時(shí)效制度對(duì)6013 鋁合金擠壓型材屈強(qiáng)比的影響

張瑞芳，許 吉，馮鑫明，趙 帆，張志豪?

1) 北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院，北京 100083 2) 材料先進(jìn)制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

鋁合金的密度較小，且具有良好的強(qiáng)度、塑性、韌性、耐腐蝕性和較低的密度，從而被廣泛應(yīng)用于汽車車身零件和飛機(jī)機(jī)身零件[1-5].其中，可熱處理強(qiáng)化的6XXX 系鋁合金，即Al-Mg-Si 合金，因具有足夠的使用強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕性和良好的可回收性等優(yōu)異性能而被廣泛用于汽車行業(yè)[6-9].該類合金經(jīng)固溶后在室溫下易發(fā)生自然時(shí)效（Natural aging，NA），此工藝下塑性較好，但強(qiáng)度較低.因此，常通過人工時(shí)效（Artificial aging，AA）來提高其強(qiáng)度，常見的人工時(shí)效溫度范圍為170～190 °C.回歸再時(shí)效（Retrogression and re-ageing，RRA）是一種三級(jí)時(shí)效熱處理工藝，即試樣先進(jìn)行預(yù)時(shí)效（Preageing，PA），隨后在高于預(yù)時(shí)效溫度但低于固溶溫度的溫度下進(jìn)行短時(shí)回歸處理（Retrogression ageing，REA）并水淬，再進(jìn)行二次人工時(shí)效（Re-ageing，RA）[10].6013 鋁合金具有較高的強(qiáng)度和良好的斷裂韌性，被廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板、行李箱蓋外板和機(jī)身蒙皮板等零部件.對(duì)于汽車或飛機(jī)零件用鋁合金，在零件成形時(shí)，要求其具有較好的塑性成形能力，如彎折成形等.在零件服役時(shí)，要求材料具有較高的抗變形能力.上述性能要求主要取決于材料的屈強(qiáng)比，即屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值.低的屈強(qiáng)比表明鋁合金從開始產(chǎn)生塑性變形到最后斷裂的形變量越大，成形性能好，而高的屈強(qiáng)比則意味著材料的服役安全性好.

6013 鋁合金是可熱處理強(qiáng)化型合金.合金的主要析出強(qiáng)化相是Mg2Si 相[11-12]，Mg2Si 析出強(qiáng)化相的形態(tài)、大小和分布對(duì)合金的力學(xué)性能影響較大，而析出相的形態(tài)、大小和分布很大程度上又受合金固溶、時(shí)效等熱處理工藝的影響[13-16].本文研究了自然時(shí)效、單級(jí)人工時(shí)效和回歸再時(shí)效工藝對(duì)6013 鋁合金性能，尤其是屈強(qiáng)比的影響，旨在通過不同的時(shí)效工藝在材料成形前和成形后獲得不同的屈強(qiáng)比，從而滿足鋁合金零件的成形性能和服役性能要求.

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料選擇厚度為5 mm 的商用6013 鋁合金擠壓板條，合金化學(xué)成分為Al-0.914Si-0.828Mg-0.818Cu-0.255Mn-0.15Fe-0.019Zn（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）.將所有試樣在550 °C 下固溶處理30 min 后水冷，將水冷后的試樣在人工時(shí)效溫度為170、180 和190 °C 三個(gè)溫度和自然時(shí)效室溫下進(jìn)行時(shí)效處理，通過測試不同時(shí)效時(shí)間試樣的硬度確定峰值時(shí)效時(shí)間.為了進(jìn)一步提高材料的服役性能，本文對(duì)自然時(shí)效峰值后的試樣進(jìn)行回歸再時(shí)效，研究顯微組織和力學(xué)性能的變化，回歸溫度為200 和210 °C，回歸時(shí)間為0.5 h，回歸處理后水冷，再將試樣于170 °C 時(shí)效不同時(shí)間以確定峰值時(shí)效時(shí)間.以下自然時(shí)效試樣標(biāo)記為NA，人工時(shí)效試樣標(biāo)記為AA，回歸試樣標(biāo)記為REA，再時(shí)效試樣標(biāo)記為RA.

