車用鋁合金微結構演變與性能研究

王云 閔潔

摘 要：自21世紀以來，汽車行業(yè)得以快速發(fā)展，我國汽車保有量更是逐年增長。與此同時，鋁合金也成為汽車領域中的重要原材料，并在汽車制造中大量使用。對于鋁合金來說，其自身的力學性能將對汽車的運行性能及安全性產生直接的影響。因此，對車用鋁合金的微結構演變進行深入研究，以此分析其力學性能變化，對于提高汽車安全性能及可靠性具有重要的現實意義。鑒于此，本文便對車用鋁合金微結構演變及其性能開展深入的研究。

關鍵詞：車用鋁合金;微結構;演變;性能

一、試驗材料及方法

在本文中將6061鋁合金作為試驗材料，按照560℃、16h的試驗條件來進行均勻化處理，獲得鑄錠，然后利用8MN臥式擠壓機來開展擠壓試驗，以此獲得相應的鋁合金棒材，并以5mm/s的速度進行擠壓，將擠壓比的值設定為25，型材在經過擠壓后到達出口時的溫度則達到550℃，以獲得相應的纖維組織。通過DWK-702型溫控儀與SRJ-45箱式電阻爐來對獲得的鋁合金棒才進行固溶處理，處理時間設置為1h，處理溫度則按照505℃、515℃、525℃、535℃、545℃與555℃進行分檔，經固溶處理以后進行水冷至室溫，以使其組織形貌不發(fā)生變化。將180℃設定成人工時效溫度，時效時間則按照每兩小時的間隔進行設置，分別是2h、4h、6h、8h、10h，時效后空冷至室溫。

在試驗過程中，通過數控線沿著其擠壓方向進行切割，以便于獲得相應的壓縮式樣，該試樣為圓柱體，尺寸為8mm×4mm，并采取分離式霍普金森壓桿來測試鋁合金材料在不同熱處理條件下的動態(tài)強度。在實驗過程中，需要確保擠壓方向與沖擊方向相同，然后對應變速率進行不同設置，以便于開展動態(tài)壓縮試驗，并采取應變環(huán)來對試樣應變量進行控制。在對不同處理狀態(tài)下的樣品開展力學性能測試時，則通過HV-1000顯微硬度計來完成，將5組值中的平均值作為標準硬度值，并采用500#至2000#的水磨砂紙，對待觀察金相的試樣進行預磨，然后實施機械拋光，并采取陽極覆膜。利用POLYVERMET偏光顯微鏡來觀察試驗樣品的金相組織。在觀察實驗樣品物相時，則采取透射電鏡來完成，通過機械預減薄以后獲得的薄膜樣品，還要采取雙噴電解減薄，然后對獲得的樣品進行顯微組織觀察，可采取TECNAIG2F20電鏡來進行透射觀察

二、試驗結果與分析

（一）不同固溶溫度條件下鋁合金微觀結構演變及其性能變化

通過觀察不同固溶溫度下，固溶態(tài)合金在硬度方面所產生的變化，可以了解到，固溶溫度越高，則固溶合金硬度也會隨之提升，但是當固溶溫度達到535℃時，則固溶鈦合金硬度面保持在70HV的峰值，此時即使固溶溫度繼續(xù)升高，固溶態(tài)合金的硬度變化幅度幾乎可以忽略不計。究其原因在于當固溶溫度達到535℃時，絕大多數的合金元素均已進入基體，此時鋁合金呈現出比較穩(wěn)定的過飽和度。

將固溶處理時間設定為1h，并對不同固溶處理溫度下的鋁合金擠壓棒材顯微組織進行觀察。觀察結果表明，當固溶溫度不斷提升，使鋁合金擠壓棒材中的晶內粗大相粒子與晶界粗大相粒子的數量不斷減少，這些相粒子紛紛融入至基體中。當固溶溫度達到515℃時，因此時的固溶溫度是比較低的，此時鋁合金中的原子在遷移擴散過程中產生的速度也相對較慢，此時鋁合金中并未溶解的第二相有著大量的殘留，這也造成機體中有著較低濃度的強化相。在后續(xù)時效中，也很少能從基體組織內析出強化相，因此時效強化效果較差，此時的鋁合金具有較高的塑性，但其強度卻偏低。當固溶溫度不斷提升時，則鋁合金中的原子會產生更快的擴散速度，此時基體內融入的可溶第二相粒子數量也不斷增加，這時時效析出的強化相數量會不斷增加，這時鋁合金材料的強度也會持續(xù)提高。固溶溫度達到535℃時，則基體內融入的第二相已基本飽和，此時如果固溶溫度繼續(xù)增加，即使固溶溫度達到545℃，則鋁合金棒材的微觀組織也不會出現較為明顯的變化。通過上述實驗可以了解到，固溶溫度在535℃時，6061鋁合金擠壓棒材在經過一個小時的固溶處理以后，其固溶效果達到最佳的。

通過對固溶溫度不同條件下的6061鋁合金擠壓棒材進行流變應力曲線分析，可以了解到應變速率在2000s-15500s-1的情況下，該鋁合金隨著固溶溫度的改變，其表面硬度的變化也是趨于一致的，并且鋁合金的抗變形能力會因固溶溫度的提升而增強，并在固溶溫度達到535℃時，鋁合金的抗變形能力達到最強。當固溶溫度繼續(xù)提升時，鋁合金不會出現較大幅度的動態(tài)流變應力變化。

當應變速率為2000s-1時，固溶溫度的不同時，6061鋁合金擠壓棒材試樣的應變率保持不變，應變率的值為0.2。由此可以了解到，如果固溶溫度比較低，因為獲得高溶質原子濃度，使得位錯運動不會受到較大阻礙，這也使得材料具備較差的變形抗力，此時會觀察到少量的位錯組織。固溶溫度提升時，則對試樣的固溶強化有著明顯的效果，此時位錯運動會受到明顯的阻力，這也使得位錯呈現出均勻分布變化，并形成了許多為錯胞，這也使得試樣在變形過程中會產生更加明顯的流變應力。

