冷變形對(duì)T4P態(tài)Al-Mg-Si板材在烤漆過程中的時(shí)效析出及軟化行為的影響

劉玉杰, 姜 旭, 劉 浩, 張耀中, 田 妮, 趙 剛

(1.東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110189;2.東北大學(xué) 材料各向異性與織構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽 110189)

車身鋁化是目前汽車減重以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降排的主要途徑。6xxx系鋁合金以其較高的強(qiáng)度、良好的焊接性以及較好的烘烤硬化性等良好的綜合性能而受到廣泛關(guān)注,因而鋁合金板材尤其是可熱處理強(qiáng)化的Al-Mg-Si系鋁合金板材在汽車車身上的用量逐年增加[1-3]。汽車車身板材一般先經(jīng)冷沖壓成形,隨后再進(jìn)行烤漆涂裝處理(通常烤漆溫度不超過180℃,烤漆時(shí)間約為30 min)。冷變形后的鋁板由于位錯(cuò)增殖、空位增加,導(dǎo)致鋁板處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài),它們?cè)谕垦b烤漆的加熱過程中將發(fā)生回復(fù)甚至再結(jié)晶,從而使冷沖壓變形后的鋁板強(qiáng)度有所降低[4],這正是不可熱處理強(qiáng)化的5xxx系鋁車身構(gòu)件發(fā)生烤漆軟化的根本原因。而可熱處理強(qiáng)化的6xxx系鋁車身構(gòu)件在烤漆涂裝過程中,同時(shí)存在回復(fù)再結(jié)晶軟化及時(shí)效析出強(qiáng)化兩個(gè)對(duì)強(qiáng)度貢獻(xiàn)相互矛盾的過程。KOLAR M[5]等通過研究AA6060鋁板固溶水淬后立即進(jìn)行0～10%冷變形,然后在不同的時(shí)效溫度下(150℃、175℃和190℃)分別時(shí)效不同時(shí)間(10 min、100 min和300 min)發(fā)現(xiàn),預(yù)變形加快了AA6060鋁板時(shí)效析出速度。三種時(shí)效溫度下時(shí)效不同時(shí)間時(shí),鋁板的強(qiáng)度和硬度均隨冷變形量的增加而增大。GRANUM H[6]等通過研究AA6063、AA6061和AA6110三種鋁合金分別進(jìn)行0.4%和4%預(yù)拉伸后,進(jìn)行人工時(shí)效時(shí),同樣發(fā)現(xiàn)預(yù)拉伸會(huì)加快時(shí)效析出速度。KHELFA T[7]和VEDANI M[8]等通過研究通道角擠壓(Equa-Channel Angular Pressing, ECAP)6082鋁合金組織演變及性能變化,發(fā)現(xiàn)當(dāng)高溫時(shí)效時(shí)(≥170℃),由于回復(fù)或(和)晶粒粗化導(dǎo)致合金強(qiáng)度下降;而時(shí)效溫度低至100℃以下時(shí),時(shí)效析出造成的硬化效應(yīng)較回復(fù)或(和)晶粒粗化帶來的軟化效果更顯著,從而能使合金的強(qiáng)度保持不變或略有提高。目前這些研究的目的主要是通過固溶水淬后立即對(duì)鋁板進(jìn)行小變形,以改善其烤漆硬化性能。而實(shí)際汽車車身用6xxx系鋁板通常是在T4或T4P狀態(tài)下進(jìn)行沖壓成形后再經(jīng)烤漆處理,烤漆處理后鋁合金汽車車身構(gòu)件的組織性能變化直接影響汽車的使用性能。因此,有關(guān)沖壓變形量對(duì)不同熱處理狀態(tài)6xxx系鋁板烤漆后的組織及力學(xué)性能影響規(guī)律還有待深入研究。

本文針對(duì)汽車車身用T4P態(tài)Al-1.3Mg-1.2Si-0.5Cu-0.7Mn合金板材,通過室溫拉伸產(chǎn)生不同程度的冷變形,再測(cè)定其經(jīng)模擬烤漆處理前后的強(qiáng)度變化和析出特點(diǎn)。研究冷變形對(duì)其烤漆性能的影響規(guī)律,為Al-Mg-Si系汽車車身板的生產(chǎn)提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

