熱處理對(duì)6061鋁合金鑄錠淬火應(yīng)力及力學(xué)性能的影響

羅 云，劉 瑩，胡永忠

(廣西南南鋁加工有限公司，廣西 南寧 530031)

6061鋁合金以Mg和Si為主要合金元素，屬可熱處理強(qiáng)化鋁合金，強(qiáng)化相是Mg2Si，具有良好的強(qiáng)度、耐蝕性能、焊接性能等綜合性能，被廣泛用做建筑型材［1］。為了獲得較高的力學(xué)性能，需保證合金固溶-淬火后獲得最大過飽和固溶體。理論上，淬火冷卻速度越快越好，但實(shí)際上冷卻速度越大，淬火后的殘余應(yīng)力及殘余變形越大，容易出現(xiàn)扭曲、翹曲變形等缺陷，尤其是厚板淬火應(yīng)力問題更加突出［2］。淬火后的殘余應(yīng)力會(huì)影響到材料的力學(xué)性能，如抗應(yīng)力腐燭性能、斷裂韌度和抗疲勞性能等。為了制定較佳的淬火制度，眾多學(xué)者研究了鋁合金TTP曲線對(duì)淬火敏感性的影響，6061鋁合金的淬火敏感區(qū)溫度為230～440℃［3］。

適當(dāng)減小淬火敏感區(qū)冷卻速率是減小淬火應(yīng)力的有效方法。因此，本文對(duì)6061鋁合金采用分階段淬火方式(目的是避開此合金的淬火敏感區(qū))，使6061鋁合金鑄錠達(dá)到最理想的固溶效果，同時(shí)保證在淬火后熱應(yīng)力最小，獲得良好的組織和性能，為生產(chǎn)提供一定的指導(dǎo)作用。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為6061鑄態(tài)鋁合金樣品，規(guī)格38 mm×80 mm ×200mm，分為A、B、C、D 四組，每組3個(gè)樣品。

試驗(yàn)方法，1)將A、B、C、D四組樣品隨爐升溫至530℃，保溫3h;2)繼續(xù)升溫至560℃，然后保溫10h;3)將A、B、C、D 四組樣品取出淬火，A、B 組樣品室溫水淬火，C、D組樣品先風(fēng)冷至440℃左右，然后在60～80℃的水中淬火至230℃取出，再風(fēng)冷至室溫，目的是避開淬火敏感區(qū)(230～440℃);4)B、D組樣品經(jīng)過175℃，8h人工時(shí)效，隨爐降溫;5)試樣經(jīng)過砂紙打磨，拋光等步驟后，對(duì)樣品進(jìn)行顯微硬度測量，使用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相觀察，使用掃描電鏡和能譜儀對(duì)樣品微觀組織進(jìn)行觀察和成分分析。所用設(shè)備型號(hào)為ZEISS Axio vert.A1倒置光學(xué)顯微鏡，ZEISS EVO18掃描電鏡以及牛津Inca X-Max 20電制冷X射線能譜儀等設(shè)備。不同組樣品的熱處理制度如表1。

表1 不同樣品的熱處理制度Tab.1 Heat treatment regimes of different samples

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熱處理對(duì)淬火應(yīng)力的影響

目前對(duì)材料應(yīng)力測試應(yīng)用最廣泛的方法有層削法、裂紋柔度法和中子衍射技術(shù)。這三者相比層削法技術(shù)成熟，操作方便，成本低，可測量金屬材料內(nèi)部應(yīng)力，但要沿材料厚度方向一層一層銑削直到銑去厚度的一半，對(duì)材料的破壞性較大，能比較整體的反映破壞層應(yīng)力綜合分布狀況，應(yīng)力測試精度較高。

為了使應(yīng)力測試結(jié)果可靠和具有重復(fù)性，層削法對(duì)試樣尺寸和加工方法有一定要求。淬火冷卻時(shí)，材料表面換熱系數(shù)直接影響淬火應(yīng)力場的形成，而表面換熱系數(shù)的大小取決于冷卻介質(zhì)的物性以及材料的形狀和大小。結(jié)合實(shí)驗(yàn)測試和模擬計(jì)算，確定樣品取樣規(guī)格為38 mm×80 mm×200mm，層削加工方法為每次銑層深度控制在1mm以內(nèi)，本次試驗(yàn)選取0.3mm［4］。層削加工時(shí)，隨著層層變形的累加，使得試樣中心四周部分削除0.3mm的同時(shí)，中心削去的則會(huì)小于0.3mm，造成試樣“中心凹兩側(cè)拱”的翹曲變形。同時(shí)，樣品也會(huì)產(chǎn)生加工應(yīng)力，但影響較小，可忽略。加工好的樣品放置72h，用塞尺測量翹曲變形量(3個(gè)樣品的平均值)，定性表征應(yīng)力大小，結(jié)果如表2。

表2 不同樣品淬火后的變形量Tab.2 Deformation of different samples after quenching

由表 2可知，A組樣品(室溫水淬)變形量(0.625mm)最大，說明淬火后其應(yīng)力最大，經(jīng)人工時(shí)效后(B組樣品)應(yīng)力稍有減少(0.425mm)，即人工時(shí)效可以消除部分淬火應(yīng)力。淬火后變形量最小(0.075mm)的是D組樣品(風(fēng)冷+60～80℃水淬+風(fēng)冷+時(shí)效)，說明淬火后其應(yīng)力最小。B、D兩組數(shù)據(jù)相差較大，這是由于D組樣品的淬火方式避開了本身的淬火敏感區(qū)(230～440℃)，在淬火敏感區(qū)適當(dāng)減小淬火冷卻速度可有效減小淬火應(yīng)力。

