預(yù)拉伸變形對(duì)6016鋁合金顯微組織及性能的影響

孫中國(guó)，王如川，崔立治，田 斌，冉凡青

（天津忠旺鋁業(yè)有限公司，武清 301700）

0 前言

近年來(lái)，隨著新能源汽車的迅速發(fā)展，對(duì)輕量化材料的需求越來(lái)越迫切。鋁合金因其質(zhì)輕，比強(qiáng)度高，良好的沖壓性，易回收等優(yōu)點(diǎn)，許多國(guó)家都致力于鋁合金在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用研究，并將鋁合金推廣應(yīng)用到汽車內(nèi)板、外板、零部件、電池殼體等部位[1-3]。其中，Al-Mg-Si系合金因T4/T4P態(tài)具有良好的沖壓成形性，烤漆后具有較高的強(qiáng)度等特點(diǎn)，成為汽車用外板的首選材料[3-4]。材料沖壓后，每個(gè)部位的變形是不一致的，有的變形量較大，有的變形量較小，材料對(duì)應(yīng)位置的組織、性能及表面質(zhì)量也會(huì)不同。本文選用6016材料，在經(jīng)過(guò)氣墊爐生產(chǎn)線固溶淬火及預(yù)時(shí)效處理后進(jìn)行不同預(yù)拉伸處理，分析材料金相、力學(xué)性能、表面羅平線與拉伸變形量之間的關(guān)系，為研究6016汽車板沖壓后不同變形量位置的材料性能、組織及特性提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

本試驗(yàn)所用合金為6016合金冷軋板帶，合金成分如表1所示。將實(shí)驗(yàn)材料在氣墊淬火線進(jìn)行540℃/20 s固溶處理后立即風(fēng)冷淬火，隨后在生產(chǎn)線的預(yù)時(shí)效爐進(jìn)行預(yù)時(shí)效處理。卷曲溫度為80℃，并自然冷卻至室溫。停放1個(gè)月后，取樣對(duì)材料分別進(jìn)行0%、2%、4%、8%、12%和16%不同程度的預(yù)拉伸處理，拉伸方向垂直于軋制方向。并對(duì)已拉伸的材料在熱處理期間進(jìn)行185℃/20 min的熱處理模擬烤漆。

表1 試驗(yàn)用6016鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

按照GB/T 228.1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，對(duì)其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷裂延伸率進(jìn)行測(cè)量。按照GB/T 3246.1對(duì)試樣進(jìn)行金相制樣，并用光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣縱截面的晶粒組織進(jìn)行觀察與測(cè)量。材料預(yù)拉伸后，用320目油石在鋁板表面進(jìn)行單向打磨。

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6016合金經(jīng)過(guò)不同預(yù)拉伸后的金相組織，測(cè)試方向平行于拉伸方向。如圖1（a）所示，固溶態(tài)組織已經(jīng)完全再結(jié)晶，晶粒為等軸球狀，平均晶粒尺寸為50μm。隨著預(yù)拉伸量的增加，外加載荷不斷增加，材料開(kāi)始發(fā)生塑性變形，晶粒組織沿著預(yù)拉伸的方向有逐漸伸長(zhǎng)的趨勢(shì)。拉伸小于4%時(shí)，明顯不變化；拉伸8%時(shí)能夠看到有輕微的變形；拉伸為16%時(shí)晶粒變形很明顯，呈現(xiàn)橢圓狀。

圖1 不同預(yù)拉伸量下的金相組織

2.2 預(yù)拉伸對(duì)表面形貌的影響

6×××系鋁合金經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸后表面會(huì)出現(xiàn)羅平線，主要跟材料內(nèi)部立方織構(gòu)、高斯織構(gòu)有關(guān)。已有報(bào)告表明在冷軋軋制過(guò)程中易產(chǎn)生立方織構(gòu)、高斯織構(gòu)。這兩種織構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，容易沿著軋制方向產(chǎn)生，并將此結(jié)構(gòu)遺傳至固溶后的材料。材料在垂直軋制方向拉伸時(shí)，立方織構(gòu)較軟容易變形減薄，但是高斯織構(gòu)偏硬不易減薄。如果軟硬取向不同的晶粒經(jīng)過(guò)拉伸后就會(huì)形成軟硬不同的帶狀結(jié)構(gòu)，并出現(xiàn)羅平線[5-6]。

圖2為材料經(jīng)過(guò)不同預(yù)拉伸后的表面形貌?？芍牧辖?jīng)過(guò)2%預(yù)拉伸后，材料表面形貌已出現(xiàn)變化，隱約可以看到縱向紋路，并且隨著預(yù)拉伸的逐步遞增，表面羅平線的輪廓逐漸趨于明顯。16%預(yù)拉伸時(shí)最清晰，紋路間距基本保持一致。Y.Shi[5]研究表明，材料內(nèi)部織構(gòu)的不均勻分布會(huì)造成不均勻的塑性變形，羅平線在低應(yīng)變下就會(huì)出現(xiàn)，高應(yīng)變時(shí)不會(huì)改變材料的羅平紋的輪廓，但是會(huì)增加輪廓的深度及幅度。

