單級時效處理對6082鋁合金型材微觀組織的影響

王宏明，楊廣林，李桂榮，潘亞明

(1.江蘇大學 材料科學與工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇禎和祥新材料科技有限公司，江蘇 常州 213011)

6082鋁合金屬于Al-Mg-Si系可熱處理強化、具有中等強度的鋁合金，因具有良好加工性能以及耐腐蝕性能，被廣泛應用于汽車、高鐵等交通運輸業(yè).通過對6082鋁合金鑄錠進行后續(xù)的擠壓變形處理，鑄錠中原有的疏松、氣孔、微觀內部缺陷被明顯消除，可使材料的綜合性能顯著提高，但仍需要通過變形后的熱處理來進一步提高材料的性能.研究[1-2]表明：時效熱處理使原本固溶產(chǎn)生的過飽和固溶體發(fā)生沉淀生成共格或半共格的亞穩(wěn)相質點，此狀態(tài)主要強化相是GP區(qū)和少量的β相，這些質點彌散分布在基體中，能起到很好的彌散強化效果，因此，時效熱處理對6082鋁合金性能的影響極大[3].目前不同牌號和不同具體成分的鋁合金型材熱處理制度又有細微差別，而這對于材料的性能又具有重要影響，因此，優(yōu)化鋁合金的時效處理參數(shù)，探索時效處理對材料強韌化影響機制具有重要意義.

文中通過對6082鋁合金進行擠壓后時效熱處理，探討時效處理對6082鋁合金型材微觀組織的影響，以期為6082鋁合金型材工業(yè)生產(chǎn)提供試驗參考.

1 試驗材料與方法

試驗用6082鋁合金擠壓型材試樣成分見表1，w為質量分數(shù).先將Φ178 mm的6082鋁合金棒材擠壓成35 mm×15 mm×3 mm的方管型材，擠壓后立刻進行水淬處理，72 h后再進行微觀組織觀察.

表1 6082鋁合金各成分質量分數(shù) %

擠壓成型過程工藝參數(shù)如下：鋁棒溫度，(510±10)℃；模具溫度，(470±10)℃；模筒溫度，(410±10)℃；型材出口溫度(520±20)℃；水溫≤30 ℃；擠壓速度，2.5～4.0 mm·s-1；擠壓壓力，110 MPa.

試樣制備：利用線切割設備將鋁合金材料沿擠壓方向(ED)從中部截斷，切割成10 mm×10 mm×2 mm的微觀組織觀察試樣，組織觀察方向垂直于擠壓方向，具體取樣位置如圖1所示.

圖1 取樣位置示意圖

試樣分2組，第1組試樣作為空白樣，不進行時效處理；第2組試樣為時效樣，在箱式電阻爐中進行單級時效處理，根據(jù)前期對不同參數(shù)下材料力學性能測試，選取綜合性能最佳的參數(shù)即175 ℃×8 h條件下進行時效處理，待處理時間結束后將試樣取出置于室溫下回溫.試驗中采用的儀器設備包括(JEOL)JSM-7001F掃描電鏡、D/MAX-RCX射線衍射儀以及S3400場發(fā)射SEM與牛津探頭組成的電子背散射衍射系統(tǒng).

2 結果與討論

2.1 時效處理對微觀結構影響的SEM分析

圖2所示為6082鋁合金擠壓型材時效前后的SEM照片.

圖2 時效前后6082鋁合金SEM結果

由圖2可見，2種狀態(tài)的試樣晶粒都比較細小，晶粒尺寸在微米級，通過Image-Pro Plus軟件測得時效前后晶粒平均尺寸分別為7.02，9.80 μm.時效過后晶粒出現(xiàn)細微長大，分析認為在材料擠壓成型及水淬過程中材料內部存在較多殘余內應力，時效過程中可以使得部分殘余應力釋放，殘余應力驅動再結晶晶核的形核和長大.Al-Mg-Si系合金的時效析出序列通常為α(Al)→GP區(qū)→棒狀β″相→桿狀β′相→片狀β-Mg2Si相；在120～250 ℃溫度范圍，以析出β″/β′相為主，隨著時間的延長，相最終由β″/β′轉變長大成β相.β相彌散分布在基體中有效阻礙了金屬晶體的變形，會有效提高金屬的強度.

