدند. توسط نرم افزارهای X′Pert Data View و X′Pert Texture.

نمونه کششی آلیاژ ریخته گری از مرکز شمش گرفته شد و نمونه کششی پس از اکستروژن در جهت اکستروژن برش داده شد. اندازه مساحت گیج Φ4 mm×28 mm بود. آزمایش کشش با استفاده از دستگاه تست مواد جهانی SANS CMT5105 با نرخ کشش 2 میلی‌متر در دقیقه انجام شد. مقدار متوسط ​​سه نمونه استاندارد به عنوان داده های خواص مکانیکی محاسبه شد. مورفولوژی شکست نمونه های کششی با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی با بزرگنمایی کم (Quanta 2000، FEI، ایالات متحده آمریکا) مشاهده شد.

2 نتایج و بحث

شکل 1 ریزساختار متالوگرافی آلیاژ آلومینیوم as-cast 6063 را قبل و بعد از عملیات همگن سازی نشان می دهد. همانطور که در شکل 1a نشان داده شده است، دانه های α-Al در ریزساختار ریخته گری از نظر اندازه متفاوت هستند، تعداد زیادی فاز β-Al9Fe2Si2 شبکه ای در مرزهای دانه جمع می شوند و تعداد زیادی فاز Mg2Si دانه ای در داخل دانه ها وجود دارد. پس از اینکه شمش در دمای 560 درجه سانتیگراد به مدت 6 ساعت همگن شد، فاز یوتکتیک غیرتعادلی بین دندریت های آلیاژی به تدریج حل شد، عناصر آلیاژی در ماتریس حل شدند، ریزساختار یکنواخت بود و اندازه دانه متوسط ​​حدود 125 میکرومتر بود (شکل 1b). ).

قبل از همگن شدن

پس از یکنواخت کردن درمان در دمای 600 درجه سانتیگراد به مدت 6 ساعت

شکل 1 ساختار متالوگرافی آلیاژ آلومینیوم 6063 قبل و بعد از عملیات همگن سازی

شکل 2 ظاهر 6063 میله آلیاژ آلومینیوم را با نسبت های مختلف اکستروژن نشان می دهد. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، کیفیت سطح 6063 میله آلیاژ آلومینیوم اکسترود شده با نسبت های مختلف اکستروژن خوب است، به خصوص زمانی که نسبت اکستروژن به 156 افزایش یابد (مطابق با سرعت خروجی اکستروژن میله 48 متر در دقیقه)، هنوز هیچ وجود ندارد. عیوب اکستروژن مانند ترک و پوسته شدن سطح میله که نشان دهنده این است که 6063 آلیاژ آلومینیوم همچنین دارای عملکرد اکستروژن گرم خوب تحت سرعت بالا و نسبت اکستروژن بزرگ است.

شکل 2 ظاهر میله های آلیاژ آلومینیوم 6063 با نسبت های مختلف اکستروژن

شکل 3 ریزساختار متالوگرافی مقطع طولی میله آلیاژ آلومینیوم 6063 را با نسبت های اکستروژن مختلف نشان می دهد. ساختار دانه ای میله با نسبت های اکستروژن متفاوت درجات متفاوتی از کشیدگی یا پالایش را نشان می دهد. هنگامی که نسبت اکستروژن 17 است، دانه های اصلی در امتداد جهت اکستروژن کشیده می شوند، همراه با تشکیل تعداد کمی دانه های تبلور مجدد، اما دانه ها هنوز نسبتاً درشت هستند، با اندازه دانه متوسط ​​حدود 85 میکرومتر (شکل 3a). ; وقتی نسبت اکستروژن 25 باشد، دانه‌ها باریک‌تر کشیده می‌شوند، تعداد دانه‌های تبلور مجدد افزایش می‌یابد، و اندازه متوسط ​​دانه‌ها به حدود 71 میکرومتر کاهش می‌یابد (شکل 3b). هنگامی که نسبت اکستروژن 39 است، به جز تعداد کمی از دانه های تغییر شکل یافته، ریزساختار اساساً از دانه های متساوی تبلور مجدد با اندازه ناهموار، با اندازه دانه متوسط ​​حدود 60 میکرومتر تشکیل شده است (شکل 3c). هنگامی که نسبت اکستروژن 69 است، فرآیند تبلور مجدد دینامیکی اساساً تکمیل می شود، دانه های درشت اصلی به طور کامل به دانه های تبلور مجدد با ساختار یکنواخت تبدیل شده اند و اندازه متوسط ​​دانه به حدود 41 میکرومتر تصفیه می شود (شکل 3d). هنگامی که نسبت اکستروژن 156 است، با پیشرفت کامل فرآیند تبلور مجدد دینامیکی، ریزساختار یکنواخت تر است و اندازه دانه تا حدود 32 میکرومتر تا حد زیادی تصفیه می شود (شکل 3e). با افزایش نسبت اکستروژن، فرآیند تبلور مجدد دینامیکی به طور کامل پیش می رود، ریزساختار آلیاژ یکنواخت تر می شود و اندازه دانه به طور قابل توجهی تصفیه می شود (شکل 3f).

