تأثیر نسبت‌های مختلف اکستروژن بر ریزساختار و خواص مکانیکی میله‌های آلیاژ آلومینیوم ۶۰۶۳ چیست؟

آلیاژ آلومینیوم ۶۰۶۳ متعلق به آلیاژ آلومینیوم عملیات حرارتی‌پذیر سری Al-Mg-Si با آلیاژ کم است. این آلیاژ دارای عملکرد قالب‌گیری اکستروژن عالی، مقاومت در برابر خوردگی خوب و خواص مکانیکی جامع است. همچنین به دلیل رنگ‌آمیزی آسان در برابر اکسیداسیون، در صنعت خودرو به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. با شتاب گرفتن روند خودروهای سبک، کاربرد مواد اکستروژن آلیاژ آلومینیوم ۶۰۶۳ در صنعت خودرو نیز افزایش یافته است. 

ریزساختار و خواص مواد اکسترود شده تحت تأثیر اثرات ترکیبی سرعت اکستروژن، دمای اکستروژن و نسبت اکستروژن قرار می‌گیرد. در میان آنها، نسبت اکستروژن عمدتاً توسط فشار اکستروژن، راندمان تولید و تجهیزات تولید تعیین می‌شود. هنگامی که نسبت اکستروژن کوچک است، تغییر شکل آلیاژ کم است و اصلاح ریزساختار آشکار نیست. افزایش نسبت اکستروژن می‌تواند دانه‌ها را به طور قابل توجهی اصلاح کند، فاز دوم درشت را بشکند، ریزساختار یکنواختی به دست آورد و خواص مکانیکی آلیاژ را بهبود بخشد.

آلیاژهای آلومینیوم ۶۰۶۱ و ۶۰۶۳ در طول فرآیند اکستروژن دچار تبلور مجدد دینامیکی می‌شوند. وقتی دمای اکستروژن ثابت باشد، با افزایش نسبت اکستروژن، اندازه دانه کاهش می‌یابد، فاز تقویت‌کننده به خوبی پراکنده می‌شود و استحکام کششی و ازدیاد طول آلیاژ نیز به تبع آن افزایش می‌یابد. با این حال، با افزایش نسبت اکستروژن، نیروی اکستروژن مورد نیاز برای فرآیند اکستروژن نیز افزایش می‌یابد و باعث ایجاد اثر حرارتی بیشتر، افزایش دمای داخلی آلیاژ و کاهش عملکرد محصول می‌شود. این آزمایش به بررسی تأثیر نسبت اکستروژن، به ویژه نسبت اکستروژن بزرگ، بر ریزساختار و خواص مکانیکی آلیاژ آلومینیوم ۶۰۶۳ می‌پردازد.

۱ مواد و روش‌های تجربی

ماده آزمایشی آلیاژ آلومینیوم ۶۰۶۳ است و ترکیب شیمیایی آن در جدول ۱ نشان داده شده است. اندازه اولیه شمش Φ۵۵ میلی‌متر × ۱۶۵ میلی‌متر است و پس از عملیات همگن‌سازی در دمای ۵۶۰ درجه سانتیگراد به مدت ۶ ساعت، به یک بیلت اکستروژن با اندازه Φ۵۰ میلی‌متر × ۱۵۰ میلی‌متر تبدیل می‌شود. بیلت تا دمای ۴۷۰ درجه سانتیگراد گرم شده و گرم نگه داشته می‌شود. دمای پیش‌گرمایش سیلندر اکستروژن ۴۲۰ درجه سانتیگراد و دمای پیش‌گرمایش قالب ۴۵۰ درجه سانتیگراد است. وقتی سرعت اکستروژن (سرعت حرکت میله اکستروژن) V=5 میلی‌متر بر ثانیه بدون تغییر باقی بماند، 5 گروه آزمایش با نسبت اکستروژن مختلف انجام می‌شود و نسبت‌های اکستروژن R برابر با 17 (مربوط به قطر سوراخ قالب D=12 میلی‌متر)، 25 (D=10 میلی‌متر)، 39 (D=8 میلی‌متر)، 69 (D=6 میلی‌متر) و 156 (D=4 میلی‌متر) هستند.

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

پس از سنباده‌زنی و پولیش مکانیکی، نمونه‌های متالوگرافی با معرف HF با کسر حجمی ۴۰٪ به مدت حدود ۲۵ ثانیه اچ شدند و ساختار متالوگرافی نمونه‌ها روی میکروسکوپ نوری LEICA-5000 مشاهده شد. یک نمونه آنالیز بافت با اندازه ۱۰ میلی‌متر×۱۰ میلی‌متر از مرکز مقطع طولی میله اکسترود شده بریده شد و سنگ‌زنی مکانیکی و اچینگ برای حذف لایه تنش سطحی انجام شد. شکل‌های ناقص قطب‌های سه صفحه کریستالی {۱۱۱}، {۲۰۰} و {۲۲۰} نمونه توسط آنالیزور پراش اشعه ایکس X′Pert Pro MRD شرکت PANalytical اندازه‌گیری شد و داده‌های بافت توسط نرم‌افزارهای X′Pert Data View و X′Pert Texture پردازش و آنالیز شدند.

