L'alliage d'aluminium 6063 appartient à l'alliage d'aluminium faiblement allié de la série Al-Mg-Si pouvant être traité thermiquement. Il présente d'excellentes performances de moulage par extrusion, une bonne résistance à la corrosion et des propriétés mécaniques complètes. Il est également largement utilisé dans l’industrie automobile en raison de sa coloration facile par oxydation. Avec l'accélération de la tendance des automobiles légères, l'application des matériaux d'extrusion en alliage d'aluminium 6063 dans l'industrie automobile a également augmenté.
La microstructure et les propriétés des matériaux extrudés sont affectées par les effets combinés de la vitesse d'extrusion, de la température d'extrusion et du taux d'extrusion. Parmi eux, le taux d'extrusion est principalement déterminé par la pression d'extrusion, l'efficacité de la production et l'équipement de production. Lorsque le taux d'extrusion est faible, la déformation de l'alliage est faible et le raffinement de la microstructure n'est pas évident ; l'augmentation du taux d'extrusion peut affiner considérablement les grains, briser la deuxième phase grossière, obtenir une microstructure uniforme et améliorer les propriétés mécaniques de l'alliage.
Les alliages d'aluminium 6061 et 6063 subissent une recristallisation dynamique pendant le processus d'extrusion. Lorsque la température d'extrusion est constante, à mesure que le taux d'extrusion augmente, la taille des grains diminue, la phase de renforcement est finement dispersée et la résistance à la traction et l'allongement de l'alliage augmentent en conséquence ; cependant, à mesure que le taux d'extrusion augmente, la force d'extrusion requise pour le processus d'extrusion augmente également, provoquant un effet thermique plus important, provoquant une augmentation de la température interne de l'alliage et une diminution des performances du produit. Cette expérience étudie l'effet du taux d'extrusion, en particulier un taux d'extrusion élevé, sur la microstructure et les propriétés mécaniques de l'alliage d'aluminium 6063.
1 Matériels et méthodes expérimentaux
Le matériau expérimental est un alliage d'aluminium 6063 et la composition chimique est présentée dans le tableau 1. La taille originale du lingot est de Φ55 mm × 165 mm et il est transformé en une billette d'extrusion d'une taille de Φ50 mm × 150 mm après homogénéisation. traitement à 560 ℃ pendant 6 h. La billette est chauffée à 470 ℃ et maintenue au chaud. La température de préchauffage du baril d'extrusion est de 420 ℃ et la température de préchauffage du moule est de 450 ℃. Lorsque la vitesse d'extrusion (vitesse de déplacement de la tige d'extrusion) V = 5 mm/s reste inchangée, 5 groupes de tests de taux d'extrusion différents sont effectués, et les taux d'extrusion R sont de 17 (correspondant au diamètre du trou de filière D = 12 mm), 25 (D=10 mm), 39 (D=8 mm), 69 (D=6 mm) et 156 (D=4 mm).
Tableau 1 Compositions chimiques de l'alliage 6063 Al (poids/%)
Après meulage au papier de verre et polissage mécanique, les échantillons métallographiques ont été gravés avec un réactif HF avec une fraction volumique de 40% pendant environ 25 s, et la structure métallographique des échantillons a été observée sur un microscope optique LEICA-5000. Un échantillon d'analyse de texture d'une taille de 10 mm x 10 mm a été découpé au centre de la section longitudinale de la tige extrudée, et un meulage mécanique et une gravure ont été effectués pour éliminer la couche de contrainte de surface. Les figures polaires incomplètes des trois plans cristallins {111}, {200} et {220} de l'échantillon ont été mesurées par l'analyseur de diffraction des rayons X X′Pert Pro MRD de la société PANalytical, et les données de texture ont été traitées et analysées. par les logiciels X′Pert Data View et X′Pert Texture.
L'éprouvette de traction de l'alliage coulé a été prélevée au centre du lingot et l'éprouvette de traction a été coupée dans le sens de l'extrusion après l'extrusion. La taille de la zone de jauge était de Φ4 mm x 28 mm. L'essai de traction a été réalisé à l'aide d'une machine d'essai de matériaux universelle SANS CMT5105 avec une vitesse de traction de 2 mm/min. La valeur moyenne des trois échantillons standards a été calculée en tant que données de propriétés mécaniques. La morphologie de rupture des éprouvettes de traction a été observée à l'aide d'un microscope électronique à balayage à faible grossissement (Quanta 2000, FEI, USA).
2 Résultats et discussion
La figure 1 montre la microstructure métallographique de l'alliage d'aluminium 6063 tel que coulé avant et après le traitement d'homogénéisation. Comme le montre la figure 1a, la taille des grains d'α-Al dans la microstructure telle que coulée varie, un grand nombre de phases réticulaires β-Al9Fe2Si2 se rassemblent aux joints des grains et un grand nombre de phases granulaires de Mg2Si existent à l'intérieur des grains. Après que le lingot ait été homogénéisé à 560 ℃ pendant 6 h, la phase eutectique hors équilibre entre les dendrites de l'alliage s'est progressivement dissoute, les éléments de l'alliage se sont dissous dans la matrice, la microstructure était uniforme et la taille moyenne des grains était d'environ 125 μm (Figure 1b). ).