شکل 3 ساختار متالوگرافی و اندازه دانه مقطع طولی میله های آلیاژ آلومینیوم 6063 با نسبت های اکستروژن متفاوت

شکل 4 شکل های قطب معکوس 6063 میله آلیاژ آلومینیوم را با نسبت های اکستروژن متفاوت در جهت اکستروژن نشان می دهد. مشاهده می شود که ریزساختار میله های آلیاژی با نسبت های اکستروژن متفاوت، همگی جهت گیری ترجیحی آشکاری را ایجاد می کنند. هنگامی که نسبت اکستروژن 17 است، یک بافت <115>+<100> ضعیف تر تشکیل می شود (شکل 4a). هنگامی که نسبت اکستروژن 39 است، اجزای بافت عمدتاً بافت <100> قوی تر و مقدار کمی بافت <115> ضعیف هستند (شکل 4b). هنگامی که نسبت اکستروژن 156 است، اجزای بافت دارای بافت <100> با افزایش قابل توجهی استحکام هستند، در حالی که بافت <115> ناپدید می شود (شکل 4c). مطالعات نشان داده است که فلزات مکعبی رو به مرکز عمدتاً در طول اکستروژن و کشش، بافت های سیمی <111> و <100> را تشکیل می دهند. پس از تشکیل بافت، خواص مکانیکی آلیاژ در دمای اتاق ناهمسانگردی آشکاری را نشان می دهد. استحکام بافت با افزایش نسبت اکستروژن افزایش می‌یابد که نشان می‌دهد تعداد دانه‌ها در یک جهت کریستالی مشخص به موازات جهت اکستروژن در آلیاژ به تدریج افزایش می‌یابد و استحکام کششی طولی آلیاژ افزایش می‌یابد. مکانیسم های تقویتی مواد اکستروژن داغ آلیاژ آلومینیوم 6063 شامل تقویت دانه ریز، تقویت نابجایی، تقویت بافت و غیره است. در محدوده پارامترهای فرآیند استفاده شده در این مطالعه تجربی، افزایش نسبت اکستروژن اثر ارتقایی بر مکانیزم های تقویتی فوق دارد.

شکل 4 نمودار قطب معکوس میله های آلیاژ آلومینیوم 6063 با نسبت های اکستروژن مختلف در امتداد جهت اکستروژن

شکل 5 یک هیستوگرام از خواص کششی آلیاژ آلومینیوم 6063 پس از تغییر شکل در نسبت های اکستروژن مختلف است. استحکام کششی آلیاژ ریخته گری 170 مگاپاسکال و ازدیاد طول آن 10.4 درصد است. استحکام کششی و ازدیاد طول آلیاژ پس از اکستروژن به طور قابل توجهی بهبود می یابد و استحکام کششی و ازدیاد طول به تدریج با افزایش نسبت اکستروژن افزایش می یابد. وقتی نسبت اکستروژن 156 باشد، استحکام کششی و ازدیاد طول آلیاژ به حداکثر مقدار می رسد که به ترتیب 228 مگاپاسکال و 26.9 درصد است که حدود 34 درصد بیشتر از استحکام کششی آلیاژ ریخته گری و حدود 158 درصد بیشتر از آن است. ازدیاد طول استحکام کششی آلیاژ آلومینیوم 6063 که با نسبت اکستروژن بزرگ به دست می‌آید نزدیک به مقدار مقاومت کششی (240 مگاپاسکال) است که توسط اکستروژن زاویه‌ای کانال مساوی 4 پاس (ECAP) به دست می‌آید که بسیار بالاتر از مقدار مقاومت کششی (171.1 مگاپاسکال) است. به دست آمده با اکستروژن ECAP 1 پاس از آلیاژ آلومینیوم 6063. مشاهده می شود که نسبت اکستروژن زیاد می تواند خواص مکانیکی آلیاژ را تا حد معینی بهبود بخشد.

