熱處理對A356鋁合金組織與性能的影響

何 兵， 覃 銘， 蘭 旅

（百色學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 百色 533000）

0 引 言

當(dāng)今社會節(jié)能、環(huán)保、安全成為人們生活的追求。隨著人們生活水平的提高，汽車的數(shù)量日益增加。如今汽車輕量化技術(shù)成為汽車領(lǐng)域的研究熱門。實現(xiàn)汽車的輕量化主要有兩種方法：一是改進(jìn)汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計；二是研究出新型材料［1］。A356鋁合金具有鑄造流動性好、氣密性好、收縮率小和熱裂傾向小的優(yōu)點，經(jīng)過熱處理后，該合金具有良好的機(jī)械加工性能等優(yōu)點，成為實現(xiàn)汽車輕量化目標(biāo)優(yōu)先考慮的材料，也是當(dāng)今汽車輪轂材料領(lǐng)域的熱門，同時汽車輪轂行業(yè)的發(fā)展也對鑄造鋁合金的綜合性能提出了更高的要求［2］。饒曉曉［3］等試圖通過固溶工藝參數(shù)的改變研究熱處理工藝與A356鋁合金的組織和力學(xué)性能之間的存在關(guān)系。研究結(jié)果表明，當(dāng)固溶溫度設(shè)定為535℃時，設(shè)定保溫時間增加，抗拉強(qiáng)度、硬度和延伸率基本上都是先升高后下降。當(dāng)保溫時間為3.5～4.5h之間時，A356鋁合金的強(qiáng)度、硬度及延伸率3種綜合力學(xué)性能才能達(dá)到最佳。A356鋁合金在545℃×3.5h下進(jìn)行固溶處理后，具有較好的綜合力學(xué)性能［4］；廖博超［5］等對A356鋁合金鑄件在經(jīng)T5熱處理，并對熱處理后的試樣進(jìn)行力學(xué)性能實驗，通過與半固態(tài)壓鑄件、液態(tài)壓鑄件和普通壓鑄件的力學(xué)性能進(jìn)行比較，結(jié)果表明，熱處理效果也比液態(tài)壓鑄件和普通鑄態(tài)試樣要好；楊彬［6］等研究混合稀土及熱處理對A356合金組織與性能的影響。研究結(jié)果表明，添加混合稀土后的A356鋁合金性能在熱處理狀態(tài)下比鑄態(tài)具有更好的綜合力學(xué)性能，伸長率有了較大的提高，合金經(jīng)采用適當(dāng)?shù)臒崽幚碇贫?，才能達(dá)到使用性能要求。

選擇合適的熱處理工藝可縮短企業(yè)生產(chǎn)周期，提高材料的綜合力學(xué)性能，給企業(yè)帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益。通過研究不同固溶溫度對A356鋁合金組織與性能的影響，分析顯微組織變化，發(fā)現(xiàn)在540℃固溶6h后淬火，然后自然時效3.5h，再在155℃固溶2h后空冷，這一熱處理工藝能使合金獲得球狀共晶硅，合金表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能，為實際生產(chǎn)的熱處理工藝優(yōu)化提供一定的理論依據(jù)。

1 試樣制備及試驗方法

1.1 試樣制備

試驗用A356合金材料取自廣西平果鋁合金精密鑄件有限公司產(chǎn)品，其化學(xué)成分見表1。

用江蘇數(shù)控有限公司的電火花機(jī)從A356鋁錠切下沖擊試樣、拉伸試樣、塊狀試樣。試樣平均分為5組，其中4組進(jìn)行熱處理。T6熱處理是A356鋁合金材料最主要的熱處理強(qiáng)化方式，包括淬火處理和時效處理。為了有效消除A356鋁合金的非平衡結(jié)晶組織，形成較均勻的平衡組織，提高材料拉伸性能，可以采用適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，見?。

