預(yù)拉伸對(duì)6082鋁合金時(shí)效組織與性能的影響

劉兆偉，王東輝，黃 健，陳 利，潘 巖，馬龍飛

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

6082鋁合金是Al-Mg-Si系鋁合金，Mn、Mg等含量較高，有明顯的停放效應(yīng)，降低人工時(shí)效強(qiáng)化效果，有研究結(jié)果表明，時(shí)效前預(yù)拉伸處理延緩合金自然時(shí)效過程，可提高合金的強(qiáng)度[1，2]。本實(shí)驗(yàn)通過在常溫下對(duì)不同時(shí)效制度及不同預(yù)拉伸量的6082鋁合金進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)及金相組織觀察，分析預(yù)拉伸量對(duì)合金力學(xué)性能的影響，為6xxx系鋁合金預(yù)拉伸生產(chǎn)及加工形變提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料的準(zhǔn)備

選用3mm厚的6082鋁合金中空型材，并加工成30mm寬×200mm長的坯料。實(shí)驗(yàn)材料合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為，Si 0.95～1.05，Mg 0.90～0.95，F(xiàn)e 0.20，Cu 0.05，Mn 0.45～0.55，Cr 0.05，Ti 0.05，Zn 0.05，Al余量。坯料經(jīng)過525℃×1h固溶淬火后，使用拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行不同預(yù)拉伸變形處理(變形量0.0%～6.5%)，再進(jìn)行人工時(shí)效，表1為具體試驗(yàn)方案。

表1 試驗(yàn)方案

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)拉伸對(duì)顯微組織的影響

圖1為0.0%、2.0%、4.0%及6.5%的6082鋁合金進(jìn)行縱截面的金相組織。實(shí)驗(yàn)材料原始狀態(tài)為形變與再結(jié)晶的混合組織，經(jīng)過重新固溶時(shí)效后晶粒沿著形變方向長大，縱截面下為扁平晶粒。隨著預(yù)拉伸量的增加，預(yù)拉伸處理后的晶粒組織沿著預(yù)拉伸的方向逐漸伸長，這是由于預(yù)變形后的時(shí)效，合金主要發(fā)生回復(fù)過程。而未經(jīng)預(yù)變形的合金，時(shí)效后基體仍為淬火后的再結(jié)晶組織。當(dāng)加入的形變量致使發(fā)生塑性變形時(shí)，基體內(nèi)部有大量位錯(cuò)開動(dòng)，一方面產(chǎn)生加工硬化提高強(qiáng)度，另一方面增加人工時(shí)效析出相形核位置，可提高時(shí)效強(qiáng)度[3-5]。

(a)0.0%；(b)2.0%；(c)4.0%；(d)6.5%

圖2所示為不同預(yù)拉伸處理后的金相顯微照片。由圖2(a)可見，合金經(jīng)固溶處理后未預(yù)拉伸的固溶態(tài)主要由大量彌散相和第二相所組成。對(duì)比圖2(b)(c)，經(jīng)預(yù)拉伸處理后的T6時(shí)效態(tài)組織中黑色第二相數(shù)量較未預(yù)拉伸處理后的多，且分布均勻。這是由于6082合金在預(yù)拉伸過程中會(huì)有更多的β″相晶核形成，當(dāng)后期經(jīng)過時(shí)效處理后從而使合金形成更多其細(xì)小的析出強(qiáng)化相[6]。

(a)未預(yù)拉伸(固溶態(tài))；(b)未預(yù)拉伸(時(shí)效態(tài))；(c)2.0%預(yù)拉伸(時(shí)效態(tài))

2.2 預(yù)拉伸量對(duì)力學(xué)性能的影響

由圖3可以看出，隨著預(yù)拉伸量的增大，實(shí)驗(yàn)材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度呈先升高再小幅度降低的趨勢(shì)，屈服強(qiáng)度從未經(jīng)過預(yù)拉伸的275.7MPa快速升高到2.0%預(yù)拉伸量的311MPa，之后屈服強(qiáng)度緩慢降低；抗拉強(qiáng)度在預(yù)拉伸量1.0%以內(nèi)變化不大，繼續(xù)提高變形量到2.0%時(shí)，抗拉強(qiáng)度快速升高到323.3MPa，之后緩慢下降，預(yù)拉伸量5.0%之后抗拉強(qiáng)度保持不變。預(yù)拉伸量從0%到2.0%，位錯(cuò)的密度增量較大，而接著加大預(yù)變形程度，位錯(cuò)密度會(huì)持續(xù)提高，但過飽和固溶體中的溶質(zhì)原子濃度是固定的，富集溶質(zhì)原子的氣團(tuán)增加幅度減小，強(qiáng)化析出相數(shù)目的增加幅度也減小，因此強(qiáng)度的增量也隨之減少。