افزایش خواص مکانیکی آلیاژ با نسبت اکستروژن عمدتاً از تقویت پالایش دانه حاصل می شود. با افزایش نسبت اکستروژن، دانه ها تصفیه می شوند و چگالی دررفتگی افزایش می یابد. مرز دانه های بیشتر در واحد سطح می تواند به طور موثری مانع حرکت نابجایی ها شود، همراه با حرکت متقابل و درهم تنیدگی نابجایی ها، در نتیجه استحکام آلیاژ را بهبود می بخشد. هر چه دانه‌ها ریزتر باشند، مرزهای دانه‌ها پرپیچ‌وخم‌تر می‌شوند و تغییر شکل پلاستیکی را می‌توان در دانه‌های بیشتری پراکنده کرد، که برای ایجاد ترک‌ها مساعد نیست، چه رسد به انتشار ترک‌ها. انرژی بیشتری می تواند در طول فرآیند شکست جذب شود و در نتیجه انعطاف پذیری آلیاژ بهبود یابد.

شکل 5 خواص کششی آلیاژ آلومینیوم 6063 پس از ریخته گری و اکستروژن

مورفولوژی شکست کششی آلیاژ پس از تغییر شکل با نسبت های اکستروژن مختلف در شکل 6 نشان داده شده است. هیچ فرورفتگی در مورفولوژی شکست نمونه ریخته گری شده (شکل 6a) یافت نشد، و شکست عمدتاً از نواحی صاف و لبه های پارگی تشکیل شده است. ، نشان می دهد که مکانیسم شکست کششی آلیاژ ریختگی عمدتاً شکست شکننده است. مورفولوژی شکست آلیاژ پس از اکستروژن به طور قابل توجهی تغییر کرده است و شکست از تعداد زیادی گودی هم محور تشکیل شده است که نشان می دهد مکانیسم شکست آلیاژ پس از اکستروژن از شکست ترد به شکست انعطاف پذیر تغییر کرده است. هنگامی که نسبت اکستروژن کوچک است، گودی ها کم عمق و اندازه گودی بزرگ است و توزیع ناهموار است. با افزایش نسبت اکستروژن، تعداد گودی ها افزایش می یابد، اندازه گودی کوچکتر می شود و توزیع یکنواخت است (شکل 6b~f)، که به این معنی است که آلیاژ انعطاف پذیری بهتری دارد، که با نتایج آزمایش خواص مکانیکی بالا مطابقت دارد.

3 نتیجه گیری

در این آزمایش، اثرات نسبت‌های مختلف اکستروژن بر روی ریزساختار و خواص آلیاژ آلومینیوم 6063 تحت شرایطی که اندازه بیلت، دمای گرمایش شمش و سرعت اکستروژن بدون تغییر باقی می‌ماند، مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. نتیجه گیری به شرح زیر است:

1) تبلور مجدد دینامیکی در آلیاژ آلومینیوم 6063 در هنگام اکستروژن داغ رخ می دهد. با افزایش نسبت اکستروژن، دانه‌ها به طور مداوم تصفیه می‌شوند و دانه‌های دراز در امتداد جهت اکستروژن به دانه‌های تبلور مجدد هم محور تبدیل می‌شوند و استحکام <100> بافت سیم به طور مداوم افزایش می‌یابد.

2) با توجه به اثر تقویت دانه ریز، خواص مکانیکی آلیاژ با افزایش نسبت اکستروژن بهبود می یابد. در محدوده پارامترهای آزمایش، زمانی که نسبت اکستروژن 156 باشد، استحکام کششی و ازدیاد طول آلیاژ به ترتیب به حداکثر مقادیر 228 مگاپاسکال و 26.9 درصد می رسد.

شکل 6 مورفولوژی شکست کششی آلیاژ آلومینیوم 6063 پس از ریخته گری و اکستروژن

3) مورفولوژی شکست نمونه به عنوان ریخته گری از نواحی صاف و لبه های پارگی تشکیل شده است. پس از اکستروژن، شکستگی از تعداد زیادی گودی هم محور تشکیل شده است و مکانیسم شکست از شکستگی شکننده به شکستگی انعطاف پذیر تبدیل می شود.