時(shí)效制度對(duì)6111鋁合金軋制板材性能的影響

郝玉喜，謝方亮，李 巖，徐伍剛

(遼寧忠旺鋁合金精深加工有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

對(duì)于傳統(tǒng)汽車來(lái)說(shuō)，整車質(zhì)量每減少10%，耗油量可以降低6%～8%。對(duì)于純電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，節(jié)省的將是電動(dòng)電池的電量，所以說(shuō)汽車輕量化已經(jīng)成為節(jié)省能源的有效途徑之一。鋁合金由于其比強(qiáng)度高，塑性好，沖擊吸能及回收利用率高等特點(diǎn)在汽車上應(yīng)用越來(lái)越多，其中寶馬、奧迪、捷豹、路虎、特斯拉等部分車型的鋁車身開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化[1-4]。

6xxx系鋁合金因其較好的綜合性能[5-6]，作為轎車外車身板材受到愈來(lái)愈多的關(guān)注。通常，6xxx系鋁合金板材的主要生產(chǎn)加工工序是：鑄錠→熱軋→退火→冷軋→固溶處理[7]。在已注冊(cè)的6xxx系汽車車身板合金中，6111鋁合金軋制板材既有高強(qiáng)度，也有良好的成形性，已成為國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注與研究的鋁合金之一。

本文以6111鋁合金軋制板材為研究對(duì)象，分析合金在不同時(shí)效制度下組織、力學(xué)、硬度及電導(dǎo)率的變化規(guī)律，提出合理的時(shí)效制度，為優(yōu)化生產(chǎn)工藝和板材性能提供實(shí)踐依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 材料制備

選用3 mm厚的6111鋁合金軋制板材，合金成分見(jiàn)表1。采用箱式電阻爐對(duì)板材進(jìn)行時(shí)效處理，通過(guò)無(wú)紙記錄儀對(duì)料溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保持實(shí)際料溫不超過(guò)設(shè)定溫度±3 ℃，時(shí)效制度見(jiàn)表2。

表1 6111合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 時(shí)效制度

1.2 性能測(cè)試

通過(guò)AX10型光學(xué)顯微鏡(OM)進(jìn)行顯微組織觀察；采用SSX-550型掃描電鏡(SEM)觀察第二相形貌和分布；利用AG-X100KN型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)試；使用FV-810型維氏硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，每個(gè)試樣心部打5點(diǎn)，取其平均值；使用SIGMATEST 2.069型渦流電導(dǎo)儀進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)試，每個(gè)試樣選5點(diǎn)，取其平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 顯微組織

圖1、圖2為6111鋁合金軋制板材分別在165、175、185 ℃時(shí)效溫度下保溫15 h后的低倍和高倍顯微組織。由圖1可知，三種時(shí)效處理后軋制板材顯微組織并沒(méi)有明顯的變化，晶粒尺寸幾乎相似，均表現(xiàn)為邊部大變形量而破碎的細(xì)小晶粒，靠近心部的晶粒沿軋制方向明顯被拉長(zhǎng)，軋制板材表面由于受摩擦力的影響，發(fā)生了再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大的現(xiàn)象[8]。

從圖2可以看出，軋制板材中存在彌散分布的亞微米級(jí)析出相和零星分布的大尺寸金屬間化合物。隨著時(shí)效溫度的提高，析出相和金屬間化合物尺寸也增大。在165 ℃×15 h時(shí)效制度下，軋制板材中析出相粒子尺寸細(xì)小，且數(shù)量較多；金屬間化合物的尺寸也相對(duì)較小(見(jiàn)圖2(a))。隨著時(shí)效溫度升高至175 ℃，軋制板材中析出相出現(xiàn)長(zhǎng)大現(xiàn)象，且數(shù)量減少(見(jiàn)圖2(b))。將時(shí)效溫度繼續(xù)升高至185 ℃，軋制板材中析出相出現(xiàn)明顯的粗化現(xiàn)象，數(shù)量也明顯減少，金屬間化合物的尺寸也急劇增大(見(jiàn)圖2(c))。當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ哟执蠡?，合金的?qiáng)度和硬度開(kāi)始急劇下降，此時(shí)板材為過(guò)時(shí)效狀態(tài)[9]。

經(jīng)能譜分析，亞微米級(jí)析出相是以Mn元素為主的化合物，再結(jié)晶過(guò)程中可作為異質(zhì)形核抑制晶粒長(zhǎng)大。金屬間化合物是以Mn和Fe元素為主的難溶相，圖2中各測(cè)試點(diǎn)能譜結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 圖2中各點(diǎn)化學(xué)成份(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

(a)165 ℃×15 h；(b)175 ℃×15 h；(c)185 ℃×15 h

(a)165 ℃×15 h；(b)175 ℃×15 h；(c)185 ℃×15 h

2.2 拉伸性能

圖3為6111軋制板材經(jīng)不同時(shí)效熱處理后強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率的變化曲線。隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，合金強(qiáng)度呈先增后降、延伸率呈先降后增的變化趨勢(shì)。當(dāng)時(shí)效溫度為185 ℃時(shí)，合金屈服強(qiáng)度在時(shí)效時(shí)間9 h時(shí)達(dá)到峰值，抗拉強(qiáng)度在時(shí)效時(shí)間7 h時(shí)達(dá)到峰值，此時(shí)延伸率也達(dá)到最低。當(dāng)時(shí)效溫度為175 ℃時(shí)，合金強(qiáng)度在時(shí)效時(shí)間11 h時(shí)達(dá)到峰值，延伸率也達(dá)到最低。當(dāng)時(shí)效溫度為165 ℃時(shí)，合金強(qiáng)度在時(shí)效時(shí)間15 h時(shí)達(dá)到峰值，延伸率稍有降低。由圖3可知，溫度越高，合金強(qiáng)度達(dá)到峰值的時(shí)間越少，但合金強(qiáng)度隨溫度升高其峰值卻隨之下降，即隨著時(shí)效溫度的升高，較高溫度先完成強(qiáng)度的升高和降低過(guò)程，但所能達(dá)到的峰值強(qiáng)度較低。因此，在165 ℃×15 h時(shí)效制度下板材強(qiáng)度最高，屈服強(qiáng)度為343 MPa，抗拉強(qiáng)度為392 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為18.1%。