نمونه کششی آلیاژ ریخته‌گری شده از مرکز شمش گرفته شد و نمونه کششی پس از اکستروژن در امتداد جهت اکستروژن برش داده شد. اندازه ناحیه گیج Φ4 میلی‌متر × 28 میلی‌متر بود. آزمایش کشش با استفاده از دستگاه تست مواد جهانی SANS CMT5105 با سرعت کشش 2 میلی‌متر در دقیقه انجام شد. مقدار میانگین سه نمونه استاندارد به عنوان داده‌های خواص مکانیکی محاسبه شد. مورفولوژی شکست نمونه‌های کششی با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی با بزرگنمایی کم (Quanta 2000، FEI، ایالات متحده آمریکا) مشاهده شد.

۲ نتایج و بحث

شکل 1 ریزساختار متالوگرافی آلیاژ آلومینیوم 6063 ریخته‌گری شده را قبل و بعد از عملیات همگن‌سازی نشان می‌دهد. همانطور که در شکل 1a نشان داده شده است، دانه‌های α-Al در ریزساختار ریخته‌گری شده از نظر اندازه متفاوت هستند، تعداد زیادی فاز شبکه‌ای β-Al9Fe2Si2 در مرز دانه‌ها جمع می‌شوند و تعداد زیادی فاز دانه‌ای Mg2Si در داخل دانه‌ها وجود دارد. پس از همگن‌سازی شمش در دمای 560 درجه سانتیگراد به مدت 6 ساعت، فاز یوتکتیک غیرتعادلی بین دندریت‌های آلیاژ به تدریج حل شد، عناصر آلیاژ در ماتریس حل شدند، ریزساختار یکنواخت بود و اندازه متوسط ​​دانه حدود 125 میکرومتر بود (شکل 1b).

قبل از همگن‌سازی

پس از یکنواخت سازی عملیات در دمای 600 درجه سانتیگراد به مدت 6 ساعت

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

شکل ۲ ظاهر میله‌های آلیاژ آلومینیوم ۶۰۶۳ با نسبت‌های اکستروژن مختلف را نشان می‌دهد. همانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است، کیفیت سطح میله‌های آلیاژ آلومینیوم ۶۰۶۳ اکسترود شده با نسبت‌های اکستروژن مختلف خوب است، به خصوص هنگامی که نسبت اکستروژن به ۱۵۶ افزایش می‌یابد (مطابق با سرعت خروجی اکستروژن میله ۴۸ متر بر دقیقه)، هنوز هیچ نقص اکستروژنی مانند ترک و لایه برداری روی سطح میله وجود ندارد، که نشان می‌دهد آلیاژ آلومینیوم ۶۰۶۳ همچنین عملکرد شکل‌دهی اکستروژن گرم خوبی تحت سرعت بالا و نسبت اکستروژن بزرگ دارد.

شکل 2 ظاهر میله‌های آلیاژ آلومینیوم 6063 با نسبت‌های اکستروژن مختلف

شکل 3 ریزساختار متالوگرافی مقطع طولی میلگرد آلیاژ آلومینیوم 6063 با نسبت‌های اکستروژن مختلف را نشان می‌دهد. ساختار دانه میلگرد با نسبت‌های اکستروژن مختلف، درجات مختلفی از کشیدگی یا اصلاح را نشان می‌دهد. وقتی نسبت اکستروژن 17 است، دانه‌های اولیه در امتداد جهت اکستروژن کشیده می‌شوند که با تشکیل تعداد کمی دانه تبلور مجدد همراه است، اما دانه‌ها هنوز نسبتاً درشت هستند و اندازه متوسط ​​دانه حدود 85 میکرومتر است (شکل 3a)؛ وقتی نسبت اکستروژن 25 است، دانه‌ها باریک‌تر کشیده می‌شوند، تعداد دانه‌های تبلور مجدد افزایش می‌یابد و اندازه متوسط ​​دانه به حدود 71 میکرومتر کاهش می‌یابد (شکل 3b)؛ وقتی نسبت اکستروژن 39 است، به جز تعداد کمی دانه تغییر شکل یافته، ریزساختار اساساً از دانه‌های تبلور مجدد هم محور با اندازه ناهموار تشکیل شده است که اندازه متوسط ​​دانه حدود 60 میکرومتر است (شکل 3c)؛ وقتی نسبت اکستروژن ۶۹ باشد، فرآیند تبلور مجدد دینامیکی اساساً تکمیل می‌شود، دانه‌های درشت اولیه کاملاً به دانه‌های تبلور مجدد با ساختار یکنواخت تبدیل می‌شوند و اندازه متوسط ​​دانه تا حدود ۴۱ میکرومتر ریز می‌شود (شکل ۳d)؛ وقتی نسبت اکستروژن ۱۵۶ باشد، با پیشرفت کامل فرآیند تبلور مجدد دینامیکی، ریزساختار یکنواخت‌تر می‌شود و اندازه دانه تا حدود ۳۲ میکرومتر ریزتر می‌شود (شکل ۳e). با افزایش نسبت اکستروژن، فرآیند تبلور مجدد دینامیکی به طور کامل‌تری پیش می‌رود، ریزساختار آلیاژ یکنواخت‌تر می‌شود و اندازه دانه به طور قابل توجهی ریزتر می‌شود (شکل ۳f).

