鋁擠壓時粗晶環的生長示意圖    

Ⅰ-內層金屬流動速度，Ⅱ-外層金屬流動速度

2.2 錳元素的作用結果

關于錳元素在擠壓中對粗晶環形成的作用眾說紛紜，一部分研究專家認為錳對擠壓中 粗晶環的抑制起積極作用。錳與鉻等元素因為溶于鋁合金中能提高再結晶溫度，其形成的MnAl6、CrAl7 和 Mg2Si 等化合物可阻止再結晶晶粒的長大，擠壓時，由于模具幾何約束與強烈的摩擦作用，使外層金屬滯后于內層。外層金屬內形成很大的應力梯度和附加應力 狀態，因此促進了含 Mn 的第二相粒子在位錯密集處析出，使固溶體的再結晶溫度降低， 產生一次再結晶，但因第二相由晶內析出后呈彌散質點分布在晶界上，阻礙了晶粒的聚集 長大。因此，在擠壓后鋁合金制品外層呈現細晶組織。在后續的淬火加熱時，由于溫度高， 析出的第二相質點又重溶，使阻礙晶粒長大的作用消失，在這種情況下，一次再結晶的一 些晶粒開始吞并周圍晶粒迅速長大，形成粗晶環。2A12 合金中的 Mn 含量（質量分數）為0.2%~0.6%時，鋁擠壓型材在淬火后易形成粗晶環，而當 2A12 合金中的 Mn 含量（質量分數）提高到 0.8%~0.9%時，可以完全消除粗晶環的產生。

也有研究人員通過實驗表明錳元素的加入是導致的粗晶環的主要影響因素。以 6A02 鋁合金為例，6A02 鋁合金中主要的第二相是 Mg2Si 和 MnAl6 等，Mg2Si 的溶入使晶格常數增大，MnAl6 的溶入使晶格常數減少，而 Mn 在合金中的溶解度很小，只有在 640℃以上才能大量溶入，在 500℃以上才較多地析出。在不含 Mn 的情況下，Mg2Si 彌散相在加熱到較低溫度時就會溶解，這時個別的再結晶晶核尚未來得及生長，而大量生長是在更均一的條件下進行的，因而獲得的組織也比較均勻。

而在含 Mn 的情況下，隨Mn 含量的增加，提高了合金的再結晶溫度，降低了合金的再結晶程度，為了得到完全的單相固溶體，淬火前加熱溫度高，時間長，彌散相的溶解和 再結晶晶粒開始大量生長都是在高溫下進行的，同時，不受彌散微粒包圍的個別晶核來得 及生長，在趨向于二次再結晶的、大小不同的晶粒組織內，新晶粒開始生長，低倍出現了 粗晶，對于錳元素對鋁擠壓型材的粗晶環形成是起抑制作用還是促進作用國內大量科研工 作者對此做了大量的研究，盡管各有分歧，但比較集中的觀點是鋁合金晶粒組織的產生與 錳元素的含量和分布有關，在不含或者含極其少量的過渡族元素的鋁合金中不形成粗晶環， 錳元素能提高再結晶溫度，不含錳的時候彌散相在加熱到較低溫度時就會溶解，能有效降 低第二類粗晶環的產生，但錳的加入有助于提高合金的強度，往往由于產品的性能需要， 大部分合金中都會添加一定量的錳。

當錳含量在 0.2%~0.6%時，出現粗晶環的厚度最大，繼續增加錳含量時，粗晶環減少乃至消失，研究表明，LY12 合金中錳含量由 0.4 增加到 0.8，粗晶環深度可由 4~5 毫米減少到零。當金屬中的過渡族元素含量不多時，由于錳本身的擴散系數低，形成的第二相不 均勻分布，如圖 3 同一試樣粗晶區和基體區第二相粒子的分布圖上所示，明顯可見兩區的第二相分布不同，粗晶區第二相粒子大而疏，基體的粒子細而密。即使是鑄錠經過均勻化 處理也難以使得錳在整個枝晶面上達到均衡。往往是在一部分固溶體（枝晶外圍區域）中 有大量的金屬間化合物彌散微粒析出，而在另一部分（枝晶中心區)只有少量的或者根本沒有析出物。因此在熱處理加熱時，析出物多的部分第二相較為均勻分布在晶內和晶界，晶 界上的第二相粒子“釘扎”晶界（如圖 4），阻止晶界的遷移，抑制晶粒粗化。而析出物少的部位形成少量再結晶核心，第二相粒子不是彌散分布在晶界上，而是大部分聚集成團，對 晶界不起“釘扎”作用，從而晶粒在沒有阻力的情況下迅速長大，并吞并周圍的變形機體以 及不形成再結晶核心的大量金屬間化合物彌散微粒的區域，從而導致出現粗大的晶粒組織。例如，在含 0.56%Mn 的合金中，在 500℃加熱時出現粗晶環，而在含 1.38%Mn 的合金中， 則在高達 560℃下才出現粗晶環。這是由于含錳量的增加，在合金中保持相應濃度的 MnAl6 質點的溫度較高，改變了晶核劇烈長大的溫度。于是可以理解為，合金中含錳量的增加不 可避免粗晶環的形成，而只是提高了其形成溫度。若保持淬火加熱溫度不變，則可通過增

加錳含量來防止粗晶環的生成。

2.3 粗晶環是一次再結晶的結果

在淬火加熱階段彌散質點重溶，為晶粒的二次再結晶創造了條件，這被認為是粗晶環形成的主要機理之一。但是七十年代許多科學工作者改變了這種觀點，認為對于在二次再結晶時，個別晶粒是從再結晶的小晶粒基體長大的，其晶界是很曲折的，在其內部還可能留有沒有被吞食掉的小晶粒，具有和長大的晶粒接近的位向，但在粗晶環中，大晶粒的晶界是直的，長大時晶界從曲率中心向外移動，這是一次再結晶所特有的。

對純鋁進行了擠壓棒材試驗，發現沒有第二相質點的溶解，但也都形成了粗晶環。雖然過去很多資料都證明了在淬火時，伴隨著彌散質點的溶解，邊部比中心強烈，事實證明了它不是形成粗晶環的原因。第二相質點的重溶，只能說是減少了位錯的釘扎作用，降低了晶界移動阻力，為晶粒長大創造了條件，是影響粗晶環的主要因素之一。

在一般生產條件下，都是淬火后形成粗晶環。在擠壓過程中，變形、回復、再結晶幾乎是同時發生，因此即使是再結晶的晶粒有可能重新發生塑性變形，在晶粒內部位錯發生運動、纏結，同時金屬在模孔處受到少量變形，也只能說明在鋁擠壓型材內存在殘余物理變形，儲存著畸變能，為晶粒的長大提供驅動力。

瑞典有專家指出，粗晶環的形成不是一般的再結晶，是由于所謂的聚集再結晶（再結晶晶粒加熱時的連續長大，從棒材中低變形程度的中心區到高變形程度的邊緣逐漸長大） 之故，所以說無論是鋁擠壓型材后形成的粗晶環，還是淬火后形成的粗晶環，都是由一次再結晶后正常長大形成的結果。

東莞市博望金屬材料有限公司

2017-3-15