采用VTD512 型顯微硬度計(jì)測試時(shí)效后試樣的硬度，實(shí)驗(yàn)加載載荷為500 g，加載時(shí)間為15 s.為避免測量誤差，文中所用硬度值為5 個(gè)實(shí)驗(yàn)值的平均值.試樣拉伸性能采用萬能電子拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試，初始拉伸速率設(shè)為1 mm·min-1，試樣尺寸見圖1，結(jié)果為3 個(gè)實(shí)驗(yàn)值的平均值.采用三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)試樣的抗彎曲性能，在壓頭直徑為10 mm，支輥間距為80 mm 的電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，壓下速度均為10 mm·min-1，樣品為180 mm×40 mm×2 mm 的板材.利用XRD 射線衍射儀進(jìn)行物相檢測分析，測量角度為20°～60°，掃描速率為10°·min-1.采用JEOL JSM 7100F 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡和FEI Tecnai G2 F20 型透射電子顯微鏡對(duì)時(shí)效后的形貌進(jìn)行觀察，SEM 試樣采用Graff 試劑（1 mL HF+16 mL HNO3+3 g CrO3+83 mL 蒸餾水）浸蝕1 min，TEM 試樣采用離子減薄法制備.

圖1 板狀拉伸試樣（單位: mm）Fig.1 Plate tensile sample (unit: mm)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 單級(jí)時(shí)效工藝對(duì)6013 鋁合金力學(xué)性能的影響

不同單級(jí)時(shí)效工藝處理的6013 鋁合金硬度-時(shí)間曲線如圖2 所示.在給定的時(shí)效溫度下，隨著時(shí)效時(shí)間的延長，合金的硬度在初始階段均呈現(xiàn)升高的現(xiàn)象，而后趨于平穩(wěn)；值得注意的是，隨著時(shí)效溫度升高，時(shí)效硬化速度加快，硬度達(dá)到峰值所需時(shí)間縮短.在170 °C 時(shí)效11 h、180 °C 時(shí)效8 h和190 °C 時(shí)效5 h 時(shí)，硬度均達(dá)到148 HV 左右；而自然時(shí)效下需16 d 合金硬度才能達(dá)到峰值，且峰值硬度為123 HV，低于人工時(shí)效的峰值硬度.

圖2 單級(jí)時(shí)效硬度變化曲線.(a)人工時(shí)效；(b)自然時(shí)效Fig.2 Hardness curves of one-step aging: (a) artificial aging;(b) natural aging

圖3 為不同峰值時(shí)效制度下合金的單向拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，表1 為相應(yīng)的拉伸性能測試結(jié)果.由表1 可以看出，單級(jí)人工時(shí)效峰值下的合金抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)到353 MPa，屈服強(qiáng)度可達(dá)293 MPa，屈強(qiáng)比較高，約為0.84；而自然時(shí)效峰值狀態(tài)下抗拉強(qiáng)度最高僅為286 MPa，屈服強(qiáng)度也僅僅達(dá)到158 MPa，屈強(qiáng)比較低，為0.54.

圖3 單級(jí)時(shí)效峰值狀態(tài)下材料的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Engineering stress-strain curves under peak aging conditions

不同時(shí)效狀態(tài)試樣的三點(diǎn)彎曲失效實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示，圖4（a）中190 °C 人工時(shí)效的兩個(gè)試樣在壓下量為25 mm 時(shí)就已經(jīng)出現(xiàn)開裂，而自然時(shí)效試樣在壓下量為35 mm 時(shí)仍未開裂，該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也驗(yàn)證了表1 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：相比人工時(shí)效試樣，自然時(shí)效試樣具有較低的屈強(qiáng)比和較大的斷后伸長率，這有利于彎折、沖壓等后續(xù)加工.

表1 峰值時(shí)效狀態(tài)下的單向拉伸性能Table 1 Uniaxial tensile properties under peak aging conditions

圖4 彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果.(a)人工時(shí)效;(b)自然時(shí)效Fig.4 Bending experiment results: (a) artificial aging;(b) natural aging

2.2 回歸再時(shí)效工藝對(duì)6013鋁合金力學(xué)性能的影響

圖5 為試樣在不同回歸溫度下再時(shí)效時(shí)的硬度-時(shí)間變化曲線.合金均在室溫下放置16 d 作為預(yù)時(shí)效工藝，結(jié)合圖5 可見，回歸時(shí)的溫度越高，再時(shí)效時(shí)硬度到達(dá)峰值所需時(shí)間越短；回歸溫度為210 °C 下再時(shí)效僅需2 h 硬度便可達(dá)到硬度峰值150 HV，而回歸溫度為200 °C 時(shí)，則需在170 °C下保溫5 h 才能達(dá)到硬度峰值148 HV.選擇硬度峰值狀態(tài)下的試樣進(jìn)行單向拉伸實(shí)驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)分別如圖6 和表2 所示.預(yù)時(shí)效后經(jīng)210 °C 回歸而后在170 °C 下保溫2 h 的合金抗拉強(qiáng)度可達(dá)到362 MPa，遠(yuǎn)高于自然時(shí)效峰值下的286 MPa，略高于單級(jí)人工時(shí)效190 °C 峰值下的353 MPa；且其屈服強(qiáng)度為336 MPa，顯著高于單級(jí)人工時(shí)效190 °C峰值狀態(tài)下的293 MPa；屈強(qiáng)比為0.92，也顯著高于單級(jí)人工時(shí)效峰值狀態(tài)下的0.84.

