鋁合金板材抗凹性能研究

張鈞萍，馬鳴圖，方 剛，金慶生

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400039）

鋁合金板材抗凹性能研究

張鈞萍，馬鳴圖，方 剛，金慶生

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400039）

通過力學(xué)性能測試、烘烤硬化性能測試和抗凹性能測試，研究了用于制備汽車覆蓋件的6016鋁合金板材的抗凹性能以及抗凹性與材料力學(xué)性能和烘烤硬化性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明：6016鋁合金板材經(jīng)兩年自然時效后，其強度略有增加，加工硬化指數(shù)n值和延伸率增大；板材在不同溫度條件下經(jīng)30 min烘烤后強度增加，烘烤硬化值隨著溫度升高而顯著增加，表現(xiàn)出良好的烘烤硬化性能；板材的抗凹性能與烘烤工藝有關(guān)，烘烤溫度越高，烘烤后材料的屈服強度越高，板材的抗凹性能越好。

6016鋁合金；烘烤硬化性；抗凹性能

1 前言

鋁合金替代鋼料作為汽車覆蓋件材料可以有效降低覆蓋件的質(zhì)量，但可能引起覆蓋件的“軟化”[1]。因此在進行材料替換之前，除了考慮材料的成形性能，還應(yīng)考慮材料的抗凹性能?？拱夹允侵敢欢ㄐ螤畹脑嚇釉谝欢ㄍ廨d荷的作用下，抵抗凹陷撓曲或者局部凹陷變形，保持其形狀的能力[2，3]。目前用于測試材料抗凹性能的試樣主要有平板試樣、脹形試樣和模擬覆蓋件試樣，其中，模擬覆蓋件試樣最能反映材料制備成覆蓋件后的抗凹性能[4～7]。

鋁合金作為汽車覆蓋件輕量化材料，關(guān)于其抗凹性能的研究還較少。本文采用的6016鋁合金具有烘烤硬化效應(yīng)，這一效應(yīng)在覆蓋件烤漆過程中發(fā)揮著重要的二次強化作用[8，9]。而一些文獻測試材料的抗凹性能時，脫離了覆蓋件的形狀特征，忽略了成形后的烘烤硬化過程，使獲得的材料的抗凹性能脫離了覆蓋件的抗凹性能。本文研究了6016鋁合金的基本力學(xué)性能、烘烤硬化性能和抗凹性能，并討論了這些性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。

2 試驗用材和方法

2.1 試驗材料

試驗材料是厚度為0.9 mm的6016鋁合金板材，材料的化學(xué)成分如表1所示。材料交貨狀態(tài)為T4態(tài)（固溶處理+自然時效）。

表1 6016板材化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of 6016 sheet

2.2 力學(xué)性能及烘烤硬化性能測試

按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》規(guī)定，沿板材軋制方向取樣后制成A80拉伸試樣，在SANS CMT5305拉伸試驗機上測試交貨態(tài)及兩年時效后的力學(xué)性能（見表2）。按照GB/T 5027—2007和GB/T 5028—2008分別測試試樣的加工硬化指數(shù)n和塑性應(yīng)變比r。從表2中可以看出，T4態(tài)6016鋁合金板材經(jīng)兩年自然時效后，其強度略有增加，n值和延伸率有所提高。

表2 6016板材的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of 6016 sheet

隨后將2%預(yù)變形拉伸試樣在不同溫度條件下進行烘烤硬化試驗，烘烤溫度分別為170℃、180℃、200℃和220℃，烘烤時間為30 min。烘烤后進行拉伸試驗，按照BS EN 10325—2006測試板材在不同溫度條件下的烘烤硬化性能。

2.3 抗凹性能測試

通常使用具有一定形狀和尺寸的壓頭以一定的方式和加載速度對特定試樣的特定位置進行加載和卸載，以測試板材的準靜態(tài)抗凹性能（見圖1）。試樣測試點在載荷的作用下發(fā)生彈性變形和塑性變形。彈性變形階段，載荷-位移曲線的斜率代表試樣抵抗局部彈性變形的能力，稱為抗凹剛度；塑性變形階段，試樣在載荷作用下發(fā)生凹陷，卸載后試樣表面殘留局部永久變形，永久變形量用凹痕深度表示。