2.2 熱處理對(duì)力學(xué)性能的影響

圖1和表3分別表示不同熱處理制度對(duì)每組樣品強(qiáng)度、延伸率和硬度的影響。對(duì)于抗拉、屈服強(qiáng)度和延伸率的測試，每組樣品制作3個(gè)拉伸樣，結(jié)果取平均值。對(duì)于硬度測試，采用布氏硬度計(jì)，每個(gè)樣品選擇6個(gè)點(diǎn)測量，結(jié)果取平均值。

表3 不同熱處理制度對(duì)樣品硬度的影響Tab.3 Effects of different heat treatment regimes on hardness of samples

由圖1可知，B組樣品的屈服和拉伸強(qiáng)度最大，延伸率最小，但淬火后變形量為0.425mm，相對(duì)較大?？紤]到D組樣品淬火后變形量僅為0.075mm，并且其屈服、抗拉強(qiáng)度及延伸率與B組樣品相比差別較小。

圖1 不同熱處理制度對(duì)樣品抗拉、屈服強(qiáng)度和延伸率的影響Fig.1 Effects of different heat treatment regimes on tensile strength，yield strength and elongation of samples

由表3可知，不同熱處理制度對(duì)樣品硬度的影響與對(duì)樣品強(qiáng)度的影響一致。經(jīng)過人工時(shí)效(B、D組)樣品的硬度明顯高于未經(jīng)過人工時(shí)效樣品(A、C組)的，這是由于6061鋁合金是典型的時(shí)效硬化合金，其時(shí)效處理強(qiáng)化相主要是β''(Mg2Si)相。B、D兩組樣品的硬度相差較小，強(qiáng)度相差較小，但D組樣品淬火后應(yīng)力最小。綜合考慮樣品淬火后的應(yīng)力及力學(xué)性能，D組樣品的熱處理制度為最優(yōu)制度。所以，要保證過飽和固溶效果并使應(yīng)力最小的淬火方式為，先風(fēng)冷至440℃，然后再在60～80℃的水中淬火至230℃取出，再風(fēng)冷至室溫，淬火后再175℃/8h人工時(shí)效。

2.3 熱處理對(duì)微觀組織的影響

6061鋁合金屬于典型可熱處理強(qiáng)化合金，合金析出相的數(shù)量和形態(tài)均產(chǎn)生相應(yīng)變化。為了進(jìn)一步分析熱處理對(duì)合金力學(xué)性能的影響，對(duì)A、B、C、D樣品經(jīng)過不同溫度熱處理后進(jìn)行了金相組織、SEM和EDS分析。圖2是不同樣品的金相顯微組織照片，圖3為圖2(d)的部分SEM和EDS能譜照片。

由圖2可看出，隨著淬火冷卻速度的降低，析出相逐漸變多。晶界上分布著金屬間化合物，晶內(nèi)有棒狀和點(diǎn)狀第二相。為了確定這些相的成分，圖3給出了SEM和 EDS照片，能譜分析表明，黑色的相為Mg2Si，灰色的為AlFeSi，晶內(nèi)的棒狀和點(diǎn)狀析出相為β相。樣品經(jīng)固溶后晶界處仍存在大量的AlFeSi相，這是由于AlFeSi相不可溶于鋁基體［5］。棒狀和點(diǎn)狀的β析出相已溶入鋁基體，并于時(shí)效過程中析出細(xì)小彌散的β'/β''相，這是由于 6061鋁合金是典型的時(shí)效硬化合金，其時(shí)效處理強(qiáng)化相主要是β''(Mg2Si)相，一般認(rèn)為其脫溶序列為［6-7］，α過飽和固溶體→G.P.區(qū)→β''相→β'相→β相。GP區(qū)與基體保持共格關(guān)系，這些聚合物提高了抗變形力，故使合金的強(qiáng)度、硬度升高;隨著時(shí)效時(shí)間延長，原子繼續(xù)偏聚并增大形成β''相，導(dǎo)致晶格畸變，進(jìn)一步阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使合金達(dá)到最大強(qiáng)化階段。

圖2 不同樣品的金相顯微組織照片F(xiàn)ig.2 Micrographs showing microstructure of different samples

圖3 SEM、EDS能譜照片F(xiàn)ig.3 SEM images and EDS analysis

3 結(jié)論

1)在淬火敏感區(qū)，用60～80℃的水與25℃的水淬火相比，幾乎不會(huì)降低合金鑄錠的力學(xué)性能，但是淬火應(yīng)力卻明顯減小;

2)6061鋁合金鑄錠獲得良好力學(xué)性的同時(shí)，確保應(yīng)力最小的淬火方式，是將樣品先風(fēng)冷至440℃，然后在60～80℃的水中淬火至230℃取出，風(fēng)冷至室溫后再175℃/8h人工時(shí)效。

［1］肖亞慶.鋁加工技術(shù)實(shí)用手冊(cè)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2005.

［2］李彩文，潘學(xué)著，劉露露等.在線淬火對(duì)6061、6005鋁合金型材組織與性能的影響［J］.金屬熱處理.2010.35(6)59 －62.

［3］劉露露，潘學(xué)著，高萌等.6061鋁合金TTP曲線的研究［J］.金屬熱處理.2012.37(4)20 －23.

［4］廖凱.鋁合金厚板淬火一預(yù)拉伸內(nèi)應(yīng)力形成機(jī)理及其測試方法研究［D］.長沙:中南大學(xué)，2005.

［5］L.P. Troeger，E.A.Starke. Microstructural and mechanical characterization of a superplastic 6xxx aluminum alloy［J］.Materials Science and Engineering A，2000(277):102－113.

［6］項(xiàng)勝前，周春榮，郭加林等.固溶－時(shí)效對(duì)6061鋁合金擠壓棒材組織和性能的影響［J］.輕合金加工技術(shù).2011.39(4)31－35

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