《Journal of Alloys and Compounds》：Microstructural Evolution and Mechanical Properties of Al-1.2Mg-1.5Si-0.6Mn Alloy under Different Extrusion Ratios
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本研究通过热挤压Al-1.2Mg-1.5Si-0.6Mn合金，探究不同挤压比对显微组织、再结晶行为、织构特征及力学性能的影响。结果表明，挤压比增加导致显微组织形成带状动态恢复亚晶粒，显著提升硬度与强度，其中R=21.2:1时获得最佳力学性能：UTS 150.23 MPa，YS 81.59 MPa，延伸率16.48%。
作者：葛子良、林阳、王子恒、吴迪、张飞、李祖来、何伟、查敏
单位：昆明理工大学材料科学与工程学院，中国昆明 650093
摘要
本研究采用热挤压工艺制备了Al-1.2Mg-1.5Si-0.6Mn合金，并研究了不同挤压比（R = 6.4:1、12.7:1 和 21.2:1）对合金微观组织演变、再结晶行为、织构特征及力学性能的影响。观察结果表明，Mg?Si和α-Al(Fe,Mn)Si相在α-Al基体中呈有序分布。微观组织主要由带状动态恢复（DRV）晶粒组成，少量细小等轴动态再结晶（DRX）晶粒分布于高角度晶界（HAGBs）上。此外，还形成了明显的Brass和S织构，以及?112? ∥ ED和?101? ∥ ND纤维织构。随着挤压比的增加，晶粒逐渐向带状形态演变，这一现象与较高的变形应变密切相关。因此，在较高挤压比下，合金的硬度和强度均得到提升，这一变化主要受加工硬化和沉淀强化机制的调控。最佳力学性能出现在R = 21.2:1时，其极限抗拉强度（UTS）为150.23 MPa，屈服强度（YS）为81.59 MPa，伸长率为16.48%。这些发现揭示了微观组织演变与力学性能之间的关联，为优化铝材挤压工艺提供了重要参考。
引言
Al-Mg-Si合金因其高比强度、耐腐蚀性和良好的成形性，在航空航天、汽车和建筑领域得到广泛应用[1][2][3]。塑性变形通过细化晶粒、控制织构演变以及影响沉淀和再结晶行为，有效改善了合金的微观组织和性能[4][5][6]。热挤压工艺通过细化晶粒提高力学性能，同时具有高生产效率和较低的材料成本[7][8][9]。挤压比是指坯料横截面积与挤压制品横截面积的比值，用于量化塑性变形的程度[10][11]。
在研究微复合空心Al-Mg-Si合金的热挤压过程中，刘等人[12][13]发现，在超高挤压比（R=137）下，挤压强化效应显著减弱。微观组织演变和力学响应对挤压温度的敏感性降低。进一步分析表明，这种极端挤压比会引发过早的动态再结晶（DRX）；即使在较低的变形温度下，挤压制品中异常粗大的晶粒也会降低晶粒细化效果，从而抵消潜在的Hall-Petch强化作用。同时，李等人[14]系统评估了挤压比、温度和速度对织构形成及强化-韧性机制的协同影响。他们发现，Al-Mg-Si-Cu-Mn合金的性能对挤压比和速度的变化呈现非单调的抛物线响应，并与变形温度呈正相关。在优化参数条件下，实现了优异的强度-韧性协同效应（YS=169.58 MPa；UTS=314.36 MPa；El=16.57%）。这主要归因于晶粒细化带来的显著晶界强化作用和持续的加工硬化能力，以及“硬取向”的<111>∥ED纤维的强化，而“软取向”的Cube和Goss成分则受到抑制。彭等人[15]将研究扩展到不同变形范围，发现低温轧制能有效抑制动态恢复（DRV）并延缓织构转变，从而获得更好的力学性能（YS=320.8 MPa；UTS=359.7 MPa；EL=15%），这得益于更加均匀、高密度的位错网络和强化的时效效应。高延展性源于Cube取向的晶粒结构和低角度取向（0°–15°）的时效晶界。此外，低温处理改变了织构演变：在初期增强了R-Cube成分的比例，同时抑制了α-和γ-纤维的转变，促进了β-纤维向Brass成分的演变。程等人[16]进一步研究了挤压比对超高强度Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Sc合金的影响，发现挤压比从9增加到25时，微观组织趋于均匀化，从不均匀的窄带和宽带分布转变为均匀的宽带形态。变形过程主要受动态恢复（DRV）控制，局部区域发生动态再结晶（DRX）。织构主要由Copper、S和Brass成分组成；值得注意的是，Brass成分的强度随挤压比增加而增强，而Cube成分的强度变化趋势不明显。在峰值时效（T6）状态下，挤压比为25的样品表现出最佳性能，UTS和YS分别达到836 MPa和835 MPa。尽管有这些发现，但常规挤压比下Al-Mg-Si-Mn合金的微观组织演变与力学性能之间的关系仍需进一步研究。
本研究通过改变挤压比，探讨了Al-1.2Mg-1.5Si-0.6Mn合金的微观组织演变和力学响应。具体分析了晶粒取向对性能的影响，并深入研究了微观组织、强化机制及相应的力学性能。这些发现阐明了不同挤压比下的结构-性能关系，为优化铝合金挤压工艺提供了关键指导。
制备方法
铸态Al-1.2Mg-1.5Si-0.6Mn坯料（Φ90 mm × 150 mm）的化学成分如表1所示。为防止在580 °C时DSC曲线中观察到的低熔点共晶相开始熔化（图1(a)），同时确保合金元素的充分溶解，将其在530 °C下进行18小时的均匀化退火处理。随后在475 °C下以2.5 mm/s的速率进行挤压，采用表2中列出的三种挤压比，最终得到板材。
有限元模拟分析
图3展示了不同挤压比下Al-1.2Mg-1.5Si-0.6Mn合金的流速流线和温度等值线。流速流线（图3(a)-(c)显示，最大流速始终出现在模具出口处。由于合金被视为不可压缩介质，流速随挤压比的增加而增加，在R=21.2:1时达到峰值。这一趋势符合稳态层流的连续性原理[22]。
结论
本研究分析了挤压比对Al-1.2Mg-1.5Si-0.6Mn合金微观组织演变和力学性能的影响，得出以下结论：
(1) 挤压后的相组成包括α-Al、Mg?Si和α-Al(Fe,Mn)Si，且不受挤压比的影响。微观组织主要由粗大的恢复晶粒组成，其中包含少量细小的等轴再结晶晶粒。在R=21.2:1时，织构...
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了云南省基础研究项目（项目编号：202505AF350017, 202202AG050011）和昆明理工大学卓越培训计划项目CLXYCLCC20251201的支持。
