溫變形對汽車車身用6061鋁合金自然時效及力學(xué)性能的影響

李 翔，唐建國， 4，張新明， 4，凌利月，劉文輝，廖志宇，楊 濤，鄧運來， 4

（1. 中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083；2. 湖南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湘潭 411201；3. 廣西南南鋁箔有限公司，南寧 530031；4. 中南大學(xué) 有色金屬先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料與制造協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙 410083）

結(jié)構(gòu)材料

溫變形對汽車車身用6061鋁合金自然時效及力學(xué)性能的影響

李 翔1，唐建國1， 4，張新明1， 4，凌利月1，劉文輝2，廖志宇3，楊 濤1，鄧運來1， 4

（1. 中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083；
2. 湖南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湘潭 411201；
3. 廣西南南鋁箔有限公司，南寧 530031；
4. 中南大學(xué) 有色金屬先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料與制造協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙 410083）

以汽車車身用6061-T4鋁合金為研究對象，利用顯微硬度測試、拉伸試驗和透射電子顯微鏡（TEM），研究溫變形對汽車車身用6061鋁合金自然時效及烤漆硬化的影響。結(jié)果表明：溫變形后的6061鋁合金不會發(fā)生明顯的自然時效效應(yīng)，放置8 d的自然時效過程中硬度值保持穩(wěn)定；對溫變形樣品分別立即和停放8 d后，實施模擬烤漆（180 ℃人工時效30 min）溫變形后立即進(jìn)行烤漆，其硬化能力與放置8 d后再進(jìn)行烤漆樣品的無明顯差異。合金烤漆后的硬度與溫變形溫度有關(guān)，在160～230 ℃范圍內(nèi)，隨著溫變形溫度上升，硬度上升；而經(jīng)250 ℃拉伸后，烤漆硬度出現(xiàn)下降， 230 ℃為最適宜溫度，此條件下成形后的6061鋁合金經(jīng)烤漆過程后，硬度最高值可達(dá)到114HV。

6061鋁合金；溫變形；烤漆硬化；β″析出相；自然時效

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，全球汽車生產(chǎn)量和保有量飛速增長，能源消耗、環(huán)境污染兩大問題日益凸顯，節(jié)能減排、低碳環(huán)保已成為發(fā)展汽車工業(yè)的核心問題。在能源緊缺、污染嚴(yán)重的嚴(yán)峻形勢下，6000系鋁合金作為一種輕質(zhì)材料在現(xiàn)代汽車工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用［1］。

根據(jù)美國鋁業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，汽車每使用1 kg鋁，可降低自身質(zhì)量 2.25 kg，同時在汽車整個使用壽命期內(nèi)，還可減少廢氣排放20 kg，鋁合金代替鋼鐵材料制造汽車有顯著的減重效果，其可使整車質(zhì)量減輕30%～40%。預(yù)計到2025年，汽車鋁用量將從2012年的9%上升至16%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。但由于6000系鋁合金的自然時效效應(yīng)會造成從材料供應(yīng)商到車身制造商轉(zhuǎn)運過程中的“停放效應(yīng)”，形成大量細(xì)小原子團(tuán)簇，使得板材沖壓前的屈服強(qiáng)度過高，導(dǎo)致沖壓開裂；在影響成形性能的同時，由于自然時效效應(yīng)會消耗淬火空位，會弱化隨后的烤漆時效硬化能力［2］。所以，由于“停放效應(yīng)”帶來的成形性能與力學(xué)性能變差是該系鋁合金在汽車工業(yè)上的應(yīng)用之路上必須解決的瓶頸問題。

國內(nèi)外研究者試圖通過預(yù)時效、預(yù)應(yīng)變或改變淬火方式，形成合適尺寸的原子團(tuán)簇和GP區(qū)以促進(jìn)后續(xù)烤漆過程中主要強(qiáng)化相 β″相的形成，從而減少“停放效應(yīng)”所帶來的不利問題［2-9］，但是預(yù)時效與預(yù)應(yīng)變方法并未大幅提高成形性能。因此，研發(fā)出一種既可避免沖壓開裂，又可調(diào)控對于烤漆硬化有著重要影響的烤漆之前的顯微組織的方法成為該類合金的一個研究方向。

