王云 閔潔

摘 要：自21世紀(jì)以來(lái)，汽車行業(yè)得以快速發(fā)展，我國(guó)汽車保有量更是逐年增長(zhǎng)。與此同時(shí)，鋁合金也成為汽車領(lǐng)域中的重要原材料，并在汽車制造中大量使用。對(duì)于鋁合金來(lái)說(shuō)，其自身的力學(xué)性能將對(duì)汽車的運(yùn)行性能及安全性產(chǎn)生直接的影響。因此，對(duì)車用鋁合金的微結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行深入研究，以此分析其力學(xué)性能變化，對(duì)于提高汽車安全性能及可靠性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。鑒于此，本文便對(duì)車用鋁合金微結(jié)構(gòu)演變及其性能開展深入的研究。

關(guān)鍵詞：車用鋁合金;微結(jié)構(gòu);演變;性能

一、試驗(yàn)材料及方法

在本文中將6061鋁合金作為試驗(yàn)材料，按照560℃、16h的試驗(yàn)條件來(lái)進(jìn)行均勻化處理，獲得鑄錠，然后利用8MN臥式擠壓機(jī)來(lái)開展擠壓試驗(yàn)，以此獲得相應(yīng)的鋁合金棒材，并以5mm/s的速度進(jìn)行擠壓，將擠壓比的值設(shè)定為25，型材在經(jīng)過(guò)擠壓后到達(dá)出口時(shí)的溫度則達(dá)到550℃，以獲得相應(yīng)的纖維組織。通過(guò)DWK-702型溫控儀與SRJ-45箱式電阻爐來(lái)對(duì)獲得的鋁合金棒才進(jìn)行固溶處理，處理時(shí)間設(shè)置為1h，處理溫度則按照505℃、515℃、525℃、535℃、545℃與555℃進(jìn)行分檔，經(jīng)固溶處理以后進(jìn)行水冷至室溫，以使其組織形貌不發(fā)生變化。將180℃設(shè)定成人工時(shí)效溫度，時(shí)效時(shí)間則按照每?jī)尚r(shí)的間隔進(jìn)行設(shè)置，分別是2h、4h、6h、8h、10h，時(shí)效后空冷至室溫。

在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)數(shù)控線沿著其擠壓方向進(jìn)行切割，以便于獲得相應(yīng)的壓縮式樣，該試樣為圓柱體，尺寸為8mm×4mm，并采取分離式霍普金森壓桿來(lái)測(cè)試鋁合金材料在不同熱處理?xiàng)l件下的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需要確保擠壓方向與沖擊方向相同，然后對(duì)應(yīng)變速率進(jìn)行不同設(shè)置，以便于開展動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)，并采取應(yīng)變環(huán)來(lái)對(duì)試樣應(yīng)變量進(jìn)行控制。在對(duì)不同處理狀態(tài)下的樣品開展力學(xué)性能測(cè)試時(shí)，則通過(guò)HV-1000顯微硬度計(jì)來(lái)完成，將5組值中的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)硬度值，并采用500#至2000#的水磨砂紙，對(duì)待觀察金相的試樣進(jìn)行預(yù)磨，然后實(shí)施機(jī)械拋光，并采取陽(yáng)極覆膜。利用POLYVERMET偏光顯微鏡來(lái)觀察試驗(yàn)樣品的金相組織。在觀察實(shí)驗(yàn)樣品物相時(shí)，則采取透射電鏡來(lái)完成，通過(guò)機(jī)械預(yù)減薄以后獲得的薄膜樣品，還要采取雙噴電解減薄，然后對(duì)獲得的樣品進(jìn)行顯微組織觀察，可采取TECNAIG2F20電鏡來(lái)進(jìn)行透射觀察