2.2 時效處理對微觀結構影響的XRD分析

圖3為空白樣與時效處理后6082鋁合金擠壓型材的XRD與半高寬圖譜.

由圖3a，3c可見，擠壓時效處理后6082鋁合金并沒有生成新的物相，但與原始樣相比，不同晶面對應的衍射峰強度卻發(fā)生了明顯的變化，其中(111)，(200)，(220)以及(311)這4個晶面對應的衍射峰較為明顯.

圖3 6082鋁合金的XRD與半高寬圖

為了進一步對時效處理條件下6082鋁合金的晶體結構變化進行分析，采用下式計算這幾個峰的織構系數(shù)[4]：

(1)

式中：TC(hkl)為織構系數(shù)；Ii(hkl)和I0(hkl)分別為試驗測定的試樣晶面峰強以及JCPDS卡中的標準晶面峰強；n為衍射峰個數(shù).

本次模擬主要針對廢水污染物濃度最高的老化裝置進行，老化壓縮液中主要污染物為硝酸鹽，占13.127%，濃度為151.68 g/l。假設設備非正常運行發(fā)生泄漏，污水已穿透第四系黏土層，進入含水層中。共設置3種情景，假設老化裝置發(fā)生滴漏(點源污染)，老化壓縮液泄漏量分別為污水總量的1%、5%、10%，對應流量為0.608 8 m3/d、3.044 m3/d、6.088 m3/d，連續(xù)泄露120 d后切斷污染源，此時對應的污染羽中心濃度為94.554 mg/l、472.541 mg/l、944.51 mg/l。切斷污染源后，模擬殘留污染羽在地下水中運移情況(表3)。

計算結果見表2.

表2 時效處理條件下不同晶面的織構系數(shù) %

由表2可知，經(jīng)時效處理后各晶面的織構系數(shù)發(fā)生了明顯的變化，其中(200)和(220)變化最為顯著：(200)晶面的織構系數(shù)從80.13%降為5.46%，(220)晶面的織構系數(shù)從8.14%增長為72.78%.因此，時效處理能夠強化(111)，(220)，(311)方向的織構，弱化(200)方向的織構.

對比圖3b，3d可見，熱處理后材料XRD分析的峰半高寬值變化明顯，說明材料內部的位錯密度發(fā)生變化，即發(fā)生了位錯強化.位錯對強度的貢獻(σρ)與位錯密度之間的關系式[5]為

σρ=MαGbρ1/2，

(2)

式中：M為泰勒因子，取值3.07；常數(shù)α=0.24；G為剪切模量，鋁合金的G取值26 GPa；b為Burgers矢量，鋁合金的b取值為0.286 nm；ρ為位錯密度，按照Dunn公式[6]計算：

(3)

式中L為峰半高寬值(弧度).

通過式(2)-(3)可以得出位錯密度與位錯強化，其值列于表3.

表3 時效條件下6082鋁合金型材位錯密度與位錯強化

由表3可知，經(jīng)時效處理后6082鋁合金位錯密度及位錯強化都略微增加.

2.3 時效處理對微觀結構影響的EBSD分析

圖4為6082鋁合金晶粒分布EBSD圖及晶粒尺寸分布柱狀圖.6082鋁合金發(fā)生擠壓變形時，在平行于擠壓方向的縱截面上，可以清晰地看到擠壓后所形成的細小晶粒呈現(xiàn)帶狀組織特征.圖4中黑色邊界為晶粒邊界，綠色邊界為亞晶界即小角度晶界.

圖4 6082鋁合金的晶粒特征與晶粒統(tǒng)計

由圖4a，4b可見，空白試樣的最大、最小晶粒尺寸分別為68.25，1.25 μm，而平均晶粒尺寸為7.02 μm，試樣中尺寸小于10 μm的晶粒占了81.04%，低角度晶界所占比例為47.91%，平均晶界角度為25.51°；由圖4c,4d可見，經(jīng)時效處理后試樣的最大、最小晶粒尺寸分別為64.25，1.25 μm，平均晶粒尺寸為9.80 μm，試樣中尺寸小于10 μm的晶粒占了62.75%，低角度晶界所占比例為67.47%，平均晶界角度為16.06°.晶粒尺寸與SEM觀察分析結果基本一致.