圖5 回歸再時(shí)效硬度變化曲線Fig.5 Hardness change curves after retrogression and re-aging

圖6 回歸再時(shí)效峰值狀態(tài)下的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Engineering stress-strain curves after the retrogression and reaging peak

2.3 不同峰值時(shí)效工藝下的斷口形貌

圖7 為不同峰值時(shí)效狀態(tài)下的拉伸斷口形貌，6013 鋁合金在不同時(shí)效峰值狀態(tài)下的斷口韌窩均較深且密集，為典型的韌性斷裂形貌.進(jìn)一步觀察三個(gè)不同熱處理工藝下的斷口，發(fā)現(xiàn)自然時(shí)效峰值狀態(tài)下的韌窩均勻且較深，190 °C 保溫5 h 的韌窩相對(duì)較淺，而回歸再時(shí)效工藝下的更淺，這表明材料的塑性在逐漸降低，與表1 和表2 中所測得的斷后伸長率變化是一致的.

表2 回歸再時(shí)效峰值狀態(tài)下的單向拉伸性能Table 2 Uniaxial tensile properties after the retrogression and re-aging peak

圖7 不同峰值時(shí)效狀態(tài)下的斷口形貌.(a)自然時(shí)效16 d；(b)190 °C人工時(shí)效5 h；(c)自然時(shí)效16 d-210 °C 回歸處理0.5 h-170 °C 再時(shí)效2 hFig.7 Fracture morphology under different peak aging conditions:(a) NA 16 d;(b) AA 190 °C/5 h;(c) NA 16 d-REA 210 °C/0.5 h-RA 170 °C/2 h

2.4 不同峰值時(shí)效工藝對(duì)析出相的影響

采用X 射線衍射圖譜對(duì)三種不同峰值時(shí)效的試樣進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖8 所示.自然時(shí)效峰值時(shí)Mg2Si 析出相的峰強(qiáng)并不明顯，但當(dāng)時(shí)效溫度升高時(shí)，即190 °C 時(shí)效峰值時(shí)衍射峰略有增強(qiáng)；當(dāng)試樣在210 °C 回歸再時(shí)效峰值時(shí)衍射峰強(qiáng)度最大.另外，在190 °C 峰值時(shí)效和回歸再時(shí)效峰值工藝下均有Fe2Al3Si3的衍射峰出現(xiàn).

圖8 不同時(shí)效峰值狀態(tài)下的X 射線衍射圖.(a)自然時(shí)效16 d；(b)190 °C 人工時(shí)效5 h；(c)自然時(shí)效16 d-210 °C 回歸處理0.5 h-170 °C 再時(shí)效2 hFig.8 XRD patterns of different peak aging states: (a) NA 16 d;(b) AA 190 °C/5 h;(c) NA 16 d-REA 210 °C/0.5 h-RA 170 °C/2 h

三種不同時(shí)效工藝峰值時(shí)效時(shí)拉伸樣表面的SEM 形貌如圖9 所示.圖9 中可以看出有明顯的白色（箭頭A 所指）和灰色（箭頭B 所指）兩種顆粒，經(jīng)EDS 分析可知，白色顆粒為鋁鐵相，灰色為主要析出強(qiáng)化相Mg2Si.其中白色顆粒為無規(guī)則形狀，無明顯的分布規(guī)律；灰色顆粒形多為橢圓形.圖中可以看出，在人工時(shí)效峰值和回歸再時(shí)效峰值狀態(tài)下黑色顆粒有增多的現(xiàn)象，考慮到設(shè)備的局限性，需用TEM 來進(jìn)一步表征.

