二級(jí)時(shí)效工藝對(duì)6061鋁合金力學(xué)性能和組織的影響

唐嘉強(qiáng),劉學(xué)剛,周 新,喬明偉,胡 興

(重慶通用工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,重慶 401336)

6061鋁合金屬于可熱處理、可強(qiáng)化的變形鋁合金,因其具有中等的強(qiáng)度、良好的可焊接性、耐蝕性、優(yōu)良的成型性和良好的塑性而被廣泛應(yīng)用[1-2]。目前有學(xué)者對(duì)6061鋁合金的熱處理工藝進(jìn)行了研究,6061鋁合金時(shí)效處理時(shí)相的析出順序?yàn)?過(guò)飽和固溶體→原子團(tuán)簇→GP區(qū)→β″→β′過(guò)渡相→β平衡相[3-4]。6061鋁合金通過(guò)固溶時(shí)效處理可以有效提高合金的綜合力學(xué)性能,在增強(qiáng)材料強(qiáng)度的同時(shí),保證材料的塑性不再降低[5]。人工時(shí)效后的6061鋁合金基體中彌散分布著大量的板條狀析出相(β-Mg2Si)和溶質(zhì)富集區(qū)(GP區(qū)),此時(shí)6061鋁合金的強(qiáng)度較高,伸長(zhǎng)率較低[6-7]。傳統(tǒng)的6061鋁合金采用T6峰值時(shí)效制度時(shí)(180 ℃×8 h)能達(dá)到良好的力學(xué)性能(抗拉強(qiáng)度約300 MPa,硬度約105 HV),但時(shí)效時(shí)間長(zhǎng),能耗高,生產(chǎn)效率較低[8-9]。鑒于上述情況,本文將采用雙級(jí)時(shí)效工藝對(duì)6061鋁合金板進(jìn)行試驗(yàn)研究,對(duì)比不同雙級(jí)時(shí)效制度下材料力學(xué)性能和組織的變化情況,在保證材料性能的前提下探索能耗低、生產(chǎn)周期短的時(shí)效工藝方案,以期為后續(xù)的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方案

試驗(yàn)采用厚度為2 mm的6061-T6鋁合金冷軋板,化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 6061-T6鋁合金冷軋板材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

首先對(duì)試樣進(jìn)行固溶處理,使用SX2-4-10箱式電阻爐將鋁合金板加熱到530 ℃保溫0.5 h后室溫水淬,隨后進(jìn)行溫度180 ℃保溫2 h的一級(jí)預(yù)時(shí)效,最后按照表2所示的工藝方案按組分別進(jìn)行150～230 ℃的二級(jí)終時(shí)效1～4 h。

表2 6061-T6鋁合金二級(jí)時(shí)效試驗(yàn)方案

對(duì)不同時(shí)效工藝下的試樣進(jìn)行檢驗(yàn)分析,具體操作如下:將制好的試樣經(jīng)腐蝕后放在光學(xué)蔡司顯微鏡下觀察。按照標(biāo)準(zhǔn)尺寸使用線切割方式裁取試樣后,對(duì)不同鋁合金試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),每組拉伸試驗(yàn)重復(fù)3次,拉伸速度為1 mm/min。采用MH-5型維式顯微硬度計(jì)檢測(cè)試樣硬度。使用掃描電鏡完成拉伸斷口形貌觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 金相分析

不同二級(jí)時(shí)效工藝下鋁合金的金相組織如圖1所示。不同二級(jí)時(shí)效溫度下相同保溫時(shí)間的金相組織對(duì)比如圖1a～圖1c所示,從圖1a中可以看出,鋁合金基體上分布著拉長(zhǎng)的等軸晶粒,晶粒內(nèi)部和晶界處都有顆粒狀和長(zhǎng)條狀第二相即β-Mg2Si強(qiáng)化相析出,但分布不夠均勻;當(dāng)二級(jí)時(shí)效溫度為190 ℃時(shí),由圖1b可以看出,等軸晶粒更細(xì)化,強(qiáng)化相更多,析出更均勻,彌散程度相應(yīng)增大,這種彌散分布的強(qiáng)化相均勻分布于合金基體內(nèi),對(duì)位錯(cuò)滑動(dòng)起到釘扎阻礙作用,從而提高合金強(qiáng)度。隨著二級(jí)時(shí)效溫度升高至230 ℃,由圖1c可以看出,晶粒長(zhǎng)大,第二相粒子的尺寸與數(shù)量呈現(xiàn)出不均勻分布。

