預(yù)應(yīng)變和預(yù)時效對Al-Mg-Si合金烘烤硬化性能的影響

徐歡歡，張志清，吳賽楠，黃光杰

(重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400030)

近年來，Al-Mg-Si合金由于其出色的輕量化、抗腐蝕性、優(yōu)良的成形性和烘烤硬化性能，作為汽車車身板材得以廣泛應(yīng)用[1?2]。通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に噥砜刂瓢宀暮婵厩暗膹姸?，以便合金具有良好的成形性，而?jīng)烘烤后提高強度，滿足車身板強度要求。常規(guī)的T4狀態(tài)的6xxx系鋁合金薄板由于自然時效硬化，烘烤前強度較高，不利于沖壓成形。且受烘烤時間的限制，時效后處于欠時效狀態(tài)，不能有效提高車身構(gòu)件的強度[3?4]。

已有研究表明[5?8]，固溶淬火后進行預(yù)時效處理能有效提高板材的烘烤硬化性能，預(yù)時效可以改變合金的析出特性，從而抑制自然時效過程中原子團簇的形成，加速烘烤過程中β″相的析出。另外，預(yù)應(yīng)變對于沉淀相的形核和長大的激活能有很大影響[9?10]，固溶淬火后引入預(yù)應(yīng)變同樣能有效抑制自然時效過程中原子團簇的形成，加快烘烤時β″相的形成速度，提高烘烤硬化性能[11?12]。目前，關(guān)于單純采用預(yù)時效和預(yù)應(yīng)變抑制自然時效，提高烘烤強度的研究較多，但采用預(yù)應(yīng)變結(jié)合預(yù)時效的預(yù)處理工藝后，對材料性能變化及與微觀組織結(jié)構(gòu)間關(guān)系的研究工作還未見大量報道。

本文作者通過比較6016鋁合金經(jīng)170 ℃預(yù)時效3，5，10 min、和5%預(yù)應(yīng)變及預(yù)應(yīng)變后預(yù)時效3種預(yù)處理工藝對自然時效及烘烤硬化的影響，研究預(yù)應(yīng)變后預(yù)時效的預(yù)處理工藝的作用及最佳預(yù)處理工藝。

1 實驗

實驗材料成分如表1所列。合金鑄錠經(jīng)均勻化退火、熱軋和冷軋得到1.2 mm厚板材。經(jīng)(550 ℃，30 min)固溶處理后水淬。將試樣分為4類：固溶試樣、預(yù)時效試樣、預(yù)應(yīng)變試樣、預(yù)應(yīng)變后預(yù)時效試樣。固溶試樣為固溶水淬后沒有任何預(yù)處理的試樣；預(yù)時效試樣經(jīng)固溶水淬后在170 ℃預(yù)時效3、5、10 min；預(yù)應(yīng)變試樣經(jīng)固溶水淬后預(yù)應(yīng)變 5%；預(yù)應(yīng)變后預(yù)時效試樣經(jīng)固溶水淬及5%預(yù)應(yīng)變后在170 ℃預(yù)時效3、5、10 min。所有試樣均在室溫下自然時效10 d后在180 ℃烘烤30 min。試樣命名原則如下：PSxPAy，表示預(yù)應(yīng)變x%，預(yù)時效y min。例如PS0PA5表示預(yù)應(yīng)變0%、預(yù)時效5 min的試樣(即預(yù)時效試樣)，PS5PA5表示預(yù)應(yīng)變 5%加預(yù)時效 5 min的試樣(即預(yù)應(yīng)變后預(yù)時效試樣)。

表1 AA6016合金化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of AA6016 alloy (mass fraction,%)

按照 HGBT228—2002標(biāo)準(zhǔn)制備拉伸試樣，標(biāo)距寬度和長度是4和25 mm。拉伸試驗在計算機控制的型號為SHIMADZU AG-X 10KN拉伸儀上進行。硬度測試使用MH?3型顯微硬度儀，載荷質(zhì)量500 g，加載持續(xù)時間為 15 s。DSC(Differential scanning calorimeter，示差掃描量熱法)在 METTLED 公司的TGA/DSC1/1100LF型上進行，通入氬氣保護，升溫速率是10 ℃/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)處理工藝對自然時效的抑制

圖1(a)所示為固溶試樣和預(yù)時效試樣在自然時效過程中的硬度變化曲線。固溶樣品在固溶淬火后的硬度為(47.71±0.81)HV，經(jīng) 240 h自然時效增長到(74.38±1.28)HV，在前24 h內(nèi)顯著增加，到96 h趨于平緩。自然時效過程中硬度的增加表明合金中形成大量的原子團簇和部分GP區(qū)[13?15]。