圖2 不同預(yù)拉伸量下的羅平線形貌

2.3 預(yù)拉伸對(duì)T4力學(xué)性能的影響

圖3和圖4是材料在不同拉伸變形量下力學(xué)性能的變化趨勢(shì)。從圖中可以看出，隨著預(yù)拉伸變形量的增加，材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度近似拋物線形增加，屈服強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度較抗拉強(qiáng)度大，增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變??；延伸率、n值下降趨勢(shì)明顯，r值基本保持不變。預(yù)拉伸前材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷裂 延伸 率、n10、r10分 別為220 MPa、111 MPa、28.3%、0.29、0.63；經(jīng)過(guò)16%預(yù)拉伸后，分別為256 MPa、240 MPa、12.9%、0.09、0.62?？估瓘?qiáng)度增長(zhǎng)36 MPa，屈服強(qiáng)度增長(zhǎng)129 MPa，延伸率降低15.4%，n值降低0.2。這可能是因?yàn)轭A(yù)拉伸發(fā)生塑性變形，造成內(nèi)部組織的位錯(cuò)密度增加。位錯(cuò)的交互作用及在晶界堆積會(huì)造成滑移困難，使變形抗力增加，達(dá)到加工硬化的效果[7-8]。同時(shí)材料的基體含有析出相，當(dāng)施加外力產(chǎn)生變形并逐步增大變形時(shí)，析出相會(huì)逐漸細(xì)化，并在位錯(cuò)位置析出顆粒，產(chǎn)生析出強(qiáng)化作用[9]。兩種效果疊加造成強(qiáng)度增加，屈強(qiáng)比變大，延伸率降低。

圖3 不同預(yù)拉伸量下T4態(tài)為力學(xué)性能的變化

圖4 不同預(yù)拉伸量下n10、r10的變化（T4態(tài)）

從曲線可以看出，試樣經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸處理后，材料的力學(xué)性能與拉伸變形量有很好的函數(shù)關(guān)系，其中抗拉強(qiáng)度與拉伸變形量的關(guān)系為：

式中Y為抗拉強(qiáng)度，Z為屈服強(qiáng)度，A為延伸率，X為拉伸變形量。

2.4 預(yù)拉伸對(duì)烤漆性能的影響

6×××汽車外板經(jīng)過(guò)沖壓成形后，通常需要通過(guò)烤漆硬化提高強(qiáng)度，烤漆溫度為185℃，保溫20 min。圖5為材料經(jīng)過(guò)不同預(yù)拉伸處理及烤漆后材料的性能變化曲線。由圖可知，不同拉伸變形量6016合金經(jīng)過(guò)烘烤處理后，隨著預(yù)拉伸量增加，材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度保持上升趨勢(shì)，延伸率成線性下降，拉伸為16%時(shí)，強(qiáng)度不再增加并開(kāi)始呈下降的趨勢(shì)。無(wú)拉伸時(shí)，烤漆后抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng) 度、延 伸 率 分 別 為262 MPa、1770 MPa、21.3%；經(jīng)過(guò)16%預(yù)拉伸并烤漆后分別為289 MPa、247 MPa、13.7%，延伸率較烤漆前的12.9%反而有所提升。

抗拉強(qiáng)度與拉伸變形量的關(guān)系為：

式中Y為抗拉強(qiáng)度，Z為屈服強(qiáng)度，A為延伸率。

圖5烤漆后不同預(yù)拉伸量下材料性能變化

圖6 為經(jīng)過(guò)不同預(yù)拉伸處理的材料經(jīng)過(guò)烤漆處理后抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度的增量。由圖可知，材料的抗拉強(qiáng)度增量先增加后降低，屈服強(qiáng)度一直為下降趨勢(shì)。無(wú)預(yù)拉伸烤漆后抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度增量分別為42 MPa，66 MPa，延伸率降低7%；16%預(yù)拉伸烤漆后抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度增量分別為33 MPa和7 MPa，延伸率增加0.8%。隨著拉伸量增加，烤漆強(qiáng)化效果有減弱趨勢(shì)，這主要是由于大變形會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)過(guò)高，局部區(qū)域發(fā)生位錯(cuò)纏結(jié)，強(qiáng)化相的析出不夠均勻，限制了強(qiáng)度提升。并且大變形量合金在烘烤處理過(guò)程中會(huì)發(fā)生回復(fù)，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)中相互抵消并消耗部分能量，減小部分強(qiáng)化相的析出，造成烤漆強(qiáng)化效果減弱，強(qiáng)度增量降低；同時(shí)錯(cuò)密度降低為提升合金的塑性起到積極作用[10-11]。

圖6 不同預(yù)拉伸量下烤漆后抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度增量變化

3 結(jié)論

試驗(yàn)研究了6016鋁合金經(jīng)過(guò)不同預(yù)拉伸處理后，材料的晶粒、表面及性能的演變，主要結(jié)論如下：

（1）預(yù)拉伸能夠改變晶粒形貌，隨著拉伸量的增加，晶粒逐漸由再結(jié)晶等軸狀轉(zhuǎn)變?yōu)槔L(zhǎng)的橢圓狀。

（2）預(yù)拉伸能夠改變羅平線輪廓的清晰度，拉伸量越大，羅平線越明顯。

（3）材料烤漆前后的力學(xué)性能與預(yù)拉伸變形量有很好的函數(shù)關(guān)系，其中強(qiáng)度、n值與其為拋物線關(guān)系，延伸率為直線關(guān)系。