二、試驗(yàn)結(jié)果與分析

（一）不同固溶溫度條件下鋁合金微觀結(jié)構(gòu)演變及其性能變化

通過(guò)觀察不同固溶溫度下，固溶態(tài)合金在硬度方面所產(chǎn)生的變化，可以了解到，固溶溫度越高，則固溶合金硬度也會(huì)隨之提升，但是當(dāng)固溶溫度達(dá)到535℃時(shí)，則固溶鈦合金硬度面保持在70HV的峰值，此時(shí)即使固溶溫度繼續(xù)升高，固溶態(tài)合金的硬度變化幅度幾乎可以忽略不計(jì)。究其原因在于當(dāng)固溶溫度達(dá)到535℃時(shí)，絕大多數(shù)的合金元素均已進(jìn)入基體，此時(shí)鋁合金呈現(xiàn)出比較穩(wěn)定的過(guò)飽和度。

將固溶處理時(shí)間設(shè)定為1h，并對(duì)不同固溶處理溫度下的鋁合金擠壓棒材顯微組織進(jìn)行觀察。觀察結(jié)果表明，當(dāng)固溶溫度不斷提升，使鋁合金擠壓棒材中的晶內(nèi)粗大相粒子與晶界粗大相粒子的數(shù)量不斷減少，這些相粒子紛紛融入至基體中。當(dāng)固溶溫度達(dá)到515℃時(shí)，因此時(shí)的固溶溫度是比較低的，此時(shí)鋁合金中的原子在遷移擴(kuò)散過(guò)程中產(chǎn)生的速度也相對(duì)較慢，此時(shí)鋁合金中并未溶解的第二相有著大量的殘留，這也造成機(jī)體中有著較低濃度的強(qiáng)化相。在后續(xù)時(shí)效中，也很少能從基體組織內(nèi)析出強(qiáng)化相，因此時(shí)效強(qiáng)化效果較差，此時(shí)的鋁合金具有較高的塑性，但其強(qiáng)度卻偏低。當(dāng)固溶溫度不斷提升時(shí)，則鋁合金中的原子會(huì)產(chǎn)生更快的擴(kuò)散速度，此時(shí)基體內(nèi)融入的可溶第二相粒子數(shù)量也不斷增加，這時(shí)時(shí)效析出的強(qiáng)化相數(shù)量會(huì)不斷增加，這時(shí)鋁合金材料的強(qiáng)度也會(huì)持續(xù)提高。固溶溫度達(dá)到535℃時(shí)，則基體內(nèi)融入的第二相已基本飽和，此時(shí)如果固溶溫度繼續(xù)增加，即使固溶溫度達(dá)到545℃，則鋁合金棒材的微觀組織也不會(huì)出現(xiàn)較為明顯的變化。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可以了解到，固溶溫度在535℃時(shí)，6061鋁合金擠壓棒材在經(jīng)過(guò)一個(gè)小時(shí)的固溶處理以后，其固溶效果達(dá)到最佳的。

通過(guò)對(duì)固溶溫度不同條件下的6061鋁合金擠壓棒材進(jìn)行流變應(yīng)力曲線分析，可以了解到應(yīng)變速率在2000s-15500s-1的情況下，該鋁合金隨著固溶溫度的改變，其表面硬度的變化也是趨于一致的，并且鋁合金的抗變形能力會(huì)因固溶溫度的提升而增強(qiáng)，并在固溶溫度達(dá)到535℃時(shí)，鋁合金的抗變形能力達(dá)到最強(qiáng)。當(dāng)固溶溫度繼續(xù)提升時(shí)，鋁合金不會(huì)出現(xiàn)較大幅度的動(dòng)態(tài)流變應(yīng)力變化。

當(dāng)應(yīng)變速率為2000s-1時(shí)，固溶溫度的不同時(shí)，6061鋁合金擠壓棒材試樣的應(yīng)變率保持不變，應(yīng)變率的值為0.2。由此可以了解到，如果固溶溫度比較低，因?yàn)楂@得高溶質(zhì)原子濃度，使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)不會(huì)受到較大阻礙，這也使得材料具備較差的變形抗力，此時(shí)會(huì)觀察到少量的位錯(cuò)組織。固溶溫度提升時(shí)，則對(duì)試樣的固溶強(qiáng)化有著明顯的效果，此時(shí)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)會(huì)受到明顯的阻力，這也使得位錯(cuò)呈現(xiàn)出均勻分布變化，并形成了許多為錯(cuò)胞，這也使得試樣在變形過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生更加明顯的流變應(yīng)力。

