自然時(shí)效及Cu對(duì)6061型鋁合金塑性的影響

紀(jì)艷麗，陳 林，郭世杰，李虎田

(中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司 蘇州分公司，江蘇 蘇州 215026)

6×××系鋁合金由于具有輕質(zhì)、較好的塑性和較高強(qiáng)度，被認(rèn)為是替代鋼制汽車車身外面板的較佳材料[1]。車身用6×××系鋁合金先在鋁廠軋制及固溶處理，再經(jīng)過一段時(shí)間存儲(chǔ)和運(yùn)輸后在汽車部件廠沖制成面板部件[2]。6×××系鋁合金在存儲(chǔ)及運(yùn)輸過程中將發(fā)生自然時(shí)效，自然時(shí)效降低材料后續(xù)烤漆硬化能力。自然時(shí)效過程中的組織演變及其對(duì)后續(xù)烤漆過程的影響已有較多研究[3-4]，但自然時(shí)效對(duì)材料的力學(xué)性能，尤其是加工硬化以及應(yīng)變速率硬化能力的影響鮮有報(bào)道，這對(duì)材料的成型性能影響至關(guān)重要。此外6×××系鋁合金的主合金元素為Mg、Si元素，形成Mg2Si亞穩(wěn)相。同時(shí)，在6×××系鋁合金中添加Cu元素，可提高強(qiáng)化相的析出動(dòng)力學(xué)以及形成新的含Cu強(qiáng)化相，進(jìn)一步提高材料的強(qiáng)度[5]。Cu對(duì)6×××系鋁合金塑性的影響規(guī)律也有必要進(jìn)一步的研究。

本試驗(yàn)研究了Cu及自然時(shí)效對(duì)6061型鋁合金拉伸性能尤其是拉伸塑性的影響規(guī)律，以期為汽車車身用6×××鋁合金的成分調(diào)整及性能控制提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)合金的化學(xué)成分如表1所示。按照該成分進(jìn)行熔鑄及鑄錠均勻化處理，然后對(duì)鑄錠進(jìn)行熱軋及冷軋，對(duì)冷軋板進(jìn)行550 ℃0.5 h固溶處理、水淬、自然時(shí)效。

表1 試驗(yàn)合金的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Compositions of the alloys for testing(wt/%)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 材料的晶粒組織

圖1為1#及2#合金自然時(shí)效態(tài)的組織。由圖1可見，添加Cu后晶粒大小無顯著的變化。

圖1 試驗(yàn)合金的組織Fig.1 Structure of the alloys for testing

2.2 自然時(shí)效硬度曲線

試驗(yàn)合金的自然時(shí)效硬度曲線見圖2。由圖2可見，不含Cu的1#合金，在自然時(shí)效的初始10 min內(nèi)硬度基本不發(fā)生變化；10 min后硬度出現(xiàn)明顯的上升，直到自然時(shí)效7 d后，硬度才趨于穩(wěn)定。添加Cu的2#合金，初始硬度由于Cu元素固溶強(qiáng)化的原因而高于1#合金的，但由于Cu元素對(duì)自然時(shí)效的抑制作用，自然時(shí)效1h后，2#合金的硬度方與1#合金的一致。在接下來的自然時(shí)效過程中，2#合金的硬度比1#合金的略低，這充分表明了Cu元素對(duì)自然時(shí)效的抑制作用。

圖2 試驗(yàn)合金的自然時(shí)效曲線Fig.2 Natural ageing curves of the alloys for testing

2.3 自然時(shí)效對(duì)不含Cu的1#合金力學(xué)性能的影響

圖3為1#合金的力學(xué)性能隨自然時(shí)效時(shí)間變化規(guī)律。如圖3示，強(qiáng)度性能表現(xiàn)出的變化規(guī)律與硬度的一致；而伸長(zhǎng)率則隨著自然時(shí)效的進(jìn)行持續(xù)下降，直到自然時(shí)效1 d后，才趨于穩(wěn)定。