（二）不同人工時效時間條件下鋁合金微觀結構演變及其性能變化

通過上述實驗并分析實驗結果，可以確定鋁合金的最佳固溶溫度為535℃，最佳固溶時間為1h，通過對鋁合金試樣實施固溶處理以后，將溫度設定在180℃，并對保溫時間進行不同設置，以此對試驗樣品實施人工時效處理。通過觀察人工時效處理效果，可以了解到6061鋁合金的時效強化效果非常明顯，鋁合金的時效硬度在前期快速上升，隨后則出現略微下降，當保溫時間為8h時，鋁合金的時效硬度峰值可達到104HV，而當時效時間繼續(xù)增長時，鋁合金的時效硬度則呈現出緩慢下降趨勢。通過對時效處理時間不同下的樣品進行動態(tài)壓縮曲線觀察，可以了解到沖擊荷載中應變速率達到2000s-1與5500s-1時，此時的鋁合金有著很明顯的應變強化與應變率強化效應，并且實效時間的持續(xù)增加，會使鋁合金的動態(tài)強度越來越強，當人工實效時間達到8h時，鋁合金的動態(tài)強度達到了力學性能峰值，應變率的不斷提高，也使得鋁合金材料出現了較小幅度的流變應力增加。

保溫時間不同情況下，通過觀察6061鋁合金棒材在人工時效處理以后的顯微組織變化，可以發(fā)現α（SSSS）沉淀相最先析出，隨后析出的是GP區(qū)，然后是β與β，最后析出的沉淀相為β。在時效處理初期，可以發(fā)現Si原子在鋁合金基體晶面上大量聚集，進而產生了溶質原子偏聚區(qū)，并和基體形成了共格關系，所以叫做GP區(qū)共格應變區(qū)，其是由大量聚合體組成的，因共格應變區(qū)具有抗變形能力，所以鋁合金的硬度及強度有所提高。當實效時間有所增加時，GP區(qū)會轉化成強化相β，而β則是和基本共格的單斜晶系，β進一步轉化成桿狀β，對于β來說，其屬于六方結構，和基體局部具有共格關系，相比于β來說，其強化效果不如前者，而β最終會向著β相進行轉化，β是相沿基體面中析出的盤狀平衡相。時效時間為4h時，通過電子顯微鏡進行透射觀察，可以發(fā)現鋁合金中會析出和β強化相，該強化相和基體共格，并且是沿著AI基體的<100>方向進行析出的，β強化相屬于納米級。共格邊界是原子是兩相共有，而對于基體來說，其之所以會產生彈性應變，其目的是為了對兩相原子排列進行有效適應，但其彈性畸變則會嚴重阻礙位錯運動，這樣鋁合金的強度便會有所提升。如果β相的尺寸不斷增加，則基體內的應力場也會隨之遍布其中，并由此使合金強度不斷提高，直至達到峰值為止。在時效初期，之所以6061鋁合金棒材會具有更高的強度，究其原因還是在于GP區(qū)的形成，并且當人工時效時間變得更長時，β在固溶體內的析出相也會越來越多，通過8h的時效處理以后，沿鋁合金基體<100>方向進行析出的針狀β析出相數量也會大量增加，這些針狀β析出相彌散于整個固溶體內。

當應變速率為2000s-1時，6061鋁合金試樣在進行人工時效處理后，可以觀察到其微觀組織圖像，通過觀察2h的人工時效處理所獲得的6061鋁合金試樣微觀組織圖像可發(fā)現，其析出相以GP區(qū)為主，這會阻礙變形中的對位錯，因析出相有著較小的粒子尺寸，所以并不會給位錯運動造成明顯的釘扎作用，大量位錯仍舊能自由運動，其位錯密度并不高。而通過觀察4h的人工時效處理所獲得的6061鋁合金試樣微觀組織圖像可以發(fā)現，一些析出相已經從GP區(qū)轉化成了β，因β會很大程度上阻礙位錯運動，這也使材料在變形過程中產生較大阻力，進而引發(fā)位錯堆積現象，這時的位錯密度有了明顯的提高。通過觀察8h的人工時效處理所獲得的6061鋁合金試樣微觀組織圖像可以發(fā)現，時效處理效果此時達到峰值，并且析出強化作用最大，大量的β密度使其能夠充分發(fā)揮出釘扎位錯的作用，進而使鋁合金在此時的變形抗力達到最大，由于位錯大量堆積，使得位錯密度大幅增加，這也使位錯在微觀結構中呈現出網狀均勻分布狀態(tài)，并形成了大量的位錯胞，所以鋁合金在此時是具有最大動態(tài)流變應力的。

三、結語

總而言之，鋁合金材料作為汽車制造領域中的重要原材料，其材料力學性能對汽車安全性、可靠性等產生著直接的影響，所以對車用鋁合金材料的微觀結構演變及性能開展研究非常重要，本文便分析了固溶時效處理過程中6061鋁合金材料在微觀結構上出現的演變及其性能變化情況，從而為沖擊載荷下鋁合金的合理運用提供了重要的試驗依據。

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基金項目：云南省科技廳2018年度應用基礎研究計劃青年項目《汽車用6000系鋁合金微結構演變與性能研究》（項目編號：2018FD089）

作者簡介：王云（1987— ），女，漢族，云南建水人，碩士，助教，從事金屬材料研究;閔潔（1982— ），女，漢族，云南昆明人，碩士，講師，從事材料成型及控制研究。