a) 180 ℃×2 h+150 ℃×2 h

b) 180 ℃×2 h+190 ℃×2 h

c) 180 ℃×2 h+230 ℃×2 h

d) 180 ℃×2 h+190 ℃×1 h

當(dāng)二級(jí)時(shí)效溫度為190 ℃時(shí),二級(jí)時(shí)效時(shí)間對(duì)6061-T6鋁合金顯微組織的影響如圖1b、圖1d和圖1e所示。圖1d為二級(jí)時(shí)效時(shí)間為1 h的狀態(tài),出現(xiàn)了較大的等軸晶晶粒,鋁合金基體存在較多溶質(zhì)富集區(qū)以及部分板條狀的β-Mg2Si,但析出相不夠均勻。當(dāng)時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)至4 h(見(jiàn)圖1e)時(shí),板條狀的β-Mg2Si析出相顆粒數(shù)量明顯增多,尺寸明顯長(zhǎng)大,合金基本處于過(guò)時(shí)效狀態(tài),影響了合金的力學(xué)性能。上述檢測(cè)結(jié)果表明,在二級(jí)時(shí)效溫度較低或二級(jí)時(shí)效時(shí)長(zhǎng)不足時(shí),鋁合金基體內(nèi)彌散強(qiáng)化作用較弱;二級(jí)時(shí)效溫度過(guò)高或二級(jí)時(shí)效時(shí)間過(guò)長(zhǎng),晶粒長(zhǎng)大,均勻性降低。

2.2 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果分析

2.2.1 不同二級(jí)時(shí)效工藝對(duì)力學(xué)性能的影響

通過(guò)單向拉伸試驗(yàn)檢測(cè)出材料的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率等性能參數(shù),結(jié)果如圖2所示。隨時(shí)效溫度升高、時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng),材料抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)二級(jí)時(shí)效制度為190 ℃×2 h時(shí),鋁合金的抗拉強(qiáng)度最大,為335.7 MPa,此時(shí)的斷后伸長(zhǎng)率最低為13.01%。當(dāng)二級(jí)時(shí)效溫度為190 ℃、時(shí)效時(shí)間為4 h時(shí),鋁合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最小值295.3 MPa,斷后伸長(zhǎng)率為14.59%。結(jié)合圖1分析可知,這是因?yàn)棣?Mg2Si強(qiáng)化相在時(shí)效過(guò)程中彌散析出,對(duì)材料起到強(qiáng)化作用,并且使晶粒得到一定細(xì)化。但隨著二級(jí)時(shí)效的時(shí)間延長(zhǎng),晶粒長(zhǎng)大粗化,由晶粒長(zhǎng)大引起的負(fù)面效果開(kāi)始凸顯并逐漸占據(jù)主要地位,故造成材料的強(qiáng)度開(kāi)始下降。

a) 不同二級(jí)時(shí)效溫度下的拉伸性能(時(shí)效時(shí)間2 h)

b)不同二級(jí)時(shí)效時(shí)間下的拉伸性能(時(shí)效溫度170 ℃)

2.2.2 不同二級(jí)時(shí)效工藝對(duì)材料硬度的影響

采用維氏硬度計(jì)測(cè)量不同二級(jí)時(shí)效工藝制度下材料的硬度,結(jié)果如圖3所示。從圖3a中可以看出,在相同的二級(jí)時(shí)效時(shí)間下,隨著二級(jí)時(shí)效溫度的升高,材料的硬度達(dá)到峰值后又繼續(xù)下降。當(dāng)二級(jí)時(shí)效溫度從150 ℃上升至190 ℃時(shí),6061鋁合金的硬度值從102.5 HV上升至峰值119.7 HV。通過(guò)二級(jí)時(shí)效處理,板材內(nèi)的溶質(zhì)原子在晶體內(nèi)與晶界處不斷析出并逐漸長(zhǎng)大,形成彌散分布的β-Mg2Si強(qiáng)化相,使等軸晶粒更細(xì)化,從而提高了材料硬度。

a) 不同二級(jí)時(shí)效溫度下材料的硬度(時(shí)效時(shí)間2 h)

b) 不同二級(jí)時(shí)效時(shí)間下材料的硬度(時(shí)效溫度190 ℃)