圖1 板材抗凹性能試驗示意圖Fig.1 Schematic drawing of dent resistance test of sheet

按照美國機動工程師協(xié)會（SAE）規(guī)范[10]測試6016板材的抗凹性能?？拱夹阅軠y試采用邊長為305 mm的方形板材。汽車覆蓋件的制備過程包括沖壓變形和涂漆烘烤兩個工藝過程，因而進行板材的抗凹性能測試時也將板材沖壓成具有一定預(yù)變形和曲率的試樣。試樣預(yù)變形模具采用SAE J2575中規(guī)定的模具，通過控制凸模行程獲得具有2%應(yīng)變的淺凹試樣。試樣預(yù)變形后，進行30 min烘烤，烘烤溫度分別為170℃、180℃、190℃和200℃。抗凹性能測試試樣及模具如圖2所示。試驗采用直徑為25.4 mm的鋼制半球形壓頭，試驗的凹凸模具根據(jù)SAE J2575—2004進行加工和安裝。試驗采用循環(huán)增量方式加載，加載及卸載速度為10 mm/min，加載及卸載程序為（單位為N）：0、7、0、50、0、70、0、90、0、110、0、130、0、150、0、170、0、190、0、210、0、7、0。

圖2 抗凹性能測試試樣及模具Fig.2 Sample and dies of dent resistance test

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 板材的烘烤性能

從表2可知，交貨時板材的屈服強度為157 MPa，經(jīng)兩年自然時效后，板材的屈服強度為165 MPa，由此說明板材的抗時效穩(wěn)定性好。經(jīng)2%預(yù)變形后，材料的屈服強度增加到183 MPa。板材的烘烤硬化值（BH2）為烘烤后板材的屈服強度與2%預(yù)變形時材料的強度的差值。根據(jù)式（1）計算可獲得各溫度條件下6016板材的烘烤硬化性能

試樣經(jīng)2%預(yù)變形后，其強度略有增加，隨后在不同溫度條件下30 min烘烤后板材的強度及烘烤硬化值如表3所示。在170℃條件下烘烤后，試樣的烘烤硬化值上升的幅度很小，當(dāng)烘烤溫度上升到220℃時，試樣的烘烤硬化值顯著增加。從圖3可以看出，隨著烘烤溫度升高，試樣的屈服強度和抗拉強度均隨之增加，試樣的烘烤硬化值也隨之增加。這是由于隨著溫度升高，6016鋁合金中的過飽和固溶體更加容易并快速地形成β″相，從而顯著提高板材的強度和烘烤硬化性能。

表3 板材烘烤后的力學(xué)性能及烘烤硬化值Table 3 Mechanical properties and bake-hardening values of sheet after baking

圖3 不同溫度條件下板材的強度及烘烤硬化值Fig.3 Strength and bake-hardening values of sheet with different temperatures

3.2 板材的抗凹性能

測試板材在一定載荷條件下產(chǎn)生的凹痕深度主要有兩種方式，即多點單次加載和循環(huán)增量加載（單點多次加載）。多點單次加載是指對一批相同狀態(tài)的試樣的相同部位施加不同的載荷，通過施加不同載荷獲得不同的凹痕深度。循環(huán)增量加載是指對同一試樣的相同部位逐次施加不同的載荷，這些載荷按一定增量遞增。循環(huán)增量加載獲得的結(jié)果與多點單次加載獲得的結(jié)果基本一致，都能較為全面地反映試樣的抗凹性能。但多點單次加載需要大量相同狀態(tài)的試樣，而且在試驗過程中很難保證對不同試樣的相同部位進行加載。因而本文選用循環(huán)增量加載方式進行加載，6016鋁合金試樣的循環(huán)增量加載曲線如圖4所示。試樣在載荷作用下，先后分別發(fā)生彈性變形和塑性變形，表現(xiàn)為隨著壓頭位移增加，施加載荷不斷增大。當(dāng)載荷達到一定值時，載荷-位移曲線上出現(xiàn)載荷下降而位移繼續(xù)增加的失穩(wěn)凹陷現(xiàn)象[10]；當(dāng)位移繼續(xù)增加時，曲線發(fā)生回復(fù)，載荷隨位移的增加而增大。在隨后的多次循環(huán)加載和卸載過程中，載荷-位移曲線均出現(xiàn)失穩(wěn)凹陷現(xiàn)象。該現(xiàn)象與試樣的形狀、受載方式、材料的厚度以及材料的性能等諸多因素相關(guān)。隨著載荷的不斷增加以及單點循環(huán)多次加載，可以獲得不同載荷條件下的凹陷位移，凹痕深度即可根據(jù)各個載荷條件下凹陷位移與參考位移的差值計算獲得。

圖4 循環(huán)增量加載時板材的載荷-位移曲線Fig.4 Load-displacement curve of sheet when cycle incremental loading