圖1 預(yù)處理對自然時效過程中硬度變化的影響Fig.1 Effect of pre-treatments on hardness change during natural ageing: (a)Solution treated sample and pre-aged alone samples; (b)Solution treated sample, pre-strained alone sample and pre-strained and pre-aged samples

預(yù)時效試樣硬度較固溶試樣硬度有一定程度增加，預(yù)時效時間越長，硬度增加越大。預(yù)時效試樣在自然時效過程中，硬度增加緩慢，預(yù)時效10 min的試樣的硬度變化最小?？梢钥闯?，預(yù)時效試樣的自然時效受到抑制，但由于試樣在進行預(yù)時效處理時的硬度增加較大，預(yù)時效10 min的試樣烘烤前的硬度較高，為(81.16±0.49)HV，大于固溶試樣 T4態(tài)的硬度，對烤漆前的成形性有不利影響。預(yù)時效過程中形成大尺寸的GP-I區(qū)，緩解了基體溶質(zhì)原子的過飽和度，自然時效過程中原子團簇的形成減少，自然時效受到抑制[5]。這在后面的DSC曲線分析中得到印證。

圖1(b)所示為固溶試樣、預(yù)應(yīng)變試樣及預(yù)應(yīng)變后預(yù)時效試樣的自然時效硬度變化曲線。進行 5%預(yù)應(yīng)變后的試樣硬度較固溶試樣硬度亦有不同程度增加，預(yù)應(yīng)變試樣在前24 h內(nèi)增加較快，經(jīng)240 h自然時效增加到(80.67±0.72)HV，對自然時效的抑制并不明顯。預(yù)應(yīng)變后預(yù)時效試樣在自然時效過程中硬度變化很小，其自然時效后的硬度均低于預(yù)應(yīng)變試樣的硬度。以上所述表明，在預(yù)時效前加入預(yù)應(yīng)變可進一步抑制自然時效，同時預(yù)時效能減弱由預(yù)應(yīng)變帶來的位錯強化，在240 h自然時效后，預(yù)應(yīng)變后預(yù)時效試樣的硬度只略高于固溶試樣 T4態(tài)的硬度，對合金沖壓成形的影響不大。

圖2所示為不同預(yù)處理條件對在自然時效和烘烤硬化過程中硬度變化的影響。從圖2中可以看出，自然時效中硬度增加值為白色部分，隨預(yù)時效時間的延長，預(yù)時效試樣在自然時效過程中硬度增幅減小，對自然時效的抑制作用越來越明顯。預(yù)時效10 min的試樣，對自然時效的抑制作用最明顯，但由于預(yù)時效時間過長，自然時效后硬度偏高，不利于烘烤前的沖壓成型。在預(yù)時效前加入 5%預(yù)應(yīng)變后，試樣硬度增加值較預(yù)時效試樣更小，進一步抑制了自然時效，且隨預(yù)時效時間的延長，抑制作用更顯著，其中PS5PA10的硬度僅增加了7.82HV。

圖2 預(yù)處理對自然時效和烘烤過程中硬度變化的影響Fig.2 Effect of pre-treatments on hardness change during natural ageing and baking

2.2 預(yù)處理工藝對烘烤性能的提高

從圖2可以看出，烘烤過程中硬度增加值為陰影部分，固溶試樣的烘烤硬化效果很有限，僅為1.36HV，預(yù)應(yīng)變試樣的烘烤硬化效果不明顯，預(yù)時效及預(yù)應(yīng)變后預(yù)時效樣品的烘烤硬化效果顯著增強，PS0PA5和PS5PA5的硬度分別增加了30.41HV和31.88HV。由此可見，預(yù)時效對于烘烤過程中硬度的提高有關(guān)鍵作用，經(jīng)預(yù)時效5 min的試樣的烘烤硬化效果均較好。固溶試樣在自然時效過程中形成原子團簇和尺寸較小的GP區(qū)沒有達到β″相臨界核的尺寸，在烘烤時先發(fā)生溶解再形成β″相，致使β″相達到峰值時效的時間推后。所以試樣經(jīng)180 ℃烘烤30 min后并沒有達到β″相時效峰值，時效尚不充分，烘烤硬化效果十分有限。而預(yù)時效中形成的大尺寸GP區(qū)在烘烤時直接形成β″相核心，縮短了 β″相的峰值時效時間，烘烤效果更好[16?18]。

