時(shí)效狀態(tài)對(duì)Al-5.9Zn-0.8Mg合金壓潰性能的影響

萬(wàn) 里,鄧濤濤,劉榮超,王 凱

（1.佛山市三水鳳鋁鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山528100；2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山528000）

汽車輕量化在顯著提高其燃油效率的同時(shí)也降低了二氧化碳等氣體的排放．而鋁合金憑借其低密度和高比強(qiáng)度在傳統(tǒng)的燃油汽車和新能源汽車零部件上得到了廣泛的應(yīng)用，如安全碰撞件、儀表盤、電池托盤等［1-2］．為了實(shí)現(xiàn)汽車的整體減重，各部件在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中往往都采用中空薄壁的復(fù)雜截面型材．考慮到熱擠壓過(guò)程中的可加工性，6xxx系合金成為了鋁合金在汽車輕量化應(yīng)用中的主要合金，常規(guī)的應(yīng)用牌號(hào)有6063，6061，6005A，6082及不含Cu的7xxx系鋁合金等［3-4］．對(duì)于安全碰撞件而言，如側(cè)縱梁等，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)乘客人身安全的保護(hù)，其在發(fā)生碰撞時(shí)對(duì)外來(lái)沖擊功的吸收能力顯得至關(guān)重要．因此，對(duì)型材所需具備的碰撞吸能特性提出了更加嚴(yán)格的要求．現(xiàn)有的研究表明［5-12］，通過(guò)對(duì)型材進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如外形結(jié)構(gòu)及R角大小等）可使型材的吸能效果得到較大的提升，材料具備的宏觀織構(gòu)與微觀強(qiáng)化相粒子的構(gòu)成與分布顯著影響材料的碰撞吸能效果．以中高強(qiáng)度的Al-5.9Zn-0.8Mg合金為對(duì)象，重點(diǎn)研究了時(shí)效狀態(tài)對(duì)合金壓潰行為的影響，以期為提高7xxx合金在汽車上的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐．

1 試驗(yàn)材料與研究方法

采用20T熔煉爐并通過(guò)雙級(jí)除氣+雙級(jí)過(guò)濾，獲得直徑為320 mm的Al-5.9Zn-0.8Mg合金圓鑄錠．鑄造完成后將鑄錠轉(zhuǎn)移至30 T均質(zhì)爐中進(jìn)行450℃保溫24 h的均質(zhì)處理，在出爐后強(qiáng)風(fēng)冷卻至350℃以下，再進(jìn)行噴水冷卻至室溫．在40MN擠壓機(jī)上進(jìn)行型材的熱擠壓，其中擠壓溫度為490±10℃、模具溫度為480±10℃、型材出料速度為6±0.5 m/min．采用強(qiáng)風(fēng)冷，需在2 min內(nèi)將型材冷卻至100℃以下．力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)在Zwick萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，壓潰實(shí)驗(yàn)在100 T的MTS-SANS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，圖1為實(shí)驗(yàn)示意圖．利用FEI Tecnai G2F20透射電鏡對(duì)試樣進(jìn)行觀察，其中電解雙噴液為ψ（硝酸）：ψ（甲醇）=1∶2，溫度控制在-30℃以下，電流控制在60~100 mA之間．

圖1 壓潰實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of crushing test

2 結(jié)果與討論

圖2 為不同時(shí)效狀態(tài)下Al-5.9Zn-0.8Mg合金型材進(jìn)行壓潰實(shí)驗(yàn)后的宏觀照片．從圖2（a）可以看出：T4（常溫停放30 d）狀態(tài)的試樣，在壓潰過(guò)程中不能通過(guò)褶皺變形來(lái)協(xié)調(diào)外載荷對(duì)體系的作用，直接出現(xiàn)了開裂．從圖2（b）和圖2（c）可見：T6（T4+120℃/24 h）和T7（T6+170℃/10 h）狀態(tài)的試樣，在整個(gè)壓潰過(guò)程結(jié)束后沿型材擠壓方向保留了數(shù)個(gè)褶皺；對(duì)比T6和T7試樣發(fā)現(xiàn)，T7試樣在壓潰過(guò)程中型材整個(gè)截面的變形更加均勻．

圖2 不同時(shí)效狀態(tài)下Al-5.9Zn-0.8Mg合金型材進(jìn)行壓潰實(shí)驗(yàn)后的宏觀照片（a）T4；（b）T6；（c）T7Fig.2 Photos of Al-5.9Zn-0.8Mg alloy profiles after crushing tests under different aging tempers

圖3 為三個(gè)不同時(shí)效狀態(tài)下壓潰試樣轉(zhuǎn)角位置的變形情況．從圖3（a）可以看出，壓潰過(guò)程中直接開裂的T4狀態(tài)試樣，其開裂位置的斷口呈45 °純剪切開裂．從圖3（b）可見：在壓潰過(guò)程中能通過(guò)褶皺來(lái)協(xié)調(diào)外載荷作用的T6和T7狀態(tài)試樣，在褶皺局部也表現(xiàn)出不同的變形能力；對(duì)于T6狀態(tài)試樣，在其型材發(fā)生劇烈變形的褶皺區(qū)同樣出現(xiàn)了斷續(xù)的呈45 °的剪切變形開裂．從圖3（c）可見，T7狀態(tài)試樣在型材發(fā)生劇烈變形的褶皺區(qū)，其外表面仍然保持光滑，表現(xiàn)出良好的抗折疊變形能力．