(a)強(qiáng)度；(b)斷后伸長(zhǎng)率

圖4為6111合金在165、175、185 ℃三種溫度下，峰值強(qiáng)度的應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？梢钥闯?，合金在拉伸過(guò)程中，隨著變形程度的增加，金屬的流動(dòng)應(yīng)力不斷升高，時(shí)效制度為165 ℃×15 h的流動(dòng)應(yīng)力最大，塑性最好，175 ℃×11 h次之，185 ℃×9 h最差。

圖4 不同溫度下峰值強(qiáng)度的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3 硬度和電導(dǎo)率

圖5為6111鋁合金軋制板材經(jīng)不同時(shí)效熱處理后硬度及電導(dǎo)率的變化曲線。從圖5(a)可以看出，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，合金硬度先上升后下降，分別在165 ℃×15 h、175 ℃×11 h、185 ℃×9 h時(shí)出現(xiàn)硬度峰值，合金硬度分別為133.5、132.7和125.9 HV，這說(shuō)明溫度越高，合金所達(dá)到的峰值硬度也越高。從圖5(b)可以看出，隨著時(shí)效溫度的升高、時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，電導(dǎo)率均呈上升趨勢(shì)，但時(shí)效溫度對(duì)其影響更大。從圖5還可以看出，6111鋁合金板材在欠時(shí)效階段，硬度與電導(dǎo)率呈正相關(guān)性，即有相同的變化趨勢(shì)；在過(guò)時(shí)效階段，硬度與電導(dǎo)率呈負(fù)相關(guān)性，即變化趨勢(shì)相反。

(a)硬度；(b)電導(dǎo)率

2.4 分析和討論

6111合金的時(shí)效同其它可熱處理強(qiáng)化鋁合金一樣，經(jīng)歷由過(guò)飽和固溶體→GP區(qū)→亞穩(wěn)相(β″，S″)→亞穩(wěn)相(β′，S′)→平衡相(β，S)的過(guò)程，GP區(qū)的成分、形狀、結(jié)構(gòu)、數(shù)量、大小及分布等均與合金成分及所用的時(shí)效溫度有關(guān)[7-8]。在較低溫度下，盡管析出的相變驅(qū)動(dòng)力很大，但由于受原子擴(kuò)散所控制，析出速度較慢，處于GP區(qū)的時(shí)間較長(zhǎng)，因此可以產(chǎn)生更多細(xì)小、彌散分布的GP區(qū)組織，為第二相的析出提供了更加充分的形核核心。隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，更多細(xì)小的第二相析出，位錯(cuò)移動(dòng)的阻力也增大，從而使材料的強(qiáng)度和硬度得到提高。但在較高溫度下，隨著時(shí)效時(shí)間的增加，GP區(qū)的析出以及向過(guò)渡相轉(zhuǎn)變速度加快，第二相粒子的尺寸相應(yīng)變大，合金的強(qiáng)度和硬度降低。當(dāng)形成以GP區(qū)和過(guò)渡相混合占優(yōu)勢(shì)的組織時(shí)，合金出現(xiàn)強(qiáng)度峰值，此時(shí)稱為完全時(shí)效[10]。同一溫度下，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，過(guò)渡相向平衡相轉(zhuǎn)變，并逐漸聚集長(zhǎng)大，至此進(jìn)入過(guò)時(shí)效階段，合金組織進(jìn)入平衡狀態(tài)[11-12]。

對(duì)于電導(dǎo)率，隨著時(shí)效溫度的升高，沉淀相不斷從基體中析出長(zhǎng)大，彌散度不斷減小，沉淀相與基體的共格關(guān)系不斷減弱，從而使基體點(diǎn)陣內(nèi)的晶格畸變程度不斷降低，基體點(diǎn)陣中電子散射源的數(shù)量和密度不斷減小，導(dǎo)電電子的自由程增加，從而使電導(dǎo)率增加[13]。

3 結(jié)論

本文分析了不同時(shí)效時(shí)間對(duì)6111鋁合金組織和性能的影響，主要結(jié)論如下：

1)隨著時(shí)效溫度的增加，彌散析出相的尺寸增大，數(shù)量減小，金屬間化合物也隨之增大。

2)時(shí)效溫度為165 ℃時(shí)，達(dá)到峰值強(qiáng)度的時(shí)間最長(zhǎng)，為15 h，但達(dá)到的峰值強(qiáng)度和延伸率最高，屈服強(qiáng)度為343 MPa，抗拉強(qiáng)度為392 MPa，延伸率為18.1%。時(shí)效溫度為185 ℃時(shí)與之正好相反，175 ℃處于中間；合金硬度和強(qiáng)度呈正相關(guān)性，時(shí)效制度為165 ℃×15 h時(shí)達(dá)到硬度峰值，為133.5 HV。

3)電導(dǎo)率隨時(shí)效溫度和時(shí)效保溫時(shí)間的增加而增加，但時(shí)效溫度對(duì)其影響更大。電導(dǎo)率在欠時(shí)效階段與硬度呈正相關(guān)性，在過(guò)時(shí)效階段與硬度呈負(fù)相關(guān)性。