（二）不同人工時(shí)效時(shí)間條件下鋁合金微觀結(jié)構(gòu)演變及其性能變化

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以確定鋁合金的最佳固溶溫度為535℃，最佳固溶時(shí)間為1h，通過(guò)對(duì)鋁合金試樣實(shí)施固溶處理以后，將溫度設(shè)定在180℃，并對(duì)保溫時(shí)間進(jìn)行不同設(shè)置，以此對(duì)試驗(yàn)樣品實(shí)施人工時(shí)效處理。通過(guò)觀察人工時(shí)效處理效果，可以了解到6061鋁合金的時(shí)效強(qiáng)化效果非常明顯，鋁合金的時(shí)效硬度在前期快速上升，隨后則出現(xiàn)略微下降，當(dāng)保溫時(shí)間為8h時(shí)，鋁合金的時(shí)效硬度峰值可達(dá)到104HV，而當(dāng)時(shí)效時(shí)間繼續(xù)增長(zhǎng)時(shí)，鋁合金的時(shí)效硬度則呈現(xiàn)出緩慢下降趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)時(shí)效處理時(shí)間不同下的樣品進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮曲線觀察，可以了解到?jīng)_擊荷載中應(yīng)變速率達(dá)到2000s-1與5500s-1時(shí)，此時(shí)的鋁合金有著很明顯的應(yīng)變強(qiáng)化與應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，并且實(shí)效時(shí)間的持續(xù)增加，會(huì)使鋁合金的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度越來(lái)越強(qiáng)，當(dāng)人工實(shí)效時(shí)間達(dá)到8h時(shí)，鋁合金的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度達(dá)到了力學(xué)性能峰值，應(yīng)變率的不斷提高，也使得鋁合金材料出現(xiàn)了較小幅度的流變應(yīng)力增加。

保溫時(shí)間不同情況下，通過(guò)觀察6061鋁合金棒材在人工時(shí)效處理以后的顯微組織變化，可以發(fā)現(xiàn)α（SSSS）沉淀相最先析出，隨后析出的是GP區(qū)，然后是β與β，最后析出的沉淀相為β。在時(shí)效處理初期，可以發(fā)現(xiàn)Si原子在鋁合金基體晶面上大量聚集，進(jìn)而產(chǎn)生了溶質(zhì)原子偏聚區(qū)，并和基體形成了共格關(guān)系，所以叫做GP區(qū)共格應(yīng)變區(qū)，其是由大量聚合體組成的，因共格應(yīng)變區(qū)具有抗變形能力，所以鋁合金的硬度及強(qiáng)度有所提高。當(dāng)實(shí)效時(shí)間有所增加時(shí)，GP區(qū)會(huì)轉(zhuǎn)化成強(qiáng)化相β，而β則是和基本共格的單斜晶系，β進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成桿狀β，對(duì)于β來(lái)說(shuō)，其屬于六方結(jié)構(gòu)，和基體局部具有共格關(guān)系，相比于β來(lái)說(shuō)，其強(qiáng)化效果不如前者，而β最終會(huì)向著β相進(jìn)行轉(zhuǎn)化，β是相沿基體面中析出的盤狀平衡相。時(shí)效時(shí)間為4h時(shí)，通過(guò)電子顯微鏡進(jìn)行透射觀察，可以發(fā)現(xiàn)鋁合金中會(huì)析出和β強(qiáng)化相，該強(qiáng)化相和基體共格，并且是沿著AI基體的<100>方向進(jìn)行析出的，β強(qiáng)化相屬于納米級(jí)。共格邊界是原子是兩相共有，而對(duì)于基體來(lái)說(shuō)，其之所以會(huì)產(chǎn)生彈性應(yīng)變，其目的是為了對(duì)兩相原子排列進(jìn)行有效適應(yīng)，但其彈性畸變則會(huì)嚴(yán)重阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，這樣鋁合金的強(qiáng)度便會(huì)有所提升。如果β相的尺寸不斷增加，則基體內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)也會(huì)隨之遍布其中，并由此使合金強(qiáng)度不斷提高，直至達(dá)到峰值為止。在時(shí)效初期，之所以6061鋁合金棒材會(huì)具有更高的強(qiáng)度，究其原因還是在于GP區(qū)的形成，并且當(dāng)人工時(shí)效時(shí)間變得更長(zhǎng)時(shí)，β在固溶體內(nèi)的析出相也會(huì)越來(lái)越多，通過(guò)8h的時(shí)效處理以后，沿鋁合金基體<100>方向進(jìn)行析出的針狀β析出相數(shù)量也會(huì)大量增加，這些針狀β析出相彌散于整個(gè)固溶體內(nèi)。