圖3 不同預(yù)拉伸量下的力學(xué)性能

伸長率總體呈下降趨勢(shì)，先從未經(jīng)過預(yù)拉伸的15.5%緩慢降低到預(yù)拉伸量為2.0%時(shí)的11.0%，隨后開始緩慢下降。這是由于預(yù)拉伸量使合金晶?；蚓Ы缣幘植繎?yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力大于理論斷裂強(qiáng)度，該處的原子鍵就會(huì)斷裂，從而形成微裂紋，而且局部應(yīng)力集中也可形成位錯(cuò)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)遇到晶界或者第二相塞積形成裂紋尖端，從而對(duì)材料組織造成損傷，降低合金強(qiáng)度和伸長率[3]。變形量大的狀態(tài)延伸率較低，預(yù)拉伸處理犧牲了合金的塑性造成了延伸率的下降，而在時(shí)效進(jìn)行到中后段延伸率的變化不明顯。

2.3 不同時(shí)效時(shí)間與不同預(yù)拉伸量對(duì)力學(xué)性能的影響

圖4為不同時(shí)效時(shí)間與不同預(yù)拉伸量對(duì)力學(xué)性能的影響?？梢钥闯觯煌A(yù)拉伸量的試樣經(jīng)過不同時(shí)間的時(shí)效后，抗拉與屈服強(qiáng)度均呈先升高，在時(shí)效4h后降低的趨勢(shì)。并且峰值強(qiáng)度過后，預(yù)拉伸量與強(qiáng)度變化趨勢(shì)呈反比；伸長率隨著時(shí)效時(shí)間的增加呈降低趨勢(shì)。在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，不同拉伸量到達(dá)人工峰時(shí)效的時(shí)間無明顯差異，所有級(jí)別預(yù)拉伸量達(dá)到峰值屈服強(qiáng)度的時(shí)間發(fā)生在大約時(shí)效4h時(shí)，表明預(yù)拉伸水平不影響材料在175℃時(shí)達(dá)到峰值強(qiáng)度的時(shí)間。

圖4 不同時(shí)效時(shí)間與不同預(yù)拉伸量下的力學(xué)性能

預(yù)變形后再進(jìn)行人工時(shí)效的合金與僅進(jìn)行人工時(shí)效的強(qiáng)化機(jī)制不同，人工時(shí)效合金的主要強(qiáng)化機(jī)制為析出強(qiáng)化，而引入預(yù)變性后，合金的強(qiáng)度主要來源于析出強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化。6xxx系鋁合金的時(shí)效析出序列為，G.P區(qū)→β″→β′→β(Mg2Si) 。β″一般優(yōu)先在位錯(cuò)處形核，由于預(yù)變形引入位錯(cuò)，給β″相提供了有效的形核位置，從而使β″相形核數(shù)目增加[5]。同時(shí)淬火后的過飽和固溶體中的溶質(zhì)原子濃度較高，位錯(cuò)密度增加后，溶質(zhì)原子與位錯(cuò)交互作用，在位錯(cuò)周圍富集形成的氣團(tuán)數(shù)目也相繼增加，這些富集溶質(zhì)原子的氣團(tuán)也是β″相的核心[6]。隨預(yù)變性量的增加，合金中β″相愈彌散、愈細(xì)小，從而在時(shí)效4h內(nèi)合金的強(qiáng)度提高。由于預(yù)拉伸改變了合金內(nèi)的位錯(cuò)密度，因此在后續(xù)的時(shí)效處理時(shí)會(huì)帶來很大的影響，析出相析出帶來的時(shí)效強(qiáng)化和由于位錯(cuò)回復(fù)帶來的軟化會(huì)相互作用，這可能會(huì)是后期相同時(shí)效條件下，經(jīng)預(yù)拉伸的試樣強(qiáng)度和屈強(qiáng)比降低的原因[7,8]。

圖5為施加不同預(yù)拉伸量后不同時(shí)效溫度下屈強(qiáng)比變化曲線。隨時(shí)效時(shí)間的延長，屈強(qiáng)比逐漸升高且逐漸變緩。在相同時(shí)效條件下，預(yù)拉伸量超過0.7%后，第二相顆粒對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用導(dǎo)致屈服強(qiáng)度升高幅度大于抗拉強(qiáng)度，即屈強(qiáng)比隨預(yù)拉伸量的增大而升高[9]。

圖5 不同時(shí)效時(shí)間與不同預(yù)拉伸量下的屈強(qiáng)比

3 結(jié)論

(1)經(jīng)2%預(yù)拉伸處理后的T6時(shí)效態(tài)6082鋁合金組織中黑色第二相數(shù)量較未預(yù)拉伸處理后的多，且分布均勻。

(2)隨預(yù)拉伸變形量的增加，6082鋁合金晶粒沿著形變方向被拉長。當(dāng)預(yù)拉伸變形量達(dá)到彈性變形后屈強(qiáng)比有明顯提升，但隨著時(shí)效時(shí)間延長到后期，經(jīng)預(yù)拉伸處理的強(qiáng)度和屈強(qiáng)比降低。

(3)預(yù)拉伸變形量由0.0%到2.0%時(shí)，6082鋁合金強(qiáng)度值隨預(yù)拉伸量增加而升高，屈服強(qiáng)度由275.7MPa快速升高到311MPa，但伸長率下降；當(dāng)預(yù)拉伸變形量由2.0%至6.5%時(shí)，強(qiáng)度值和伸長率呈緩慢下降并最終趨于平穩(wěn)。