溫變形被看作是一種有希望提升成形性能的方式，此種方式可避免沖壓開裂的情況［10-15］。LAMBOO等［15］通過對AA6016進(jìn)行溫拉深實驗，發(fā)現(xiàn)在175 ℃時，拉深高度提高了 30%。LI等［11］研究發(fā)現(xiàn)，AA6111-T4在溫變形條件下總伸長率提升了25%。然而，這些研究并未指出溫變形對烘烤硬化的能力影響，也就是對合金服役力學(xué)性能的影響，所以有必要對溫變形對合金服役力學(xué)性能以及顯微組織的影響進(jìn)一步探索。

本文作者通過將熱處理與成形相結(jié)合的溫變形方式，利用變形溫度調(diào)控成形板中顯微組織形成β″相有效形核核心，促進(jìn)行后續(xù)烤漆過程中 β″相的均勻析出，提高烘烤硬化的能力，從而解決“停放效應(yīng)”所帶來的易沖壓開裂、弱化烤漆硬化的問題，著重探究溫變形條件下不同成形溫度對析出相和烤漆硬化能力的影響，由此說明溫變形對6061鋁合金析出相演變的一般規(guī)律。

1 實驗

本實驗所用6000系鋁合金樣品為工業(yè)6061熱軋態(tài)4 mm厚板材，經(jīng)輥冷軋至1 mm，6061冷軋薄板經(jīng)540 ℃保溫30 min后進(jìn)行固溶處理，隨后水冷淬火，放置8 d后，在時效爐中180 ℃保溫30 min模擬烤漆行為。實驗中所用熱處理設(shè)備為電阻式加熱爐。

硬度測試在HV-10B型顯微硬度計上進(jìn)行，負(fù)荷為29.4 N，加載時間為15 s。硬度測試的試樣先在預(yù)磨機(jī)上把試樣兩面磨平，再機(jī)械拋光至表面光亮。測試時效硬度變化曲線時，每個試樣取5個點測維氏硬度，然后取平均值，繪制硬度隨時效時間變化的曲線。

將固溶淬火樣品放置 8 d后，按照 GB/T 4338-2006標(biāo)準(zhǔn)制備溫變形試樣，在電子萬能拉伸試驗機(jī)上進(jìn)行，變形溫度分別為160、180、200、230、250 ℃，拉伸速度為2 mm/min。此外，還設(shè)置室溫變形對照組。

采用F20型透射電子顯微鏡分析合金的時效析出相及其衍射花樣，從而獲得精確的烤漆前后析出相的電子顯微學(xué)信息，加速電壓為200 kV，透射電鏡試樣選自溫變形后樣品，機(jī)械減薄至70～80 μm后沖成d 3 mm小圓片，再通過MTP-1型雙噴電解減薄儀進(jìn)一步雙噴減薄。雙噴電壓為10～15 V，電流為50～70 mA，電解液為硝酸與甲醇混合液（VHNO3：VCH3OH=3：7），溫度為-30 ℃～-20 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫變形過程的力學(xué)性能

圖1所示為各溫度條件下樣品的溫變形過程中表現(xiàn)出的力學(xué)性能，由圖1可知，伸長率隨著溫度的上升而增大，屈服強(qiáng)度隨著溫度的上升而呈現(xiàn)出下降的規(guī)律，有利于板材的成形。溫拉伸過程中，屈服強(qiáng)度σs最大和最小值分別是在 160 ℃下的屈服強(qiáng)度（135 MPa）和在250 ℃下的屈服強(qiáng)度（101 MPa），而合金在室溫下拉伸σs為145 MPa［16］。汽車車身板的性能要求為［17］：屈服強(qiáng)度應(yīng)小于140 MPa，伸長率應(yīng)大于24%，溫變形滿足了車身板在屈服強(qiáng)度和伸長率方面的成形條件，溫變形屈服強(qiáng)度σs顯著下降，大大弱化了由于“停放效應(yīng)”造成的屈服強(qiáng)度過高而不利于沖壓的問題。

圖1 溫變形溫度對6061鋁合金屈服強(qiáng)度和伸長率的影響Fig. 1 Influence of warm deformation temperature on yield strength and elongation rate of aluminum alloy 6061