圖9 不同時(shí)效峰值狀態(tài)下的SEM 分析結(jié)果.(a)自然時(shí)效16 d；(b)190 °C 人工時(shí)效5 h；(c)自然時(shí)效16 d-210 °C 回歸處理0.5 h-170 °C 再時(shí)效2 h；(d)A 相的EDS 能譜；(e)B 相的EDS 能譜Fig.9 SEM analysis results of different peak aging states: (a) NA 16 d;(b) AA 190 °C/5 h;(c) NA 16 d-REA 210 °C/0.5 h-RA 170 °C/2 h;(d) EDS spectra of A phases;(e) EDS spectra of B phases

圖10 為試樣三種峰值時(shí)效工藝下析出相的TEM 圖.結(jié)合圖10 可以看出，三種不同工藝下存在4 種析出相.在自然時(shí)效狀態(tài)下，析出相數(shù)量較少，多數(shù)為球狀；190 °C 單級(jí)時(shí)效峰值下析出相數(shù)量和類型增多，形狀除了球狀外也存在少數(shù)的棒狀；而合金經(jīng)過回歸再處理后，析出相數(shù)量劇增；對(duì)灰色顆粒（箭頭所指）進(jìn)行電子衍射斑分析，可確認(rèn)淺灰色圓形析出相為Mg2Si 且為面心立方結(jié)構(gòu).通過測量統(tǒng)計(jì)可得出自然時(shí)效峰值狀態(tài)下Mg2Si相的平均尺寸約為120 nm，體積占比為0.3%，而在190 °C 單級(jí)人工時(shí)效峰值狀態(tài)下約為100 nm，體積占比為0.65%；210 °C 回歸再時(shí)效峰值狀態(tài)下試樣析出相的平均尺寸略小，約為95 nm，體積占比為0.76%.

圖10 不同時(shí)效峰值狀態(tài)下析出相的TEM 形貌及電子衍射分析結(jié)果.(a,d)自然時(shí)效16 d；(b,e)190 °C 人工時(shí)效5 h；(c,f)自然時(shí)效16 d-210°C 回歸處理0.5 h-170 °C 再時(shí)效2 hFig.10 TEM morphologies and electron diffraction patterns of precipitation after different peak agings: (a,d) NA 16 d;(b,e) AA 190 °C/5 h;(c,f) NA 16 d-REA 210 °C/0.5 h-RA 170 °C/2 h

3 分析討論

合金屈強(qiáng)比的大小主要受材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響.6013 鋁合金自然時(shí)效狀態(tài)下屈強(qiáng)比為0.54，而在190 °C 峰值時(shí)效為0.84；自然時(shí)效峰值狀態(tài)下的試樣經(jīng)過回歸再時(shí)效工藝后，屈強(qiáng)比可達(dá)0.92.由表1 和表2 可知，無論是單級(jí)人工時(shí)效還是回歸再時(shí)效熱處理，均是通過大幅度提高屈服強(qiáng)度從而增強(qiáng)了材料的屈強(qiáng)比，經(jīng)過人工單級(jí)時(shí)效的試樣其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均明顯增大，但抗拉強(qiáng)度增幅為23%，屈服強(qiáng)度增幅約為85%；回歸再時(shí)效處理的試樣，抗拉強(qiáng)度相對(duì)于人工單級(jí)時(shí)效無明顯增大，但屈服強(qiáng)度大幅度增大，從而突破了單級(jí)人工時(shí)效的屈強(qiáng)比極限.結(jié)合圖9和圖10，與自然時(shí)效相比，人工單級(jí)時(shí)效和回歸再時(shí)效處理均可有效增強(qiáng)析出相Mg2Si 的析出，使其尺寸變小，分散更均勻.回歸再時(shí)效處理的6013 鋁合金的析出相尺寸最小、體積分?jǐn)?shù)最大，從而使得6013 鋁合金屈服強(qiáng)度增幅更大，屈強(qiáng)比更大，服役性能更好.