表1 A356合金各合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表2 熱處理工藝

1.2 試驗方法

用型號為MX－6RT金相顯微鏡觀測組織形貌；用萊州華銀試驗儀器有限公司生產(chǎn)的HR－150A型洛氏硬度計測A356鋁合金的硬度；用WDW－100材料萬能試驗機(jī)進(jìn)行拉伸試驗。試驗結(jié)果為3個以上合格試樣的平均值。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 不同固溶溫度對A356鋁合金顯微組織的影響

取經(jīng)熱處理過的合金塊和未經(jīng)熱處理的合金塊制備成金相塊，鑲嵌制備成金相樣。選擇橫向磨面，粗磨、細(xì)磨、機(jī)械拋光。將拋光好的試樣在0.5%HF水溶液中浸蝕，浸蝕時間為5s。試樣浸蝕后用酒精棉擦凈吹干。將浸蝕好的試樣放在MX－6RT光學(xué)顯微鏡的載物臺上，觀察其顯微組織，分析熱處理前后合金中各相的變化。A356鋁合金中的相主要包括：α－Al基體相、Si相、Mg2Si強(qiáng)化相。A356鋁合金在未經(jīng)熱處理的條件下存在嚴(yán)重成分偏析，組織成分分布非常不均勻，晶粒粗大，塑性低。經(jīng)T6熱處理后的微觀組織、共晶硅的形態(tài)發(fā)生了較大的變化，α－Al基體由原來的粗大的樹枝狀或片狀轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆驁A整的棒狀或小塊狀，對基體起到割裂作用。A356鋁合金經(jīng)過T6熱處理后，硅完全固溶到了基體中，共晶硅的形態(tài)發(fā)生了改變，成為了小而圓整的顆粒狀，此時合金的微觀組織有良好的改善作用。

根據(jù)顯微鏡觀察金相組織，分別如圖1～圖5所示。

圖1 未處理試樣

圖2 520℃保溫6h后淬火＋自然時效3.5h＋155℃保溫2h后空冷

圖3 530℃保溫6h后淬火＋自然時效3.5h＋155℃保溫2h后空冷

圖4 540℃保溫6h后淬火＋自然時效3.5h＋155℃保溫2h后空冷

圖5 550℃保溫6h后淬火＋自然時效3.5h＋155℃保溫2h后空冷

在圖1為A356鋁合金的鑄態(tài)組織中，其鑄態(tài)組織主要是由白色部分的組織（Al）基體和淺灰色的共晶體（α＋Si）組成，其中α（Al）基體形狀為橢圓形樹枝狀；淺灰色的共晶體（α＋Si）密集聚集在樹枝間隙，總體呈現(xiàn)出纖維狀，共晶硅的顆粒呈較粗大的枝晶。而且成分偏析較明顯。成分偏析的主要原因是澆注成型時冷卻的速度過快，各個成分的原子擴(kuò)散不了那么快，導(dǎo)致在晶界處形成偏析。在圖2中，合金經(jīng)過520℃熱處理，基體形狀轉(zhuǎn)變?yōu)閳A球狀，硅顆粒被孤立，數(shù)量明顯減少，顆粒變得過于粗大。這說明Mg、Si以及化合物Mg2Si更多的溶入到鋁基體中，長大的未溶顆粒呈現(xiàn)粗大狀。在圖3中，經(jīng)過530℃熱處理，出現(xiàn)了片狀的共晶硅，其寬度和長度都有很大的差別，總體顆粒較為粗大?；w形態(tài)變化特別明顯，呈現(xiàn)粗大塊。在圖4中，經(jīng)過540℃的固溶處理后，A356鋁合金的粗大的枝狀共晶硅逐漸被熔斷消失，形成均勻的球狀。A356鋁合金的綜合力學(xué)性能取決于Mg2Si、Si的形貌和數(shù)量的多少及其是否均勻分布等。經(jīng)530℃／6h淬火＋自然時效3.5h＋155℃／2h空冷后，其原子擴(kuò)散與溶解更充分，固溶強(qiáng)化效果更明顯。共晶硅熔斷后，形貌趨于球狀或更加圓整的形狀或小顆粒，各組織成分的分布比熱處理前更為均勻，使合金性能得到了強(qiáng)化。這時固溶時效處理后，粗大的共晶硅逐漸消失，過剩的硅幾乎完全溶解到基體中，分布較為均勻，顆粒大小較一致［7－8］。在圖5中，經(jīng)過550℃熱處理，共晶硅顆粒較細(xì)小分散，均勻分布在基體中，但顆粒有長大的趨勢。