شکل 3 ساختار متالوگرافی و اندازه دانه مقطع طولی میله‌های آلیاژ آلومینیوم 6063 با نسبت‌های اکستروژن مختلف

شکل ۴، نمودار قطب‌های معکوس میله‌های آلیاژ آلومینیوم ۶۰۶۳ با نسبت‌های اکستروژن مختلف را در امتداد جهت اکستروژن نشان می‌دهد. می‌توان مشاهده کرد که ریزساختار میله‌های آلیاژی با نسبت‌های اکستروژن مختلف، همگی جهت‌گیری ترجیحی آشکاری ایجاد می‌کنند. وقتی نسبت اکستروژن ۱۷ است، بافت ضعیف‌تر <۱۱۵>+<۱۰۰> تشکیل می‌شود (شکل ۴a)؛ وقتی نسبت اکستروژن ۳۹ است، اجزای بافت عمدتاً بافت قوی‌تر <۱۰۰> و مقدار کمی بافت ضعیف <۱۱۵> هستند (شکل ۴b)؛ وقتی نسبت اکستروژن ۱۵۶ است، اجزای بافت، بافت <۱۰۰> با استحکام قابل توجه افزایش یافته هستند، در حالی که بافت <۱۱۵> ناپدید می‌شود (شکل ۴c). مطالعات نشان داده‌اند که فلزات مکعبی با وجوه مرکزپر، عمدتاً بافت‌های سیمی <۱۱۱> و <۱۰۰> را در طول اکستروژن و کشش تشکیل می‌دهند. پس از تشکیل بافت، خواص مکانیکی دمای اتاق آلیاژ ناهمسانگردی آشکاری را نشان می‌دهد. استحکام بافت با افزایش نسبت اکستروژن افزایش می‌یابد، که نشان می‌دهد تعداد دانه‌ها در یک جهت کریستالی خاص موازی با جهت اکستروژن در آلیاژ به تدریج افزایش می‌یابد و استحکام کششی طولی آلیاژ افزایش می‌یابد. مکانیسم‌های تقویت مواد اکستروژن گرم آلیاژ آلومینیوم ۶۰۶۳ شامل تقویت دانه‌های ریز، تقویت نابجایی، تقویت بافت و غیره است. در محدوده پارامترهای فرآیند مورد استفاده در این مطالعه تجربی، افزایش نسبت اکستروژن تأثیر مثبتی بر مکانیسم‌های تقویت فوق دارد.

شکل 4 نمودار قطب معکوس میله‌های آلیاژ آلومینیوم 6063 با نسبت‌های اکستروژن مختلف در امتداد جهت اکستروژن

شکل 5 هیستوگرام خواص کششی آلیاژ آلومینیوم 6063 پس از تغییر شکل در نسبت‌های مختلف اکستروژن را نشان می‌دهد. استحکام کششی آلیاژ ریخته‌گری شده 170 مگاپاسکال و ازدیاد طول 10.4٪ است. استحکام کششی و ازدیاد طول آلیاژ پس از اکستروژن به طور قابل توجهی بهبود یافته است و استحکام کششی و ازدیاد طول به تدریج با افزایش نسبت اکستروژن افزایش می‌یابد. هنگامی که نسبت اکستروژن 156 است، استحکام کششی و ازدیاد طول آلیاژ به حداکثر مقدار خود می‌رسد که به ترتیب 228 مگاپاسکال و 26.9٪ است که حدود 34٪ ​​بیشتر از استحکام کششی آلیاژ ریخته‌گری شده و حدود 158٪ بیشتر از ازدیاد طول است. استحکام کششی آلیاژ آلومینیوم ۶۰۶۳ که ​​با نسبت اکستروژن بزرگ به دست می‌آید، نزدیک به مقدار استحکام کششی (۲۴۰ مگاپاسکال) حاصل از اکستروژن زاویه‌دار با کانال‌های مساوی ۴ پاس (ECAP) است که بسیار بالاتر از مقدار استحکام کششی (۱۷۱.۱ مگاپاسکال) حاصل از اکستروژن ECAP یک پاس آلیاژ آلومینیوم ۶۰۶۳ است. می‌توان مشاهده کرد که نسبت اکستروژن بزرگ می‌تواند خواص مکانیکی آلیاژ را تا حدی بهبود بخشد.