Avant homogénéisation
Après traitement uniformisant à 600°C pendant 6 heures
Fig.1 Structure métallographique de l'alliage d'aluminium 6063 avant et après traitement d'homogénéisation
La figure 2 montre l'apparence de barres en alliage d'aluminium 6063 avec différents taux d'extrusion. Comme le montre la figure 2, la qualité de surface des barres en alliage d'aluminium 6063 extrudées avec différents taux d'extrusion est bonne, en particulier lorsque le taux d'extrusion est augmenté à 156 (correspondant à la vitesse de sortie d'extrusion de la barre de 48 m/min), il n'y a toujours pas de des défauts d'extrusion tels que des fissures et un pelage sur la surface de la barre, indiquant que l'alliage d'aluminium 6063 présente également de bonnes performances de formage par extrusion à chaud à grande vitesse et avec un rapport d'extrusion élevé.
Fig.2 Aspect des tiges en alliage d'aluminium 6063 avec différents taux d'extrusion
La figure 3 montre la microstructure métallographique de la section longitudinale de la barre en alliage d'aluminium 6063 avec différents taux d'extrusion. La structure des grains de la barre avec différents taux d'extrusion présente différents degrés d'allongement ou de raffinement. Lorsque le taux d'extrusion est de 17, les grains d'origine sont allongés dans le sens de l'extrusion, accompagnés de la formation d'un petit nombre de grains recristallisés, mais les grains sont encore relativement grossiers, avec une granulométrie moyenne d'environ 85 µm (Figure 3a). ; lorsque le taux d'extrusion est de 25, les grains sont plus fins, le nombre de grains recristallisés augmente et la taille moyenne des grains diminue jusqu'à environ 71 µm (Figure 3b) ; lorsque le taux d'extrusion est de 39, à l'exception d'un petit nombre de grains déformés, la microstructure est essentiellement composée de grains recristallisés équiaxes de taille inégale, avec une granulométrie moyenne d'environ 60 µm (Figure 3c) ; lorsque le taux d'extrusion est de 69, le processus de recristallisation dynamique est pratiquement terminé, les grains grossiers d'origine ont été complètement transformés en grains recristallisés à structure uniforme et la taille moyenne des grains est affinée à environ 41 µm (Figure 3d) ; lorsque le taux d'extrusion est de 156, avec la progression complète du processus de recristallisation dynamique, la microstructure est plus uniforme et la taille des grains est considérablement affinée jusqu'à environ 32 µm (Figure 3e). Avec l'augmentation du taux d'extrusion, le processus de recristallisation dynamique se déroule plus pleinement, la microstructure de l'alliage devient plus uniforme et la taille des grains est considérablement affinée (Figure 3f).
Fig.3 Structure métallographique et granulométrie de la section longitudinale de tiges en alliage d'aluminium 6063 avec différents taux d'extrusion
La figure 4 montre les figures polaires inverses de barres en alliage d'aluminium 6063 avec différents taux d'extrusion dans la direction d'extrusion. On peut voir que les microstructures des barres d’alliage avec différents taux d’extrusion produisent toutes une orientation préférentielle évidente. Lorsque le taux d'extrusion est de 17, une texture <115>+<100> plus faible est formée (Figure 4a) ; lorsque le taux d'extrusion est de 39, les composants de texture sont principalement la texture <100> plus forte et une petite quantité de texture <115> faible (Figure 4b) ; lorsque le taux d'extrusion est de 156, les composants de texture sont la texture <100> avec une résistance considérablement accrue, tandis que la texture <115> disparaît (Figure 4c). Des études ont montré que les métaux cubiques à faces centrées forment principalement des textures de fils <111> et <100> lors de l'extrusion et de l'étirage. Une fois la texture formée, les propriétés mécaniques de l’alliage à température ambiante présentent une anisotropie évidente. La résistance de la texture augmente avec l'augmentation du taux d'extrusion, indiquant que le nombre de grains dans une certaine direction cristalline parallèle à la direction d'extrusion dans l'alliage augmente progressivement et que la résistance à la traction longitudinale de l'alliage augmente. Les mécanismes de renforcement des matériaux d'extrusion à chaud en alliage d'aluminium 6063 comprennent le renforcement des grains fins, le renforcement des dislocations, le renforcement de la texture, etc. Dans la gamme des paramètres de processus utilisés dans cette étude expérimentale, l'augmentation du taux d'extrusion a un effet favorisant sur les mécanismes de renforcement ci-dessus.