2.2 不同固溶溫度對A356鋁合金力學(xué)性能的影響

2.2.1 硬度對比

硬度試驗使用萊州華銀試驗儀器有限公司生產(chǎn)的HR－150A型洛氏硬度計，試驗的試樣為熱處理的A356鋁合金材料。分別對樣品固溶處理和時效處理前后的5組實驗進(jìn)行硬度測試，5組試樣的硬度測量結(jié)果見表3。

根據(jù)硬度對比，520℃溫度下，A356鋁合金的硬度比未經(jīng)處理的硬度高；530℃溫度下，合金硬度達(dá)到最高值；540℃和550℃處理，硬度保持不變，與530℃的硬度相比有明顯的下降，比520℃的硬度稍高；熱處理后材料的硬度與未經(jīng)處理材料的硬度都有顯著的提高，硬度先升后降后趨于平穩(wěn)。

表3 不同固溶溫度熱處理后合金硬度值 HRA

2.2.2 拉伸實驗對比

將熱處理前后的拉伸試樣用線切割制成拉伸片狀試樣，用砂紙打磨切割線痕，直到試樣表面光亮無線痕，避免拉伸時直接在線痕處拉斷，減少對實驗結(jié)果的影響。用型號為WDW－100的微機(jī)控制電子萬能實驗機(jī)來做拉伸實驗。

在試樣標(biāo)距內(nèi)標(biāo)出50mm標(biāo)距，在標(biāo)距內(nèi)3個不同地方用游標(biāo)卡尺測量試樣的寬度、厚度，取平均值，以2mm／min的速度拉伸。

根據(jù)試驗得出力值－變形圖和應(yīng)力－應(yīng)變圖分別如圖6和圖7所示。

圖6 力值－變形曲線

圖中的曲線代表經(jīng)過不同熱處理溫度的試樣。由圖6和圖7可以看出，未經(jīng)過熱處理的試樣抗拉受力和抗拉強(qiáng)度是最小的，分別為2 869.34N和131.00MPa，變形量和延伸率最大，達(dá)到3.47mm和6.94%；520℃熱處理后變形量和延伸率有所下降，位列第二，分別為3.40mm和6.80%，抗拉受力和抗拉強(qiáng)度微量提高，分別為2 927.66N和149.00MPa；530℃熱處理試樣，變形量和延伸率迅速下降達(dá)到最低，僅有1.96mm和3.92%，但抗拉受力和抗拉強(qiáng)度升到第二，分別為3 231.54N和164MPa；540℃熱處理試樣，變形量和延伸率適中，分別為2.43mm和4.86%，抗拉受力和抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別為3 568.46N和181.00MPa，形成的Mg2Si可以有效釘扎位錯，阻礙晶界的滑移，提高合金力學(xué)性能；550℃熱處理試樣，變形量、延伸率、抗拉受力和抗拉強(qiáng)度都處于中等，分別為2.27mm，4.53%，3 186.30N，162.0MPa。經(jīng)過熱處理的試樣比未處理試樣變形量和延伸率都有所下降，呈現(xiàn)先下降后上升趨勢；抗拉受力和抗拉強(qiáng)度都有所上升，呈現(xiàn)先上升后下降趨勢。

2.2.3 沖擊實驗對比

試樣在沖擊載荷的作用下變形最后斷裂，沖擊總功為Wt。變形由可恢復(fù)的彈性形變和不可恢復(fù)的塑性形變，當(dāng)沖擊載荷以很快的速度作用在較脆試樣時，試樣直接從彈性形變到斷裂，表現(xiàn)為塑性破壞。其載荷與時間曲線如圖8所示。