圖2 放置時間對160～250 ℃溫變形合金的硬度的影響Fig. 2 Influence of delaying time on hardness of AA6061 warm deformation at 160-250 ℃

2.2 溫變形對合金自然時效及烤漆后力學(xué)性能的影響

將淬火樣品放置8 d自然時效后，分別在160、180、200、230、250 ℃溫度下以2 mm/min恒定速度進(jìn)行拉伸變形20%，拉伸過程控制在10 min之內(nèi)，自然時效10 d的維氏硬度變化曲線如圖2所示，溫變形樣品在隨后的自然時效10 d過程中硬度值雖有小幅度上下波動，但基本穩(wěn)定，既溫變形后樣品沒有發(fā)生類似文獻(xiàn)［2］中的明顯自然時效反應(yīng)。在160～230 ℃的變形溫度下硬度值呈現(xiàn)隨變形溫度升高而增大的趨勢，230 ℃到達(dá)峰值 105HV左右，250 ℃硬度值驟降至91HV左右，發(fā)生軟化。

圖3所示為變形溫度對溫變形后立即烤漆及停放8 d烤漆前后硬度的影響，由圖3可見，立即進(jìn)行烤漆和自然時效后進(jìn)行烤漆的硬度曲線呈現(xiàn)出基本相同的趨勢，即隨著變形溫度的升高，烤漆前后的硬度值增大，并且均在230 ℃達(dá)到最大值（立即烤漆后硬度值為112HV，自然時效后烤漆硬度值為114HV）。雖然在較低拉伸溫度下，立即烤漆和自然時效后烤漆的烤漆前后硬度差值（Paint baking response）較大，但從烤漆后力學(xué)性能方面比較，在230 ℃拉伸、烤漆之后，樣品的硬度最大。

圖3 變形溫度對變形后立即烤漆及放置8 d烤漆前后硬度的影響Fig. 3 Influence of deformation temperature on hardness of samples before and after simulated baking with or without delaying of 8 d

因此，溫變形后的樣品在自然時效中呈現(xiàn)出較為穩(wěn)定的力學(xué)性能，且溫變形后的自然時效對后續(xù)烤漆過程的時效并未產(chǎn)生明顯負(fù)面影響，因此，溫變形后的樣品未產(chǎn)生明顯的“停放效應(yīng)”。

從圖3中可看出，室溫變形和溫變形樣品在烤漆前后都呈現(xiàn)出增長趨勢，溫變形樣品在烤漆前后的硬度都大于室溫變形樣品的，在160～230 ℃范圍內(nèi)，硬度隨著拉伸溫度的上升而上升，溫變形烤漆后在230 ℃下達(dá)到最大值114HV，250 ℃硬度值出現(xiàn)驟然下降的情況，從烤漆后力學(xué)性能角度來看，230 ℃為溫變形最佳溫度。

2.3 溫變形對合金烤漆后顯微組織的影響

溫變形過程中的析出行為及其對烤漆過程的析出規(guī)律的影響探究是本研究的核心，總結(jié)文獻(xiàn)［4， 6-7， 18-21］，6000系鋁合金析出規(guī)律為：過飽和固溶體 SSSS→原子團(tuán)簇→GP區(qū)→ β″相→β'相→β相，6061-T4鋁合金在溫變形前已形成大量I-型原子團(tuán)簇［18］，β″相是主要強(qiáng)化相。

圖 4所示為不同溫度拉伸樣品經(jīng)模擬烤漆后的TEM 像及沿［001］方向的選區(qū)衍射花樣。由圖 4（a）可知，經(jīng)160 ℃溫變形并模擬烤漆樣品的選區(qū)衍射圖觀察不到 β″相的“十字形衍射斑紋”，圖 4（a）和（b）所示TEM像中未出現(xiàn)明顯的析出相，仍有較多位錯分布。而在200～250 ℃時（見圖4（c）～（h）），選區(qū)衍射花樣中出現(xiàn)β″相的帶光斑拖尾的“十字形衍射斑紋”，說明該溫度有β″相析出，TEM像中出現(xiàn)針狀及點狀的析出相，230 ℃溫變形樣品和200 ℃溫變形樣品的析出相密度較250 ℃樣品的更大，分布更加均勻，而250 ℃樣品尺寸更大，尺寸超過10 nm。從相對宏觀的視角來觀察位錯密度，如圖 4（d）、（f）、（h）據(jù)點示， 200 ℃與230 ℃溫變形樣品位錯密度較 250 ℃溫變形樣品略大，說明250 ℃溫變形情況下，會出現(xiàn)少許回復(fù)現(xiàn)象?；诘诙嗔Ｗ訌?qiáng)化和位錯情況來看，可說明230 ℃溫變形條件下烤漆后力學(xué)性能最好。