افزایش خواص مکانیکی آلیاژ با نسبت اکستروژن عمدتاً از تقویت ریزدانه‌ها ناشی می‌شود. با افزایش نسبت اکستروژن، دانه‌ها ریزتر شده و چگالی نابجایی‌ها افزایش می‌یابد. وجود مرزدانه‌های بیشتر در واحد سطح می‌تواند به طور مؤثر مانع حرکت نابجایی‌ها شود، همراه با حرکت متقابل و درهم‌تنیدگی نابجایی‌ها، در نتیجه استحکام آلیاژ را بهبود می‌بخشد. هرچه دانه‌ها ریزتر باشند، مرزهای دانه پرپیچ‌وخم‌تر می‌شوند و تغییر شکل پلاستیک می‌تواند در دانه‌های بیشتری پراکنده شود، که این امر منجر به تشکیل ترک، چه رسد به انتشار ترک، نمی‌شود. در طول فرآیند شکست، انرژی بیشتری می‌تواند جذب شود و در نتیجه انعطاف‌پذیری آلیاژ بهبود می‌یابد.

شکل 5 خواص کششی آلیاژ آلومینیوم 6063 پس از ریخته‌گری و اکستروژن

مورفولوژی شکست کششی آلیاژ پس از تغییر شکل با نسبت‌های اکستروژن مختلف در شکل 6 نشان داده شده است. هیچ فرورفتگی در مورفولوژی شکست نمونه ریخته‌گری شده مشاهده نشد (شکل 6a) و شکست عمدتاً از نواحی مسطح و لبه‌های پاره شده تشکیل شده بود که نشان می‌دهد مکانیسم شکست کششی آلیاژ ریخته‌گری شده عمدتاً شکست ترد بوده است. مورفولوژی شکست آلیاژ پس از اکستروژن به طور قابل توجهی تغییر کرده است و شکست از تعداد زیادی فرورفتگی هم‌محور تشکیل شده است که نشان می‌دهد مکانیسم شکست آلیاژ پس از اکستروژن از شکست ترد به شکست نرم تغییر کرده است. هنگامی که نسبت اکستروژن کوچک است، فرورفتگی‌ها کم‌عمق و اندازه فرورفتگی بزرگ است و توزیع ناهموار است. با افزایش نسبت اکستروژن، تعداد فرورفتگی‌ها افزایش می‌یابد، اندازه فرورفتگی کوچکتر و توزیع یکنواخت است (شکل 6b~f)، به این معنی که آلیاژ از انعطاف‌پذیری بهتری برخوردار است که با نتایج آزمایش خواص مکانیکی فوق مطابقت دارد.

۳ نتیجه‌گیری

در این آزمایش، اثرات نسبت‌های مختلف اکستروژن بر ریزساختار و خواص آلیاژ آلومینیوم ۶۰۶۳ تحت شرایطی که اندازه بیلت، دمای گرمایش شمش و سرعت اکستروژن بدون تغییر باقی ماندند، مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. نتایج به شرح زیر است:

۱) تبلور مجدد دینامیکی در آلیاژ آلومینیوم ۶۰۶۳ در حین اکستروژن گرم رخ می‌دهد. با افزایش نسبت اکستروژن، دانه‌ها به طور مداوم ریز می‌شوند و دانه‌هایی که در امتداد جهت اکستروژن کشیده شده‌اند به دانه‌های تبلور مجدد هم‌محور تبدیل می‌شوند و استحکام بافت سیم <100> به طور مداوم افزایش می‌یابد.

۲) به دلیل اثر تقویت دانه‌بندی ریز، خواص مکانیکی آلیاژ با افزایش نسبت اکستروژن بهبود می‌یابد. در محدوده پارامترهای آزمایش، هنگامی که نسبت اکستروژن ۱۵۶ است، استحکام کششی و ازدیاد طول آلیاژ به ترتیب به حداکثر مقادیر ۲۲۸ مگاپاسکال و ۲۶.۹ درصد می‌رسد.

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

۳) مورفولوژی شکست نمونه ریخته‌گری شده از نواحی مسطح و لبه‌های پارگی تشکیل شده است. پس از اکستروژن، شکست از تعداد زیادی فرورفتگی هم‌محور تشکیل شده و مکانیسم شکست از شکست ترد به شکست نرم تبدیل می‌شود.