停放時間及拉伸率對6061鋁合金擠壓型材力學(xué)性能的影響

劉旭東，胡 皓，劉 歡，龐俊銘，張 悅

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽111003）

0 前言

鋁因其具有比強度高、加工性能好、優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性且易于回收等諸多優(yōu)點被大規(guī)模用作國民經(jīng)濟(jì)和人民生活中的綠色金屬材料，成為僅次于鋼鐵的第二大金屬材料[1]。在世界范圍內(nèi)，超過80%以上用于生產(chǎn)擠壓型材的鋁合金為6×××系鋁合金，即Al-Mg-Si 系合金，該系合金作為擠壓、軋制和鍛造合金，已廣泛應(yīng)用于航空航天、電子、建筑及汽車工業(yè)領(lǐng)域[2-4]。

6061鋁合金是典型的6×××系鋁合金，其合金中Mg、Si 含量稍高，并含有少量的銅。該合金加工性能良好，可以進(jìn)行大的塑性變形，比如加工成板、管、棒等，因此廣泛應(yīng)用于具有一定強度和耐蝕性高的各種工業(yè)結(jié)構(gòu)件中。此外該合金可焊性好，可以用各種焊接方法進(jìn)行焊接[5]。因其應(yīng)用廣泛，材料研究工作者從組織和性能方面均進(jìn)行了大量研究。而在實際生產(chǎn)中，在線生產(chǎn)的6061 擠壓型材無法直接進(jìn)行后續(xù)處理，中間均要停放一段時間。且在線生產(chǎn)后拉伸率的大小在范圍內(nèi)波動，而非穩(wěn)定數(shù)值，而國內(nèi)對于長期停放方面的研究少之又少。鑒于此問題，本文選取某截面型號6061 鋁合金研究分析了改變其拉伸率及停放時間長短對6061 鋁合金組織與力學(xué)性能的影響，探討停放時間及拉伸率對6061 合金力學(xué)性能的影響規(guī)律，為6061 鋁合金的實際生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)和實踐經(jīng)驗。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所需材料為我廠某型號6061 鋁合金擠壓型材，合金成分見表1。

表1 6061鋁合金擠壓型材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.2 試驗方法

試驗采用φ254 mm 鑄錠，于2 750 t 擠壓機(jī)上進(jìn)行型材擠壓。將生產(chǎn)出的擠壓型材在線淬火后于不同拉伸率下進(jìn)行拉伸，拉伸率如表2所示。拉伸后在室溫下分別停置1、5、10、15、20、30 d后進(jìn)行T4 力學(xué)性能測試。采用AG-X 100KN 電子萬能試驗機(jī)，并按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行室溫拉伸試驗，試驗溫度為23 ℃。該標(biāo)準(zhǔn)要求如下：

T4狀態(tài)：Rp0.2≥180 MPa；Rpm≥110 MPa；A50mm≥13%

表2 6061鋁合金擠壓型材拉伸率

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 停放時間及拉伸率對型材高倍組織的影響

分別對不同拉伸率的擠壓型材經(jīng)不同停放時間后取樣進(jìn)行高倍過燒檢測，結(jié)果見表3。由表3 可知，隨著停放時間的增長，不同拉伸率的型材高倍組織均無過燒。W 型材停放時間為1～10 d 時，型材組織中Mg2Si 相尺寸變化不大；當(dāng)停放時間為10～15 d 時，型材中的Mg2Si 相較短期略大；停放20～30 d時，Mg2Si相尺寸變小，數(shù)量逐漸減少。

表3 不同停放時間對型材組織的影響

2.2 停放時間及拉伸率對型材晶粒度的影響

表4是針對不同拉伸率、不同停放時間的擠壓型材的晶粒度檢測圖片。從計算結(jié)果可以看出，在0%拉伸率下，當(dāng)擠壓型材停放1～5 d時，晶粒度等級較小，說明型材的晶粒尺寸較大；當(dāng)停放10～15 d時，晶粒度等級有所增大，說明該型材的晶粒尺寸減??；當(dāng)停放時間為20～30 d 時，晶粒度等級又開始減小，說明晶粒尺寸再次增加。在1.2%拉伸率下，停放時間小于5 d 時，擠壓型材晶粒度等級較小，說明型材的晶粒尺寸較大；當(dāng)停放5～15 d 時，晶粒度等級有所增大，說明該型材的晶粒尺寸減小；當(dāng)停放時間為20～30 d 時，晶粒度等級又開始減小，說明晶粒尺寸再次增加。當(dāng)拉伸率為1.85%、停放1～10 天時，擠壓型材晶粒度等級較小，說明型材的晶粒尺寸較大；當(dāng)停放15 d時，晶粒度等級達(dá)到2.5，說明該型材的晶粒尺寸較?。划?dāng)停放時間為20 d 時，晶粒度等級減小至0.5，晶粒尺寸再次增加。