圖3 自然時(shí)效對(duì)不含Cu的1#合金力學(xué)性能的影響Fig.3 Influence of natural ageing time on mechanical properties of alloy 1# without Cu

圖4為材料的Kocks-Mecking曲線。根據(jù)Kocks-Mecking模型[6]，在材料的加工硬化率(work hardening rate)與流變應(yīng)力(應(yīng)力與屈服應(yīng)力之間的差值)曲線中，有一段線性區(qū)域代表了材料加工硬化的第三個(gè)階段，即動(dòng)態(tài)回復(fù)階段，在這個(gè)階段內(nèi)發(fā)生位錯(cuò)的增殖和湮滅。這一線性階段與縱軸的交點(diǎn)即為初始加工硬化率(initial work hardening rate，IWHR)。材料內(nèi)基體溶質(zhì)含量越高，初始加工硬化率越大，則加工硬化能力越高[7]。而這一線性階段的斜率即為動(dòng)態(tài)回復(fù)率(dynamic recovery rate，DRR)，基體中溶質(zhì)含量越高，斜率越小，動(dòng)態(tài)回復(fù)率越低[8]。

圖4 1#合金的Kocks-Mecking曲線Fig.4 Kocks-Mecking plots for alloy 1#

從圖4中Kocks-Mecking曲線獲得的合金初始加工硬化率以及動(dòng)態(tài)回復(fù)率數(shù)據(jù)見圖5。從圖5可看出，隨著自然時(shí)效的進(jìn)行，由于基體中溶質(zhì)原子含量的降低而造成合金初始加工硬化率不斷地下降。在自然時(shí)效7 d后，初始加工硬化率的變化趨于穩(wěn)定；另一方面，隨著自然時(shí)效過程中溶質(zhì)的析出，動(dòng)態(tài)回復(fù)率也隨之下降，自然時(shí)效7 d后，動(dòng)態(tài)回復(fù)率趨于穩(wěn)定，即淬火態(tài)的動(dòng)態(tài)回復(fù)率高于時(shí)效態(tài)的，這與Kocks-Mecking理論及文獻(xiàn)的報(bào)道不相符[8]。但Zolotorevsky et al[9]也報(bào)道了類似的現(xiàn)象。這可能是由于在自然時(shí)效態(tài)合金拉伸過程中發(fā)生了更加明顯的動(dòng)態(tài)析出現(xiàn)象，從而降低了合金的動(dòng)態(tài)回復(fù)率[10]。

圖5 自然時(shí)效時(shí)間對(duì)1#合金初始加工硬化率與動(dòng)態(tài)回復(fù)率的影響Fig.5 Effect of natural ageing time on the initial work hardening rate and dynamic recovery rate of alloy 1#

總的說來，淬火態(tài)或者短時(shí)間(如1 h)自然時(shí)效的樣品基體中含有更多的溶質(zhì)，因此具有較高的加工硬化能力(均勻伸長(zhǎng)率)。隨著自然時(shí)效的不斷進(jìn)行，溶質(zhì)從基體中析出，因而加工硬化能力(均勻伸長(zhǎng)率)隨之下降。

應(yīng)變速率硬化反映了材料抵抗由于應(yīng)變速率升高而強(qiáng)度下降的能力。應(yīng)變速率硬化能力越高，總伸長(zhǎng)率和均勻伸長(zhǎng)率的差值(post-uniform elongation后均勻塑性)越大[11]。通常應(yīng)變速率硬化能力可用應(yīng)變速率敏感性系數(shù)(strain rate sensitivity，SRS)來表征。溶質(zhì)原子與移動(dòng)位錯(cuò)將產(chǎn)生交互作用，形成動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效(dynamic strain ageing)，將會(huì)降低SRS。通常增加基體中溶質(zhì)及空位含量皆降低SRS[12]。