圖3 不同時(shí)效狀態(tài)下Al-5.9Zn-0.8Mg合金壓潰型材轉(zhuǎn)角位置的宏觀照片（a）T4；（b）T6；（c）T7Fig.3 Photos of corner positions of Al-5.9Zn-0.8Mg alloy crushed profiles under different aging tempers

三個(gè)不同時(shí)效狀態(tài)試樣的力學(xué)性能如圖4所示．通過(guò)圖4（a）的力學(xué)性能曲線及試樣斷口附近的宏觀形貌對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，T7狀態(tài)試樣在斷裂前發(fā)生了劇烈的頸縮變形．對(duì)三個(gè)時(shí)效狀態(tài)力學(xué)性能曲線上試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及延伸率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如圖4（b）和圖4（c）所示．從圖4（b）可以看出：T4狀態(tài)試樣的抗拉強(qiáng)度與T6狀態(tài)試樣的相近．T6狀態(tài)試樣的屈服強(qiáng)度與T7狀態(tài)試樣的接近，但抗拉強(qiáng)度有所下降，三個(gè)狀態(tài)試樣呈現(xiàn)出屈強(qiáng)比逐漸升高的趨勢(shì)．從圖4（c）可見：三個(gè)時(shí)效狀態(tài)試樣的綜合延伸率，T7狀態(tài)試樣的略低于T4和T6狀態(tài)試樣，均在15%~16%；而對(duì)比試樣的均勻延伸率，T4狀態(tài)試樣的數(shù)值最高，接近于綜合延伸率，也就是說(shuō)T4狀態(tài)試樣的整個(gè)拉斷過(guò)程為均勻塑性變形過(guò)程；T6狀態(tài)試樣的均勻延伸率約為13.1%，在試樣發(fā)生斷裂前表現(xiàn)出了一定的頸縮過(guò)程；而T7狀態(tài)試樣的均勻延伸率則下降至約8.5%，在試樣發(fā)生斷裂前出現(xiàn)了劇烈的頸縮變形過(guò)程．因此，綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明在綜合延伸率一定的情況下，試樣在發(fā)生開裂前出現(xiàn)劇烈頸縮過(guò)程可使材料具有更加優(yōu)異的抗局部變形的能力．

圖4 不同時(shí)效狀態(tài)下Al-5.9Zn-0.8Mg合金型材的力學(xué)性能數(shù)據(jù)（a）工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b）強(qiáng)度；（c）延伸率Fig.4 Mechanical properties of Al-5.9Zn-0.8Mg alloy profiles under different aging tempers（a）engineering stress-strain curve；（b）strength；（c）elongation

圖5 為T4，T6和T7時(shí)效狀態(tài)下典型的透射電鏡照片．從圖5可以看出，各狀態(tài)試樣基體中都彌散析出了大量的強(qiáng)化相粒子，T4狀態(tài)試樣析出相粒子的尺寸最小且粒子與粒子間的間距最小，T7狀態(tài)試樣析出相粒子的尺寸最大且粒子與粒子將的間距也最大，這表明合金存在顯著的自然時(shí)效效應(yīng)，人工時(shí)效過(guò)程促進(jìn)了過(guò)飽和固溶體的脫溶．對(duì)每種狀態(tài)各10張照片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，T4，T6與T7狀態(tài)試樣析出相粒子的尺寸分別約為0.96，2.6和5.2 nm．T4狀態(tài)試樣由于基體中析出的第二相粒子細(xì)小，粒子容易被位錯(cuò)切割，在塑性變形過(guò)程中其對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用有限．同時(shí)，由于T4狀態(tài)基體中粒子與粒子間的間距小，在拉伸過(guò)程中容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的加工硬化，而出現(xiàn)全面均勻塑性變形行為．由于T7狀態(tài)試樣基體中第二相粒子的尺寸較大，位錯(cuò)無(wú)法切開這些大尺寸的第二相粒子，粒子間的無(wú)析出區(qū)域可對(duì)拉伸/壓縮過(guò)程的塑性變形進(jìn)行協(xié)調(diào)，使材料具備更加優(yōu)異的局部變形能力，從而大大提高了材料的壓潰性能．

圖5 不同時(shí)效狀態(tài)下Al-5.9Zn-0.8Mg合金的透射電鏡照片（a）T4；（b）T6；（c）T7Fig.5 TEM micrographs of Al-5.9Zn-0.8Mg alloy under different aging tempers

3 結(jié)論

（1）Al-5.9Zn-0.8Mg合金的屈強(qiáng)比，隨其時(shí)效過(guò)程的進(jìn)行（T4→T6→T7）逐漸增大．

（2）T4狀態(tài)試樣具有良好的均勻塑性變形能力，而T7時(shí)效狀態(tài)試樣在斷裂前會(huì)發(fā)生劇烈的頸縮變形．

（3）試樣斷裂前出現(xiàn)的頸縮過(guò)程，使材料具有更加優(yōu)異的抗局部變形的能力，從而提高了試樣的壓潰性能．