6013 鋁合金的時(shí)效工藝參數(shù)對(duì)析出相的尺寸與數(shù)量有顯著影響，從而影響析出強(qiáng)化效果，而析出強(qiáng)化對(duì)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響程度不同，因此可以通過改變時(shí)效工藝參數(shù)來調(diào)整6013 鋁合金的屈強(qiáng)比.對(duì)于6013 鋁合金而言，其主要強(qiáng)化析出相為Mg2Si，主要時(shí)效析出序列為：GP 區(qū)（Mg、Si 原子偏聚區(qū)）→β′′→β′→β[17-19]，β-Mg2Si 相是合金的主要強(qiáng)化相，且β 相與基體呈非共格關(guān)系，呈顆粒狀，晶格為面心立方結(jié)構(gòu)[20-22].合金淬火后形成過飽和空位，溶質(zhì)原子鎂和硅與空位聚集，形成原子團(tuán)簇，團(tuán)簇對(duì)基體起到了剪切作用，這是硬度在自然時(shí)效和單級(jí)人工時(shí)效初期增加的原因.對(duì)于自然時(shí)效來說，由于溫度較低，隨著時(shí)間的延長，原子不適合長距離擴(kuò)散，導(dǎo)致溶質(zhì)原子和空位不斷被消耗，所以原子團(tuán)簇形成變緩，形核困難，只有少數(shù)能完成析出序列且所需時(shí)間較長；同理，在人工時(shí)效狀態(tài)下，時(shí)效溫度越高，溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)越大，析出相長大速率越大，最終析出的穩(wěn)定相數(shù)量也越多，強(qiáng)度越高，這也是在190 °C 保溫5 h 后析出相數(shù)量較多的原因.然而，對(duì)自然時(shí)效態(tài)試樣進(jìn)行回歸處理，由于溫度升高，GP 區(qū)會(huì)重新回溶于基體；再時(shí)效時(shí)，由于溫度較高，會(huì)再次析出大量彌散細(xì)小的強(qiáng)化相[23].

6013 鋁合金的主要強(qiáng)化相為納米級(jí)的β-Mg2Si 相，這些彌散分布的析出相對(duì)位錯(cuò)會(huì)起到釘扎作用.對(duì)于這些晶內(nèi)的細(xì)小析出相，彌散程度越高，對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)的阻滯、釘扎作用越明顯，從而增加金屬的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)會(huì)降低合金的塑性[24].根據(jù)位錯(cuò)理論[25-26]，當(dāng)位錯(cuò)切過第二相粒子時(shí)，由析出強(qiáng)化機(jī)制對(duì)強(qiáng)度的影響可以用Orowan方程表示，見式(1):

其中，M為泰勒因子值為3，β為接近0.5 的常數(shù)，G為剪切模量27 GPa[27]，fp為體積分?jǐn)?shù)，rp為析出相半徑.結(jié)合圖10 所得的相尺寸，經(jīng)計(jì)算得出析出相自然時(shí)效峰值時(shí)的屈服強(qiáng)度為141 MPa（實(shí)測值158 MPa，相對(duì)誤差為12%）；190 °C 時(shí)效峰值時(shí)為258 MPa（實(shí)測值293 MPa，相對(duì)誤差為13.6%）；210 °C 回歸再時(shí)效峰值后合金的屈服強(qiáng)度為294 MPa（實(shí)測值336 MPa，相對(duì)誤差為12.5%），計(jì)算所得材料在不同熱處理工藝下屈服強(qiáng)度的變化趨勢與實(shí)驗(yàn)所測量的一致.彌散顆粒的直徑越小，數(shù)量越多，對(duì)強(qiáng)度影響越大.綜上所述，高的時(shí)效溫度使得溶質(zhì)擴(kuò)散速度加快，對(duì)6013 鋁合金的時(shí)效參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，可使自然峰值狀態(tài)下的合金經(jīng)過回歸再時(shí)效后力學(xué)性能超過單級(jí)人工時(shí)效峰值.

4 結(jié)論

(1) 6013 鋁合金在自然時(shí)效狀態(tài)下抗拉強(qiáng)度為286 MPa，屈服強(qiáng)度為158 MPa，屈強(qiáng)比低至0.54適合塑性加工.

(2) 以自然時(shí)效峰值狀態(tài)下的試樣為預(yù)試樣，經(jīng)過回歸再時(shí)效處理后力學(xué)性能大幅度提高，硬度從124 HV 提高到150 HV；抗拉強(qiáng)度從286 MPa 提高到362 MPa，屈服強(qiáng)度從158 MPa 提高至336 MPa.回歸再時(shí)效相對(duì)于單級(jí)人工時(shí)效，可更大幅度增強(qiáng)材料的屈服強(qiáng)度，從而突破單級(jí)人工時(shí)效下6013鋁合金的屈強(qiáng)比極限.

(3) 6013 鋁合金的屈服強(qiáng)度主要受析出相（Mg2Si）的影響，時(shí)效溫度越高，溶質(zhì)原子的析出速度越快，析出相的數(shù)量也較多.回歸再時(shí)效狀態(tài)下，6013 鋁合金的析出相尺寸減小，析出相的數(shù)密度增大，呈現(xiàn)均勻的彌散分布，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到的阻力更大，導(dǎo)致強(qiáng)度升高，屈強(qiáng)比增大.