3 結(jié)論

1） 6061-T4鋁合金經(jīng)溫變形后放置8 d硬度基本保持不變，在自然時效過程中保持力學(xué)性能的穩(wěn)定性。

2） 變形溫度在160～230 ℃范圍內(nèi)，烤漆前后的硬度隨著溫變形溫度的上升而上升，230 ℃溫變形的樣品經(jīng)模擬烤漆后力學(xué)性能最好，硬度值達(dá)到114HV，在250 ℃溫變形條件下，硬度驟降。

3） 烤漆后樣品的力學(xué)性能主要與其強(qiáng)化相 β″相的密度、分布與尺寸有關(guān)，200 ℃以上有強(qiáng)化相β″相的析出。230 ℃條件下，β″相分布為細(xì)小彌散、密度較大，所以呈現(xiàn)出較高的力學(xué)性能，為最適宜溫變形溫度；而 250 ℃條件，力學(xué)性能出現(xiàn)驟降的原因是由于β″相密度下降、尺寸較大，此外還出現(xiàn)有一定的回復(fù)。

圖4 不同溫度拉伸樣品經(jīng)模擬烤漆后的TEM像和沿［001］方向的SAED譜Fig. 4 TEM bright field images and ［001］SAED patterns of warm tension samples at different temperatures after paint bake： （a）， （b）160 ℃； （c）， （d） 200 ℃； （e）， （f） 230 ℃； （g）， （h） 250 ℃

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（編輯 王 超）

Effect of warm deformation on natural ageing and mechanical property of aluminum alloy 6061 sheets for automotive body

LI Xiang1， TANG Jian-guo1， 4， ZHANG Xin-ming1， 4， LING Li-yue1，LIU Wen-hui2， LIAO Zhi-yu3， YANG Tao1， DENG Yun-lai1， 4
（1. School of Material Science and Engineering， Central South University， Changsha 410083， China；
2. College of Mechanical and Electrical Engineering， Hunan University of Science and Technology， Xiangtan 411201， China；
3. Alnan Aluminium Inc.， Nanning 530031， China；
4. Nonferrous Metal Advanced Structure Material and Manufacture Collaborative Innovation Center，Central South University， Changsha 410083， China）

The effects of warm deformation on natural ageing and mechanical property of aluminum alloy 6061 for automotive body were investigated by microhardness test， tensile test and TEM. The results show that no obvious natural aging effect is found in the warm deformed samples， and the hardness maintains stable during the 8 d natural ageing after warm deformation. Simulated baking process， i.e.， artificial ageing at 180 ℃ for 30 min， is conducted to the warm deformed samples immediately and after a delay of 8 d， respectively， and no obvious mechanical property difference is found between the two groups of samples. The hardness of the samples is deformation temperature dependent， i.e.， it increases with the increasing of warm deformation temperature within the range of 160-230 ℃， but further increasing of deformation temperature to 250 ℃ leads to the decrease of final hardness. 230 ℃ is the optimum warm deformation temperature， and the final hardness of the samples deformed at this temperature increases to 114HV.

6061 aluminum alloy； warm deformation； paint-bake hardening； β″ precipitates； natural ageing

Projects （51474240， 51475162） supported by the National Natural Science Foundation of China；Project （2013DFG51890） supported by International Cooperation Program， China

date： 2015-06-29； Accepted data： 2015-09-29

TANG Jian-guo； Tel：+86-18073110262； E-mail： jgtang@csu.edu.cn

1004-0609（2016）-01-0001-06

TG146.21

A

國家自然科學(xué)基金資助項目（51474240，51475162）；國際合作專項（2013DFG51890）

2015-06-29；

2015-09-29

唐建國，副教授，博士；電話：18073110262；E-mail：jgtang@csu.edu.cn