Fig.4 Diagramme des pôles inversés de tiges en alliage d'aluminium 6063 avec différents taux d'extrusion dans la direction d'extrusion
La figure 5 est un histogramme des propriétés de traction de l'alliage d'aluminium 6063 après déformation à différents taux d'extrusion. La résistance à la traction de l'alliage coulé est de 170 MPa et l'allongement est de 10,4 %. La résistance à la traction et l'allongement de l'alliage après extrusion sont considérablement améliorés, et la résistance à la traction et l'allongement augmentent progressivement avec l'augmentation du taux d'extrusion. Lorsque le taux d'extrusion est de 156, la résistance à la traction et l'allongement de l'alliage atteignent la valeur maximale, qui est respectivement de 228 MPa et 26,9 %, ce qui est environ 34 % plus élevé que la résistance à la traction de l'alliage coulé et environ 158 % plus élevé que l'allongement. La résistance à la traction de l'alliage d'aluminium 6063 obtenue par un taux d'extrusion élevé est proche de la valeur de résistance à la traction (240 MPa) obtenue par extrusion angulaire à canal égal en 4 passes (ECAP), qui est bien supérieure à la valeur de résistance à la traction (171,1 MPa). obtenu par extrusion ECAP en 1 passe d'alliage d'aluminium 6063. On peut voir qu'un taux d'extrusion élevé peut améliorer dans une certaine mesure les propriétés mécaniques de l'alliage.
L'amélioration des propriétés mécaniques de l'alliage par taux d'extrusion provient principalement du renforcement du raffinement des grains. À mesure que le taux d'extrusion augmente, les grains sont raffinés et la densité de dislocation augmente. Un plus grand nombre de joints de grains par unité de surface peut effectivement entraver le mouvement des dislocations, combiné au mouvement mutuel et à l'enchevêtrement des dislocations, améliorant ainsi la résistance de l'alliage. Plus les grains sont fins, plus les joints de grains sont tortueux, et la déformation plastique peut être dispersée dans davantage de grains, ce qui n'est pas propice à la formation de fissures, encore moins à la propagation de fissures. Plus d'énergie peut être absorbée pendant le processus de fracture, améliorant ainsi la plasticité de l'alliage.
Fig.5 Propriétés de traction de l'alliage d'aluminium 6063 après coulée et extrusion
La morphologie de rupture en traction de l'alliage après déformation avec différents taux d'extrusion est illustrée à la figure 6. Aucune fossette n'a été trouvée dans la morphologie de rupture de l'échantillon tel que coulé (figure 6a), et la fracture était principalement composée de zones plates et de bords de déchirure. , indiquant que le mécanisme de rupture par traction de l'alliage tel que coulé était principalement une rupture fragile. La morphologie de fracture de l'alliage après extrusion a considérablement changé et la fracture est composée d'un grand nombre de fossettes équiaxes, ce qui indique que le mécanisme de fracture de l'alliage après extrusion est passé d'une fracture fragile à une fracture ductile. Lorsque le taux d'extrusion est petit, les fossettes sont peu profondes et la taille des fossettes est grande, et la répartition est inégale ; à mesure que le taux d'extrusion augmente, le nombre de fossettes augmente, la taille des fossettes est plus petite et la distribution est uniforme (Figure 6b ~ f), ce qui signifie que l'alliage a une meilleure plasticité, ce qui est cohérent avec les résultats des tests de propriétés mécaniques ci-dessus.
3 Conclusion
Dans cette expérience, les effets de différents taux d'extrusion sur la microstructure et les propriétés de l'alliage d'aluminium 6063 ont été analysés à condition que la taille de la billette, la température de chauffage du lingot et la vitesse d'extrusion restent inchangées. Les conclusions sont les suivantes :
1) La recristallisation dynamique se produit dans l’alliage d’aluminium 6063 lors de l’extrusion à chaud. Avec l'augmentation du taux d'extrusion, les grains sont continuellement raffinés et les grains allongés le long de la direction d'extrusion sont transformés en grains recristallisés équiaxiaux, et la résistance de la texture du fil <100> est continuellement augmentée.
2) En raison de l'effet de renforcement des grains fins, les propriétés mécaniques de l'alliage sont améliorées avec l'augmentation du taux d'extrusion. Dans la plage des paramètres de test, lorsque le taux d'extrusion est de 156, la résistance à la traction et l'allongement de l'alliage atteignent les valeurs maximales de 228 MPa et 26,9 %, respectivement.
Fig.6 Morphologies de rupture par traction de l'alliage d'aluminium 6063 après coulée et extrusion
3) La morphologie de fracture de l'éprouvette telle que coulée est composée de zones plates et de bords de déchirure. Après extrusion, la fracture est composée d'un grand nombre de fossettes équiaxes et le mécanisme de fracture passe d'une fracture fragile à une fracture ductile.
Heure de publication : 30 novembre 2024