不同狀態(tài)的試樣進行抗凹性能測試的載荷-凹痕深度曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，在相同載荷作用下，未烘烤試樣產(chǎn)生的凹痕深度最大，并隨著載荷的增加而顯著增大，因此未烘烤試樣的抗凹性能最差。試樣在不同溫度條件下烘烤后，其抗凹性能提高，由此說明在測試材料的抗凹性能時，試樣必須在一定溫度下進行烘烤處理。且隨著溫度的升高，試樣在相同載荷下產(chǎn)生的凹痕深度減小，即烘烤溫度升高，材料的抗凹性能提高。

圖5 不同溫度烘烤后板材的載荷-凹痕深度曲線Fig.5 Load-dent depth curves of sheet after baking at different temperatures

表4為材料經(jīng)不同溫度烘烤后的凹痕深度和凹痕載荷，產(chǎn)生一定凹痕深度所需的載荷稱為凹痕抗力。從表4可以看出，在凹痕深度較小時（小于0.06 mm），未烘烤試樣與170℃烘烤試樣產(chǎn)生相同凹痕深度的凹痕抗力相當(dāng)；當(dāng)凹痕深度大于0.06 mm時，170℃烘烤試樣的凹痕抗力大于未烘烤試樣。其他3個溫度烘烤的材料的凹痕抗力隨著烘烤溫度增加而增大；其相同凹痕深度條件下的凹痕抗力均大于未烘烤試樣，且隨著凹痕深度增加，烘烤試樣與未烘烤試樣間的凹痕抗力差值增大。

表4 試樣在不同狀態(tài)條件下的凹痕抗力Table 4 Dent force of sheets under different conditions

一般而言，當(dāng)汽車覆蓋件表面產(chǎn)生的凹痕深度達到一定程度時，人的肉眼即可觀察到，該凹痕深度又稱為可見凹痕深度。人們普遍接受的可見凹痕深度為0.06 mm和0.1 mm?？梢姲己凵疃葘?yīng)的載荷稱為臨界凹痕載荷。在相同凹痕深度條件下，臨界凹痕載荷越大，則表示試樣的抗凹性能越好。圖6所示為凹痕深度分別為0.06 mm、0.08 mm和0.1 mm的臨界凹痕載荷與板材的屈服強度（試樣經(jīng)2%預(yù)變形后分別在170℃、180℃和200℃下烘烤30 min后測試的屈服強度）之間的關(guān)系。

從圖6可以看出，在同一可見凹痕條件下，各個凹痕深度對應(yīng)的臨界凹痕載荷隨屈服強度變化的規(guī)律一致，材料的屈服強度增加，試樣的臨界凹痕載荷也隨之增加，即試樣的抗凹性能提高。由此可見，板材沖壓成形后，在烘烤時發(fā)生二次強化，板材的屈服強度提高，從而使板材的抗凹性能顯著增加。6016鋁合金板材用于汽車覆蓋件時，沖壓成形后的烤漆過程有利于提高覆蓋件的抗凹性能。

4 結(jié)語

1）6016 鋁合金板材經(jīng)兩年自然時效后，其強度略有增加，n值和延伸率增大。

圖6 抗凹性能與屈服強度關(guān)系Fig.6 Relationship between yield strength and dent resistance property

2）板材在不同溫度條件下經(jīng)30 min烘烤后強度增加，烘烤硬化值隨著溫度升高而顯著增加，表現(xiàn)出良好的烘烤硬化性能。

3）板材的抗凹性能與烘烤工藝有關(guān)，烘烤溫度越高，烘烤后材料的屈服強度越高，板材的抗凹性能越好。

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Research on dent resistance property of aluminum alloy sheets

Zhang Junping，Ma Mingtu，F(xiàn)ang Gang，Jin Qingsheng
（China Automotive Engineering Research Institute Co.Ltd.，Chongqing 400039，China）

Researches on dent resistance property and the relationship among dent resistance，mechanical property and bake-hardening property of 6016 aluminum alloy have been carried out by means of mechanical properties test，bake-hardening property test and dent resistance test.The results indicate that after two years natural aging，the strain hardening exponent nvalue and elongation of 6016 aluminum alloy sheets increase.With 30 min baking at different temperatures，strength of the sheets increases.The bake-hardening values remarkably increase with temperature rising.The sheets exhibit good bake-hardening property.The dent resistance property is related to baking process.The higher the baking temperature is which leads to higher strength，the better the dent resistance property of the sheets will be.

6016 aluminum alloy；bake-hardening；dent resistance property

TG394

A

1009-1742（2014）01-0108-05

2013-10-16

國家科技支撐計劃子課題（2011BAG03B0502）

張鈞萍，1987年出生，男，四川南充市人，工程師，碩士，主要從事汽車材料方面的研究；E-mail：zwwjp@163.com