當(dāng)二級(jí)時(shí)效溫度為190 ℃時(shí),不同的二級(jí)時(shí)效時(shí)間下6061鋁合金的維氏硬度同樣呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢(shì)。圖3b中,當(dāng)二級(jí)時(shí)效時(shí)間從1 h增加至2 h時(shí),試樣的維氏硬度值從109.6 HV提升至119.7 HV,但延長(zhǎng)保溫時(shí)間至4 h后,試樣的硬度減小至105.1 HV,結(jié)合圖1可知,這是由于材料發(fā)生了過(guò)時(shí)效所導(dǎo)致的。

2.3 不同二級(jí)時(shí)效工藝對(duì)斷口形貌的影響

在拉伸試驗(yàn)后,使用掃描電鏡觀察不同雙級(jí)時(shí)效工藝下6061鋁合金冷扎板的試樣斷口形貌,結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?061鋁合金在不同雙級(jí)時(shí)效制度下的拉伸試樣均有明顯的韌窩,屬于韌性斷裂。在韌性斷裂時(shí),韌窩的大小、深淺和數(shù)量取決于材料斷裂時(shí)夾雜物或第二相粒子的大小、間距、數(shù)量及材料的塑性和試驗(yàn)溫度[10]。對(duì)比圖4a～圖4c可以看出,當(dāng)時(shí)效時(shí)間為2 h、時(shí)效溫度從150 ℃上升至230 ℃時(shí),由于β-Mg2Si強(qiáng)化相的彌散析出,導(dǎo)致韌窩數(shù)量明顯增多,韌窩尺寸變小,晶粒得到細(xì)化,使得鋁合金的強(qiáng)度提升,這與金相觀察到的結(jié)果基本吻合。當(dāng)溫度上升至230 ℃時(shí),韌窩尺寸增大,深度變淺,結(jié)合圖1可知,此時(shí)晶粒長(zhǎng)大,第二相粒子的尺寸與數(shù)量呈現(xiàn)出不均勻的分布,進(jìn)而造成鋁合金強(qiáng)度下降;對(duì)比圖4d與圖4e,當(dāng)二級(jí)時(shí)效溫度為190 ℃時(shí),隨著保溫時(shí)間的增加,大尺寸的韌窩數(shù)量減少,韌窩分布更均勻、密集。隨著二級(jí)時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)至4 h,晶粒長(zhǎng)大粗化,由晶粒長(zhǎng)大引起的負(fù)面效果開(kāi)始凸顯并逐漸占據(jù)主要地位,故造成材料的大尺寸韌窩明顯增多,材料均勻性下降,此時(shí)材料的抗拉強(qiáng)度最差。

a) 180 ℃×2 h+150 ℃×2 h

b) 180 ℃×2 h+190 ℃×2 h

c) 180 ℃×2 h+230 ℃×2 h

d) 180 ℃×2 h+190 ℃×1 h

e) 180 ℃×2 h+190 ℃×4 h

3 結(jié)語(yǔ)

固溶處理后的6061-T6鋁合金冷軋板在180 ℃保溫2 h的一級(jí)預(yù)時(shí)效情況下,隨二級(jí)時(shí)效工藝參數(shù)的變化,可以得出如下結(jié)論。

1)隨著二級(jí)時(shí)效溫度的升高與時(shí)效時(shí)間的增加,板材內(nèi)的溶質(zhì)原子在晶體內(nèi)與晶界處不斷析出并逐漸長(zhǎng)大,形成彌散分布的β-Mg2Si強(qiáng)化相,使晶粒更細(xì)化,但進(jìn)一步升高時(shí)效溫度和延長(zhǎng)時(shí)效時(shí)間后,鋁合金晶粒粗化。

2)合金的抗拉強(qiáng)度與硬度隨著二級(jí)時(shí)效溫度的升高與時(shí)效時(shí)間的增加均呈先升后降的趨勢(shì),當(dāng)二級(jí)時(shí)效制度為190 ℃×2 h時(shí)最佳,抗拉強(qiáng)度為337.5 MPa,硬度為119.7 HV。

3)6061-T6鋁合金通過(guò)雙級(jí)時(shí)效處理可以達(dá)到比T6峰值時(shí)效更優(yōu)的性能,在提高材料性能的同時(shí)可以減少能耗,縮短生產(chǎn)周期。對(duì)于2 mm厚的6061-T6鋁合金冷軋板,其雙級(jí)時(shí)效工藝以180 ℃×2 h+190 ℃×2 h為宜。