圖3所示為試樣在不同預(yù)處理條件下烘烤前后屈服強度變化柱狀圖，表2所列為烘烤前后樣品的伸長率及其變化。從圖3可以看出，烘烤過程中屈服強度增加值為陰影部分，固溶試樣烘烤前后的屈服強度無明顯變化；預(yù)時效5 min的試樣有明顯的烘烤效果，烘烤后強度增大了66.82 MPa，且烘烤前的強度較固溶試樣低，自然時效受到抑制；隨著預(yù)時效時間的延長，烘烤效果更好。但是預(yù)時效10 min時，合金中會形成較多的β″強化相，烘烤前屈服強度偏高，影響了板材的成形性，且從表2可知，預(yù)時效10 min的試樣伸長率下降了9.3%，塑性降低最明顯。預(yù)應(yīng)變試樣沒有發(fā)生烘烤硬化，且預(yù)應(yīng)變后，由于位錯的引入，位錯強化使烘烤前的強度較高，不利于材料成形。在預(yù)應(yīng)變后引入預(yù)時效，烘烤前強度較預(yù)應(yīng)變試樣的強度都有所下降，且烘烤效果明顯改善。PS5PA5烘烤前后的屈服強度分別為(104.39±0.51)MPa，(178.02±2.14)MPa，烘烤后增大了73.63 MPa，烘烤效果最好，同時如表 2所列，其伸長率僅下降 2%，塑性保持較好，這表明預(yù)時效能有效提高烘烤硬化效果。由圖 3可以比較，PS5PA10烘烤前的強度較PS0PA10的低，且在烘烤過程中伸長率無明顯下降。這說明在預(yù)時效前加入預(yù)應(yīng)變可以進一步抑制自然時效，而預(yù)時效可以減少由預(yù)應(yīng)變帶來的形變強化，使烘烤前的強度控制在可以接受的范圍內(nèi)，并且避免了試樣烘烤后塑性的降低。

圖3 預(yù)處理對烘烤過程中的屈服強度的影響Fig.3 Effect of pre-treatments on yield strength changes(BHR)during baking

表2 烘烤前后各預(yù)處理條件下試樣的伸長率及其變化Table 2 Elongation and its changes before and after baking of samples pretreated with varies conditions

2.3 DSC曲線分析

圖4所示為試樣在預(yù)處理后的DSC曲線。已有研究表明[19?20]，Al-Mg-Si合金的時效順序為：過飽和固溶體→原子團簇→GPI區(qū)→β″相→β′相→β相，其中β″相是主要的強化相。由圖 4(a)可以看出，預(yù)時效后，原子團簇的吸熱峰變小，GPI區(qū)和β″相放熱峰提前，且隨預(yù)時效時間增長放熱峰變緩。說明了在預(yù)時效過程中直接形成了一部分GPI區(qū)和β″相，有效緩解了基體溶質(zhì)原子的過飽和度，從而抑制自然時效中原子團簇的形成，β″相放熱峰提前說明在烘烤時β"相更易于析出，有利于試樣的烘烤硬化。PS0P10的預(yù)時效過程中形成的β″相較多，致使烘烤前強度較高，不利于沖壓成形。加入預(yù)應(yīng)變后，β″相放熱峰的溫度進一步提前，原子團簇的吸熱峰和GPI區(qū)的放熱峰完全消失，如圖4(b)所示。這說明了預(yù)應(yīng)變后預(yù)時效的試樣直接形成了大尺寸的GPI區(qū)，這些GP區(qū)在烘烤過程中難以再溶解，直接形成β″核心，抑制自然時效，加速了烘烤硬化。相對于PS0PA10的曲線，PS5PA10的曲線中β″相強度沒有明顯降低，這說明了預(yù)應(yīng)變后預(yù)時效的試樣在預(yù)處理過程中主要形成GPI區(qū)，沒有形成大量β″相，有利于降低烘烤前強度，提高材料的成形性。預(yù)應(yīng)變引入的位錯為β″相形核提供更多形核點，促進烘烤過程中β″沉淀相的形成，縮短了合金達到時效峰值的時間，提高了烘烤硬化性能。

圖4 預(yù)處理對DSC的影響Fig.4 Effect of pre-treatments on DSC: (a)Solution treated sample and pre-aged alone samples; (b)Solution treated sample,pre-strained alone sample and pre-strained and pre-aged samples

3 結(jié)論

1)在固溶淬火后進行預(yù)時效處理能有效抑制自然時效，提高材料的烘烤硬化效果，隨預(yù)時效時間的延長，對自然時效的抑制作用越來越好，烘烤硬化效果提高，而預(yù)時效10 min的試樣在烘烤前強度過高，不利于材料烘烤前的沖壓成形，且烘烤后塑性降低。

2)預(yù)應(yīng)變試樣的烘烤硬化效果有限，加入預(yù)時效后才能進一步抑制自然時效，烘烤硬化效果有所提高，PS5PA5的烘烤硬化性能最好。對于預(yù)時效10 min的試樣引入預(yù)應(yīng)變后，可降低其烘烤前強度，并且避免烘烤后塑性的降低。

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