當(dāng)應(yīng)變速率為2000s-1時(shí)，6061鋁合金試樣在進(jìn)行人工時(shí)效處理后，可以觀察到其微觀組織圖像，通過(guò)觀察2h的人工時(shí)效處理所獲得的6061鋁合金試樣微觀組織圖像可發(fā)現(xiàn)，其析出相以GP區(qū)為主，這會(huì)阻礙變形中的對(duì)位錯(cuò)，因析出相有著較小的粒子尺寸，所以并不會(huì)給位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)造成明顯的釘扎作用，大量位錯(cuò)仍舊能自由運(yùn)動(dòng)，其位錯(cuò)密度并不高。而通過(guò)觀察4h的人工時(shí)效處理所獲得的6061鋁合金試樣微觀組織圖像可以發(fā)現(xiàn)，一些析出相已經(jīng)從GP區(qū)轉(zhuǎn)化成了β，因β會(huì)很大程度上阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，這也使材料在變形過(guò)程中產(chǎn)生較大阻力，進(jìn)而引發(fā)位錯(cuò)堆積現(xiàn)象，這時(shí)的位錯(cuò)密度有了明顯的提高。通過(guò)觀察8h的人工時(shí)效處理所獲得的6061鋁合金試樣微觀組織圖像可以發(fā)現(xiàn)，時(shí)效處理效果此時(shí)達(dá)到峰值，并且析出強(qiáng)化作用最大，大量的β密度使其能夠充分發(fā)揮出釘扎位錯(cuò)的作用，進(jìn)而使鋁合金在此時(shí)的變形抗力達(dá)到最大，由于位錯(cuò)大量堆積，使得位錯(cuò)密度大幅增加，這也使位錯(cuò)在微觀結(jié)構(gòu)中呈現(xiàn)出網(wǎng)狀均勻分布狀態(tài)，并形成了大量的位錯(cuò)胞，所以鋁合金在此時(shí)是具有最大動(dòng)態(tài)流變應(yīng)力的。

三、結(jié)語(yǔ)

總而言之，鋁合金材料作為汽車制造領(lǐng)域中的重要原材料，其材料力學(xué)性能對(duì)汽車安全性、可靠性等產(chǎn)生著直接的影響，所以對(duì)車用鋁合金材料的微觀結(jié)構(gòu)演變及性能開展研究非常重要，本文便分析了固溶時(shí)效處理過(guò)程中6061鋁合金材料在微觀結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)的演變及其性能變化情況，從而為沖擊載荷下鋁合金的合理運(yùn)用提供了重要的試驗(yàn)依據(jù)。

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基金項(xiàng)目：云南省科技廳2018年度應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃青年項(xiàng)目《汽車用6000系鋁合金微結(jié)構(gòu)演變與性能研究》（項(xiàng)目編號(hào)：2018FD089）

作者簡(jiǎn)介：王云（1987— ），女，漢族，云南建水人，碩士，助教，從事金屬材料研究;閔潔（1982— ），女，漢族，云南昆明人，碩士，講師，從事材料成型及控制研究。