圖8 載荷與時間曲線

圖中，We、Wd、Wp分別為彈性變形功、塑性變形功和裂紋擴(kuò)展功。We＋Wd為裂紋形成功WI，沖擊總功可以表示為Wt＝WI＋Wp。不同熱處理溫度試樣在沖擊斷裂后組合圖如圖9所示，不同熱處理溫度試樣的沖擊曲線如圖10～圖14所示。

圖9 不同熱處理溫度試樣在沖擊斷裂后組合圖樣

圖10 未熱處理沖擊曲線圖

圖11 520℃保溫6h后淬火＋自然時效3.5h＋155℃／2h空冷沖擊曲線圖

圖12 530℃保溫6h后淬火＋自然時效3.5h＋155℃／2h空冷沖擊曲線圖

圖13 540℃保溫6h后淬火＋自然時效3.5h＋155℃／2h空冷沖擊曲線圖

圖14 550℃保溫6h后淬火＋自然時效3.5h＋155℃／2h空冷沖擊曲線圖

各試樣沖擊功見表4。

表4 不同試樣的沖擊總功（Wt）、裂紋形成功（WI）和裂紋擴(kuò)展功（Wp）

沖擊曲線圖以時間（ms）為橫坐標(biāo)，圖10～圖14都選擇2.00～3.50ms時間區(qū)間，縱坐標(biāo)左邊為沖擊載荷（kN），右邊為沖擊功（J）。從沖擊曲線圖中可以看出裂紋形成功、裂紋擴(kuò)展功、沖擊時間、沖擊載荷以及沖擊功。從圖8中我們知道，沖擊功就是從沖擊開始到斷裂時間段曲線所圍成的面積，沖擊功可以在能量－時間曲線看出（具體值見表4）。從曲線的峰寬大小也可以看出沖擊韌性的好壞：峰寬越大，韌性好；峰寬小，韌性較差。

從圖9中明顯看出，所有試樣都沒有發(fā)生脆性斷裂，其中經(jīng)過530℃熱處理試樣斷裂后彎曲呈現(xiàn)的角度最大，說明從塑性變形到斷裂所需的時間最長，在所有試樣的韌性最好，裂紋擴(kuò)展時間變長，試樣發(fā)生少量塑性變形，韌性較好。其他試樣都發(fā)生少量和微量變形，這些都反映熱處理對試樣形變即沖擊韌性的影響很大。

經(jīng)過對比，熱處理試樣的沖擊總功Wt相對未處理試樣有很大的提高。其中經(jīng)過530℃處理的試樣沖擊總功最高，峰寬最大，裂紋擴(kuò)展功達(dá)到最高值，說明試樣從塑性變形到斷裂所需能量最高，經(jīng)過的時間最長，沖擊韌性最好。未處理試樣則剛好相反。520℃處理、540℃處理和550℃處理試樣沖擊總功相差不大，表現(xiàn)為峰寬、裂紋擴(kuò)展功和斷裂所需時間都差不多一樣，比未處理試樣有很大的提高，卻比530℃處理的試樣存在一定的差距，沖擊韌性總體得到了提高。

3 結(jié) 語

1）520℃熱處理時，組織轉(zhuǎn)變較好，有部分Mg2Si溶入基體中，Si呈共晶硅，顆粒過于粗大，硬度、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性有所提高，延伸率最好。

2）530℃熱處理時，基體為粗大塊，出現(xiàn)粗大片狀共晶硅，硬度和沖擊韌性達(dá)到最高值，抗拉強(qiáng)度也較高，延伸率最低。

3）540℃熱處理時，球狀共晶硅顆粒均勻分布，硬度和沖擊韌性小幅度下降，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，延伸率回升較好。

4）550℃熱處理時，共晶硅有所分散、變大，硬度、沖擊韌性、延伸率和540℃熱處理試樣較為持平，但抗拉強(qiáng)度有所下降。

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