表4 不同停放時間對型材晶粒度的影響

2.3 停放時間及拉伸率對型材力學(xué)性能的影響

在實際生產(chǎn)過程中，在線淬火后生產(chǎn)的型材需要在拉伸后進(jìn)行成品鋸切，拉伸率的大小并非固定，而是在要求范圍內(nèi)上下波動。拉伸率的大小同樣會對擠壓型材的力學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響，同時往往無法直接進(jìn)行下一步工序，或多或少會放置一段時間，放置時間的多少對擠壓鋁合金的力學(xué)性能均有一定的影響，這種現(xiàn)象稱為“停放效應(yīng)”。

為了分析不同停放時間和拉伸率對擠壓型材力學(xué)性能的影響，選取相同批次擠壓型材，經(jīng)在線淬火后選用不同拉伸率、不同停放時間進(jìn)行放置，并對試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，所得結(jié)果如表5所示。

表5 停放時間及拉伸率對擠壓型材力學(xué)性能的影響

為了研究不同停放時間對擠壓型材T4力學(xué)性能的影響，根據(jù)表3繪制如圖1～圖3所示的力學(xué)性能曲線圖。對于未進(jìn)行拉伸的擠壓型材，隨著停放時間的延長，抗拉強度和屈服強度呈現(xiàn)逐漸提高的趨勢，斷后延伸率略微波動，但變化趨勢不大。當(dāng)在線擠壓后不進(jìn)行拉伸而直接檢測發(fā)現(xiàn)，屈服強度并不滿足型材力學(xué)要求，如圖1所示；對于正常拉伸的擠壓型材，隨著停放時間的延長，力學(xué)性能呈現(xiàn)波動趨勢，當(dāng)停放時間超過15 d時，屈服強度逐漸下降，如圖2所示；對于過拉伸試樣而言，隨著停放時間的延長，力學(xué)性能同樣有波動，當(dāng)停放時間大于15 d時，屈服強度和抗拉強度均呈現(xiàn)下降趨勢，當(dāng)停放時間大于20 d時，又開始提高，如圖3所示。

圖1 不同停放時間對W擠壓型材力學(xué)性能的影響

圖2 不同停放時間對Z擠壓型材力學(xué)性能的影響

圖3 不同停放時間對G擠壓型材力學(xué)性能的影響

目前對鋁合金產(chǎn)生“停放效應(yīng)”的解釋眾說紛紜，然而較多的研究更傾向于停放效應(yīng)與室溫停留時產(chǎn)生的GP區(qū)重新溶解有關(guān)。本文所用材料中Mg與Si 的質(zhì)量比＜1.73，說明材料中含有過剩Si。停放時間較短時，自然時效產(chǎn)生的GP 區(qū)尺寸較小，且不穩(wěn)定；隨著停放時間的增加，GP 區(qū)長大，尺寸合適且穩(wěn)定，而合金中過剩Si以Si的偏聚團(tuán)形式存在，強化相增加，合金的力學(xué)性能提高；當(dāng)停放時間繼續(xù)增加，合金中GP 區(qū)繼續(xù)長大，導(dǎo)致沉淀硬化物析出數(shù)量減少，從而降低合金的力學(xué)性能；當(dāng)停放時間過長時，那些小于臨界尺寸的GP 區(qū)可能均長大至穩(wěn)定的晶核尺寸，合金的強度有所回升[6-8]。

綜上所述，對于該型號6061 合金而言，停放時間不應(yīng)該大于15 d，當(dāng)停放小于15 d 時，其T4屈服強度、抗拉強度及延伸率均滿足要求，但未進(jìn)行拉伸的試樣停放時間需大于5 d方可保證其T4狀態(tài)力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；當(dāng)停放時間超過20 d時，雖然T4 狀態(tài)力學(xué)性能滿足要求，但呈波動下降趨勢。

圖4 不同停放時間下拉伸率對擠壓型材力學(xué)性能的影響

為了研究拉伸率對擠壓型材T4 力學(xué)性能的影響，繪制圖4所示力學(xué)性能變化圖，停放天數(shù)分別為1、5、10、15、20、30 d。由圖可知，隨著拉伸率的增加（0%（W）→1.2%（Z）→1.85%（G）），斷后伸長率均無變化，屈服強度逐漸提高，抗拉強度呈現(xiàn)波動趨勢。拉伸量越大，合金位錯密度越大，在自然時效狀態(tài)下，由于形變強化可以使合金的抗拉強度逐漸提高[9]。

3 結(jié)論

（1）隨著停放時間的增加，未拉伸擠壓型材的T4力學(xué)性能呈現(xiàn)增加趨勢，但停放1 d時性能并不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；對于正常拉伸或過拉伸擠壓型材，停放15 d 可獲得最大性能，隨后呈現(xiàn)下降趨勢。

（2）隨著拉伸率的增加，擠壓型材的斷后伸長率并無太大變化，抗拉強度呈現(xiàn)浮動趨勢，屈服強度逐漸增加。

（3）通過研究停放時間及拉伸率對擠壓型材T4 力學(xué)性能的影響規(guī)律發(fā)現(xiàn)，對于該型號6061 鋁合金而言，停放時間不建議超過15 d，同時對于未進(jìn)行拉伸矯直的型材而言停放時間應(yīng)大于5 d。