高性能6061鋁合金的熱變形行為研究

劉思佳，龍春光，董佩冉，彭 鷹，彭 鑫

（長沙理工大學(xué) 汽車與機械工程學(xué)院,湖南 長沙 410114；2. 長沙理工大學(xué) 輕量化新材料研究所，湖南 長沙 410114）

鋁材相比于鋼鐵，銅等金屬材料，更加輕量化；相比于陶瓷，玻璃等無機材料，更易加工；相比于塑料、橡膠等高分子材料，更加環(huán)保。因此，鋁材屬于綜合性能優(yōu)異的實用化基礎(chǔ)材料，鋁材的使用，有助于保護環(huán)境、節(jié)約成本、降低能耗，提高經(jīng)濟效益和社會效益[1，2]。

6000系鋁合金為中高強度鋁合金，硅、鎂為其主要合金元素，鐵、鋅、鈦、錳、鉻等為微量元素，含有少量銅，以增強合金的強度[3]。該種鋁合金擁有良好的熱變形能力，廣泛應(yīng)用于建筑、汽車、船舶等諸多領(lǐng)域[4]。在發(fā)展迅猛的汽車行業(yè)，采用鋁材零部件可以替代傳統(tǒng)的鋼材，用于汽車車輪、電機殼、蓋板、發(fā)動機外殼、底盤、車身等部位，能夠減少車身重量，降低能耗[5，6]。在部分發(fā)達國家，雙層巴士、貨運及客運汽車、鐵路列車、地鐵等公共交通領(lǐng)域都已經(jīng)采用了新型的6000鋁合金板型材[7]。

1 實驗

1.1 實驗材料

選取6061鍛造鋁合金為試驗材料，一共切取30個6061鍛造鋁合金鑄錠，大小形狀為Φ10 mm×15 mm的圓柱形試樣。為了減少摩擦，需要填充潤滑劑。

1.2 實驗方案

本試驗裝置采用自導(dǎo)電的加熱方式，熱電偶連接示意圖如下圖1所示。在實驗進行的過程中，Gleeble-3500熱模擬機的計算機系統(tǒng)會實時采集并存儲位移、壓力、應(yīng)變、應(yīng)力等試樣的各項參數(shù)，在經(jīng)由處理器分析計算之后，輸出應(yīng)力-應(yīng)變曲線。本試驗設(shè)置的熱模擬實驗升溫速率為10℃/s，并在最高溫度保溫3min。之后進行熱變形實驗，使得變形量達到最大50%，隨后迅速水淬至室溫，詳細的熱模擬工藝工程如下圖2所示。

圖1 壓縮試樣裝置示意圖

圖2 熱模擬工藝圖

本次熱模擬實驗參數(shù)設(shè)置如下表示為：

變形溫度 ：375 ℃、400 ℃、425 ℃、450 ℃、475 ℃、500 ℃ ；應(yīng)變速率 ：0.001 s-1、0.01 s-1、0.1 s-1、1 s-1、10 s-1；冷卻方式：水冷；隨后在蔡司Axiovert 200 MAT金相顯微鏡上進行金相顯微組織觀察。

2 結(jié)果與分析

6061鋁合金在不同熱變形條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如下圖3所示。

圖3 6061鋁合金在不同熱變形條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

6061 鋁合金的高溫?zé)嶙冃涡袨榫哂幸韵禄疽?guī)律：①在熱變形開始階段，熱變形應(yīng)力隨應(yīng)變呈線性急速上升，隨后幅度減小，逐漸趨近平緩，這是合金表現(xiàn)出加工硬化后逐漸被回復(fù)軟化抵消，但硬化效果仍強于軟化。在最后階段，熱變形應(yīng)力穩(wěn)定在某一常數(shù)值，即熱加工進入穩(wěn)態(tài)階段；②在應(yīng)變速率保持恒定時，最大真應(yīng)力隨熱變形溫度的升高而降低；③在熱變形溫度保持恒定時，最大真應(yīng)力隨熱變形速率的升高而增大；④在應(yīng)變速率保持恒定時，熱變形應(yīng)力在不同溫度下的變化趨勢基本保持一致，達到某一應(yīng)變臨界值后，熱變形應(yīng)力變?yōu)槟骋缓愣ǔ?shù)；⑤對于熱變形速率為10 s-1的情況，在熱變形應(yīng)力達到最大值之后并沒有進入常規(guī)意義上的穩(wěn)態(tài)階段，而是表現(xiàn)為不平滑的微小波動，同時應(yīng)變采集區(qū)間相對縮小。

通過對以上數(shù)據(jù)進行分析，可將造成這些變化的內(nèi)在原因總結(jié)如下：在整個熱變形加工過程中，合金在外應(yīng)力作用下發(fā)生塑性變形，動態(tài)軟化和加工硬化兩種機制共同存在并相互競爭。在熱變形開始階段，較小的應(yīng)力不足以提供合金內(nèi)部位錯滑移所需的驅(qū)動力，隨著應(yīng)力的增大，位錯密度逐漸上升，但較小的應(yīng)變量僅能提供少量的能量，致使動態(tài)回復(fù)軟化難以開展。在熱變形應(yīng)變逐漸增大時，加工硬化的效果越發(fā)顯著，此時應(yīng)力隨應(yīng)變的增加呈線性急速上升，同時合金內(nèi)部的儲存能也逐漸升高，動態(tài)回復(fù)軟化得以順利進行，并逐漸抵消掉一部分加工硬化效果，宏觀表現(xiàn)為應(yīng)力隨應(yīng)變的變化趨近平緩，熱變形過程也進入相對平穩(wěn)階段。

在6061鋁合金的熱變形過程中，合金內(nèi)部的顯微組織也出現(xiàn)明顯的變化。在合金的原始組織和經(jīng)應(yīng)變量為 0.5的熱變形處理之后的微觀組織圖中可以看出，合金的原始組織為分布均勻的等軸晶粒；而經(jīng)過應(yīng)變量為 0.5的熱變形處理之后，晶粒在壓縮變形的作用下被拉長，沿壓縮方向的晶界靠攏，使得晶粒呈現(xiàn)出典型動態(tài)回復(fù)的纖維狀組織。

圖4 6061鋁合金在不同熱變形條件下的顯微組織

3 結(jié)語

6061 鋁合金在熱變形應(yīng)變速率為0.001-10 s-1，熱變形溫度為 375℃～500℃時是典型的動態(tài)回復(fù)型軟化機制；6061 鋁合金在熱變形過程中，其流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率的升高而增大，卻隨著熱變形溫度的升高而減小，是典型的正應(yīng)變速率敏感材料。