不同時(shí)效狀態(tài)下的SRS如圖6所示。從圖6可看，自然時(shí)效1 h的SRS明顯低于自然時(shí)效1 d及其后續(xù)的時(shí)效時(shí)間的SRS，因此隨著自然時(shí)效的進(jìn)行后均勻塑性出現(xiàn)增大的趨勢(shì)(如圖3)。這是由于隨著自然時(shí)效的進(jìn)行，基體中溶質(zhì)原子及空位濃度下降，因而SRS也隨之升高，后均勻塑性增加。

圖6 1#合金不同熱處理狀態(tài)下SRS與真應(yīng)變的關(guān)系曲線Fig.6 The dependence of SRS on true strain for alloy 1# under different tempers

2.3 Cu對(duì)拉伸性能的影響

如表2示，2#合金與1#合金相比，自然時(shí)效30 d后，其屈服強(qiáng)度并無顯著的區(qū)別，但含Cu的2#合金的抗拉強(qiáng)度明顯高于不含Cu的1#合金的。與此同時(shí)，含Cu的2#合金的均勻塑性略高于不含Cu的1#合金的，而2#的總伸長(zhǎng)率略比1#的低。這表明添加Cu后，可提高材料的加工硬化能力(屈服和抗拉強(qiáng)度的差值越大，加工硬化能越大)，但降低應(yīng)變速率硬化能力(總伸長(zhǎng)率和均勻伸長(zhǎng)率的差值越大，應(yīng)變速率硬化能力越大)。

表2 1#和2#合金自然時(shí)效30 d后力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of alloys 1# and 2# after 30 d of natural ageing

試驗(yàn)合金的Kocks-Mecking曲線如圖7示。Cu元素的添加并不改變Kocks-Mecking曲線線性部分的斜率，而顯著的增加線性部分與Y軸的截距(見表3)。這意味著，Cu對(duì)加工硬化的影響主要為增大了位錯(cuò)增值速率，而并非降低了動(dòng)態(tài)回復(fù)速率。因此Cu的添加可增大合金的均勻塑性。

圖7 1#合金和2#合金自然時(shí)效30 d后的Kocks-Mecking曲線Fig.7 Kocks-Mecking plots for alloys 1# and 2# naturally aged for 1 month

表3 試驗(yàn)合金自然時(shí)效30 d后的初始加工硬化率與動(dòng)態(tài)回復(fù)率Table 3 Initial work hardening rate and dynamic recovery rate of alloys 1# and 2# naturally aged for 30 d

此外，試驗(yàn)合金自然時(shí)效30 d后的應(yīng)變敏感性系數(shù)如圖8示。在接近均勻應(yīng)變0.20附近處，含Cu合金的應(yīng)變敏感系數(shù)低于不含Cu合金的應(yīng)變敏感性系數(shù)，因此2#合金體現(xiàn)出略微低于1#合金的后均勻塑性。這是因?yàn)樵黾尤苜|(zhì)原子(Cu)后，造成動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效(dynamic strain ageing)增加，從而對(duì)合金應(yīng)變速率硬化能力不利。

圖8 1#合金和2#合金自然時(shí)效30 d后的SRSFig.8 Dependence of SRS on the true strain for alloys 1# and 2# naturally aged for 30 d

3 結(jié) 論

6×××鋁合金隨著自然時(shí)效的進(jìn)行，由于基體中溶質(zhì)原子的減少，造成合金加工硬化能力的下降，從而造成均勻塑性及總塑性的下降。溶質(zhì)原子的減少，也減少了動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效對(duì)應(yīng)變速率硬化的不利影響，從而造成后均勻塑性的逐步上升。此外，添加Cu之后，由于提高了加工硬化能力，因此含Cu合金具有更高的均勻伸長(zhǎng)率。但是增加溶質(zhì)原子(Cu)促進(jìn)了動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效的發(fā)生，因此降低了合金材料的后均勻塑性。