圖1 拉伸試樣尺寸

采用CMT5105-SANS微機(jī)控制萬能電子試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn),應(yīng)變速率為1.33×10-3s-1。采用SETARAM-DSC131型差示掃描量熱儀(Differential Scanning Calorimetry, DSC)進(jìn)行DSC試驗(yàn),測(cè)試加熱速率為10℃/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 T4P態(tài)鋁板室溫拉伸變形后的性能變化

圖2為T4P態(tài)鋁板經(jīng)不同程度室溫拉伸變形后的屈服強(qiáng)度。由圖2可見,T4P態(tài)合金板材的屈服強(qiáng)度隨室溫拉伸變形量的增加而單調(diào)增大。當(dāng)應(yīng)變量為19%時(shí),鋁板的強(qiáng)度增量達(dá)到201.5 MPa。這與本課題組前期對(duì)Al-0.9Mg-1.0Si-0.7Cu-0.6Mn合金板材應(yīng)變強(qiáng)化行為研究結(jié)果相一致[9]。分析認(rèn)為,T4P態(tài)鋁板在室溫拉伸變形時(shí),大量位錯(cuò)滑移至晶體表面造成宏觀塑性變形,同時(shí)位錯(cuò)不斷增殖導(dǎo)致變形體內(nèi)位錯(cuò)數(shù)量逐漸增多,變形量增加,變形體內(nèi)的位錯(cuò)密度逐漸增大,即表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng),因此T4P態(tài)鋁板的屈服強(qiáng)度增幅較大。

圖2 T4P態(tài)鋁板經(jīng)不同程度拉伸變形后的屈服強(qiáng)度Rp0.2及屈服強(qiáng)度增量

圖3為T4P態(tài)鋁板經(jīng)不同程度室溫拉伸變形后的DSC曲線。由圖3可見,未經(jīng)拉伸變形(即ε=0%)的T4P態(tài)鋁板的DSC曲線上在250℃和300℃附近分別出現(xiàn)兩個(gè)明顯的析出峰,表明T4P態(tài)合金板材進(jìn)行時(shí)效處理時(shí),將在250℃和300℃左右發(fā)生明顯的時(shí)效析出。根據(jù)ZHENG Y[10]、MAO H[11]和YANG M J[12]等的研究可知,Al-Mg-Si合金板材DSC曲線上250℃和300℃左右的放熱峰分別對(duì)應(yīng)于β″和β′過渡相的析出。T4P態(tài)鋁板經(jīng)不同程度拉伸變形后,其DSC曲線上對(duì)應(yīng)于β′過渡相的析出峰明顯變小,β″過渡相析出峰的大小無明顯變化。但是,隨著拉伸變形程度的增大,鋁板DSC曲線上對(duì)應(yīng)于β″過渡相析出峰的開始析出溫度(圖3中“+”)和峰值析出溫度(圖3中“×”)均逐漸降低,說明室溫拉伸變形能促進(jìn)T4P態(tài)鋁板中β″過渡相在更低的溫度析出,這有利于深沖后的Al-0.9Mg-1.0Si-0.7Cu-0.6Mn鋁制車身在后續(xù)低溫短時(shí)烤漆過程中快速發(fā)揮出烤漆硬化效應(yīng)。因?yàn)楣倘芩愫?0 min內(nèi)進(jìn)行的170℃×7 min預(yù)時(shí)效處理,能促進(jìn)鋁板基體中過飽和固溶體形成原子團(tuán)簇,為后續(xù)β″過渡相的析出提供了形核點(diǎn),即預(yù)先形核加快時(shí)效析出速度。更重要的是拉伸變形向T4P態(tài)鋁板中引入的大量位錯(cuò),為β″過渡相的析出提供了形核位置和形核長(zhǎng)大所需的能量。二者共同作用下,促進(jìn)β″過渡相析出,降低β″過渡相的析出溫度[13-14]。