由于晶界上原子排列不規(guī)則，點陣畸變嚴重，加之晶界兩側的晶粒取向不同，滑移方向和滑移面彼此不一致，使滑移從一個晶粒直接延續(xù)到下一個晶粒變得更為困難，擠壓后晶粒破碎有利于合金強度的提高.由圖4可見時效處理后晶粒尺寸有了細微長大，原因為6082鋁合金在擠壓成型過程中有殘余應力出現(xiàn)，其在擠壓成型的過程中受到的擠壓力有的部位大有的部位小，是不均勻的，而最終的型材是一個整體，這樣就會產(chǎn)生殘余應力.晶粒在擠壓變形的過程中破碎形成細小的亞晶帶，這些帶狀區(qū)域夾在變形儲能較高的亞晶中.隨著時效處理的進行，型材中的殘余應力得到釋放，驅動再結晶晶核的形核和長大，從而導致晶粒細微長大.時效處理使得未再結晶的細長晶粒發(fā)生再次再結晶，形成一批細小再結晶晶粒，同時，時效前存在著的細小再結晶晶粒會發(fā)生動態(tài)回復長大，大角度結晶的比例上升.二者的作用會使得平均晶界降低及提高低角度晶界的比例.晶界平均角度從25.51°降到16.06°，低角度晶界所占比例從47.91%提高至67.47%，有利于材料強度的提高.

表4為EBSD分析計算得到6082鋁合金高角度晶界分數(shù)fH、低角度晶界角度θL與高角度晶界尺寸dH.

表4 EBSD分析計算結果

低角度晶界強化σL與高角度晶界強化σH對屈服強度的貢獻由下式[7-9]計算：

(4)

σH=kdg-1/2，

(5)

式中：k為Hall-Pech系數(shù)，取值0.04 MPa·m-1/2；dg為平均晶界尺寸.

位錯強化與晶界強化對屈服強度的貢獻值列于表5.

表5 時效條件下6082鋁合金型材晶界強化與位錯強化

由表5可知，時效處理后與時效處理前位錯強化相差不大，但時效處理后的合金晶界強化與位錯強化的總強化比未進行時效的提高了12.1 MPa(由87.87 MPa提高到99.97 MPa).

圖5為6082鋁合金擠壓型材時效處理前后應力分布EBSD圖.

由圖5可見，時效處理前6082鋁合金型材內部存在大量的殘余應力，經(jīng)過時效處理后殘余應力顯著減少，同時晶粒尺寸略微變大，時效處理釋放了合金內部的殘余應力，晶粒發(fā)生長大現(xiàn)象原因得到驗證.殘余應力的存在會降低型材的實際強度、降低疲勞極限，造成應力腐蝕和脆性斷裂[10]，時效處理能夠有效去除殘余應力，使型材強度得到提高.

圖5 6082鋁合金的應力分布圖

圖6為6082鋁合金擠壓型材時效處理前后的極圖.

由圖6可見{100}，{110}，{111}方向晶粒均呈小塊區(qū)域的離散型分布，織構也發(fā)生了變化.圖6a表明試樣在{110}方向并未存在一定的基面織構，存在著2個方向的晶粒擇優(yōu)取向.圖6b表明試樣在{100}，{110}方向存在一定的基面織構，基面{100}，{110}與擠壓方向近似平行；{100}，{110}，{111}方向晶粒均呈小塊區(qū)域的離散型分布.時效處理明顯增強了試樣在{100}，{110}方向的織構.受不同織構方向的影響，分析認為時效處理后晶粒的偏轉方向有利于材料的改性.

圖6 6082鋁合金的極圖

3 結 論

1)時效處理后6082鋁合金擠壓型材晶粒發(fā)生細微長大，晶粒平均尺寸由7.02 μm增長為9.80 μm.

2)時效處理后晶粒平均晶界角度降低，從25.51°降到16.06°，低角度晶界比例顯著提高，從47.91%提高至67.47%；同時，6082鋁合金擠壓成型過程中儲存的殘余應力得到有效地去除.

3)時效處理后晶粒{100}，{110}方向的晶粒分布發(fā)生明顯的變化，明顯增強了試樣在{100}，{110}方向的織構.