目前，Al-Mg-Si-Mn-Fe擠壓材在運輸領域的應用是鋁合金的主要發展方向之一。為了追求生產效率，擠壓變形大部分在高於熔點80%的溫度下(即鋁錠高於450℃)和高應變速率下(平均應變速率10-200s-1)進行。在該溫度下，高層錯能合金(例如鋁)表現出穩定的流動應力，很少或沒有加工硬化。流動應力與坯料開始擠壓時的突破壓力有關，這是鋁合金擠壓的主要引數之一。大部分汽車用鋁合金都添加了Mn和Cr，Mn和Cr可以在均質化過程中析出，形成彌散分佈的第二相顆粒。析出相能夠影響合金擠壓的高溫流動應力、再結晶、淬火敏感性等多個方面。現有研究使用透射電鏡對析出相的體積分數進行測量，預計誤差達到30%，這是不夠準確的。

英國哥倫比亞大學的研究人員提出了一種新的方法，透過電子探針、透射電鏡和電阻率的測量來量化析出相的體積分數，精度比傳統方法明顯提高，並建立了基於位錯的高溫流變應力本構方程。相關論文以題為“The effect of Mn on the high temperature flow stress of Al-Mg-Si alloys”發表在Materials Science & Engineering A。

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https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140605

本研究設計4種不同Mn、Cr含量的合金，基體合金為Al-0.71Mg-0.9Si-0.21Fe，在此基體中分別加入0.25Mn、0.5Mn和0.5Mn-0.15Cr，含Mn、Cr的合金中Si含量適量提高。將4種合金鑄造成直徑101mm的圓柱錠，均勻化處理溫度為550℃和580℃，均火時長從10min至168h不等。

在改進的Kocks-Chen模型的基礎上建立了一個高溫流動應力模型，該模型準確的分析了彌散第二相粒子的析出強化作用。該方法將分離電子探針分析(EPMA)中富鐵相和鋁基體重疊部分相互作用的體積。電阻率測量和TEM測量Mn/Fe原子比例，使用質量平衡和分散體的摩爾體積可以確定合金的含錳相體積分數。透過TEM測量Mn/Cr比值，將該方法擴充套件到Mn/Cr合金。結果表明，該方法對Mn/Fe和Mn/Cr的比值不敏感。新方法的優點是當使用TEM或FEGSEM測量時，它對區域性化學差異和閾值並不敏感。

圖1 0.5Mn合金的背散射結果(a) 550℃×2h; (b)580℃×12h; (c) 550℃×2h下尺寸分佈;(d) 580℃×12h下尺寸分佈

圖2 (a) 0.5Mn合金均火550℃×2h後的HAADF圖; (b) 析出相中SC晶體結構; (c) BCC晶體結構

在Kocks和Chen的溶質阻力模型的基礎上，提出了一個基於位錯理論的模型，該模型明確地解釋了Mn和Mn/Cr析出相的尺寸和體積分數對高溫流動應力的影響。該模型描述了在不同溫度、應變速率和體積分數/尺寸下的流動應力。對0.75Mn合金在550℃下均勻化2小時的獨立實驗驗證了該模型，預測誤差在5%以內。與Zener-Holloman方法相比，該模型的優勢在於，需要調節的引數較少。

圖3 0.5Mn0.15Cr合金均火550℃×2h後的原子探針結果

圖4 不同均火條件下的原子探針結果(a) 0.25Mn; (b) 0.5Mn; (c) 0.5Mn0.15Cr

圖5 0Mn、0.25Mn、0.5Mn和0.5Mn0.15Cr合金三種均質下，本構模型計算的流變應力與實驗流變應力的關係

綜上所述，本研究所提出的流動應力模型用於預測流變應力，有助於建立擠壓過程模型的本構方程。對可變形鋁合金的成分設計和擠壓過程預測意義重大。（文：破風）