圖3 T4P態(tài)鋁板經(jīng)受不同程度拉伸變形后的DSC曲線

2.2 拉伸變形對(duì)T4P態(tài)鋁板烤漆處理后的性能變化

圖5為經(jīng)不同程度拉伸變形的T4P態(tài)鋁板烤漆前后的DSC曲線對(duì)比。由圖5可見,未經(jīng)拉伸變形(即ε=0%)的T4P態(tài)鋁板烤漆前后的DSC曲線上均存在β″和β′過渡相的析出峰,如圖4(a)所示。對(duì)DSC曲線上析出峰進(jìn)行面積積分計(jì)算可知,烤漆前的合金板材中對(duì)應(yīng)于β″和β′相的析出焓分別為3.89 J/g和0.23 J/g,而烤漆后T4P態(tài)鋁板中對(duì)應(yīng)于β″和β′過渡相的析出焓分別為3.14 J/g和0.36 J/g。T4P態(tài)鋁板烤漆前后對(duì)應(yīng)于β″和β′過渡相的析出焓差別較小,分別為0.75 J/g和0.13 J/g,說明170℃×30 min的烤漆處理并未能促使T4P鋁板基體中大量析出β″和β′過渡相,然而T4P態(tài)鋁板經(jīng)烤漆后其屈服強(qiáng)度卻較烤漆前顯著提高了接近75 MPa。分析認(rèn)為,由于固溶水淬后30 min內(nèi)進(jìn)行的170℃×7 min預(yù)時(shí)效處理能促使鋁板基體中形成大量β″或β′過渡相的核心,同時(shí)這種β″或β′過渡相核心分布極其不均勻,從而導(dǎo)致預(yù)時(shí)效處理后板材的屈服強(qiáng)度并未明顯提高。當(dāng)具有大量不均勻分布的β″或β′過渡相核心的鋁板再經(jīng)170℃×30 min烤漆處理后,雖然未能在基體中形成大量β″或β′過渡相,但烤漆處理能促進(jìn)板材基體中的β″或β′過渡相核心分布趨于均勻,因此烤漆后T4P鋁板的強(qiáng)度明顯提高。

由圖5還可見,T4P態(tài)鋁板經(jīng)不同程度拉伸變形再經(jīng)烤漆處理時(shí),鋁板烤漆前后的DSC曲線上對(duì)應(yīng)于β′過渡相的析出峰無明顯變化,但經(jīng)烤漆處理后鋁板DSC曲線上β″過渡相析出峰較烤漆前的β″過渡相析出峰明顯減小,如圖4(b)～圖4(e)所示,說明T4P態(tài)鋁板拉伸變形后再經(jīng)烤漆處理,板材基體中能析出大量β″過渡相,這與前面研究得到的烤漆前的拉伸變形能促進(jìn)T4P態(tài)鋁板烤漆時(shí)析出β″過渡相的結(jié)論相符。分析認(rèn)為,烤漆前的拉伸變形造成的位錯(cuò)等缺陷位置,能成為T4P態(tài)鋁板基體中烤漆加熱時(shí)的β″過渡相的異質(zhì)形核核心[18],并能為β″過渡相形核長(zhǎng)大提供能量,即促進(jìn)β″過渡相的析出,導(dǎo)致DSC曲線上對(duì)應(yīng)于β″過渡相析出的析出峰面積減小。然而,拉伸變形初期所造成的位錯(cuò)等形變?nèi)毕菰阡X板基體中分布很不均勻,因此,異質(zhì)形核析出的β″過渡相的分布也非常不均勻,這種由于拉伸變形促成的大量不均勻析出的β″過渡相對(duì)鋁板基體的強(qiáng)化作用并不明顯。同時(shí),拉伸變形不同程度的T4P態(tài)鋁板烤漆后的DSC曲線上仍存在明顯的β″過渡相析出峰,說明雖然預(yù)時(shí)效處理有利于鋁板烤漆硬化效應(yīng)的發(fā)揮,但170℃×30 min的烤漆處理仍未能使T4P態(tài)鋁板完全發(fā)揮出其時(shí)效硬化潛力。

3 結(jié) 論

(1)烤漆前的拉伸變形能促進(jìn)T4P態(tài)鋁板隨后在170℃×30 min烤漆處理時(shí)的β″過渡相的不均勻析出,這種不均勻析出的β″過渡相部分削弱了T4P態(tài)鋁板的烤漆硬化性,但經(jīng)不同程度拉伸變形的T4P態(tài)鋁板烤漆處理后仍表現(xiàn)出比較明顯的烤漆硬化現(xiàn)象。

(2)固溶水淬后30 min內(nèi),將鋁板進(jìn)行170℃×7 min的預(yù)時(shí)效處理,能有效改善鋁板的烤漆硬化性,但170℃×30 min的烤漆處理仍未能使T4P態(tài)鋁板完全發(fā)揮出其時(shí)效硬化潛力,即T4P態(tài)鋁板烤漆后仍處于欠時(shí)效狀態(tài)。