預應變和預時效對Al-Mg-Si合金烘烤硬化性能的影響

徐歡歡，張志清，吳賽楠，黃光杰

(重慶大學 材料科學與工程學院，重慶400030)

近年來，Al-Mg-Si合金由于其出色的輕量化、抗腐蝕性、優良的成形性和烘烤硬化性能，作為汽車車身板材得以廣泛應用[1?2]。通過適當的熱處理工藝來控制板材烘烤前的強度，以便合金具有良好的成形性，而經烘烤后提高強度，滿足車身板強度要求。常規的T4狀態的6xxx系鋁合金薄板由于自然時效硬化，烘烤前強度較高，不利于沖壓成形。且受烘烤時間的限制，時效后處于欠時效狀態，不能有效提高車身構件的強度[3?4]。

已有研究表明[5?8]，固溶淬火后進行預時效處理能有效提高板材的烘烤硬化性能，預時效可以改變合金的析出特性，從而抑制自然時效過程中原子團簇的形成，加速烘烤過程中β″相的析出。另外，預應變對于沉淀相的形核和長大的激活能有很大影響[9?10]，固溶淬火后引入預應變同樣能有效抑制自然時效過程中原子團簇的形成，加快烘烤時β″相的形成速度，提高烘烤硬化性能[11?12]。目前，關于單純采用預時效和預應變抑制自然時效，提高烘烤強度的研究較多，但采用預應變結合預時效的預處理工藝后，對材料性能變化及與微觀組織結構間關系的研究工作還未見大量報道。

本文作者通過比較6016鋁合金經170 ℃預時效3，5，10 min、和5%預應變及預應變后預時效3種預處理工藝對自然時效及烘烤硬化的影響，研究預應變后預時效的預處理工藝的作用及最佳預處理工藝。

1 實驗

實驗材料成分如表1所列。合金鑄錠經均勻化退火、熱軋和冷軋得到1.2 mm厚板材。經(550 ℃，30 min)固溶處理后水淬。將試樣分為4類：固溶試樣、預時效試樣、預應變試樣、預應變后預時效試樣。固溶試樣為固溶水淬后沒有任何預處理的試樣；預時效試樣經固溶水淬后在170 ℃預時效3、5、10 min；預應變試樣經固溶水淬后預應變 5%；預應變后預時效試樣經固溶水淬及5%預應變后在170 ℃預時效3、5、10 min。所有試樣均在室溫下自然時效10 d后在180 ℃烘烤30 min。試樣命名原則如下：PSxPAy，表示預應變x%，預時效y min。例如PS0PA5表示預應變0%、預時效5 min的試樣(即預時效試樣)，PS5PA5表示預應變 5%加預時效 5 min的試樣(即預應變后預時效試樣)。

表1 AA6016合金化學成分Table 1 Chemical compositions of AA6016 alloy (mass fraction,%)

按照 HGBT228—2002標準制備拉伸試樣，標距寬度和長度是4和25 mm。拉伸試驗在計算機控制的型號為SHIMADZU AG-X 10KN拉伸儀上進行。硬度測試使用MH?3型顯微硬度儀，載荷質量500 g，加載持續時間為 15 s。DSC(Differential scanning calorimeter，示差掃描量熱法)在 METTLED 公司的TGA/DSC1/1100LF型上進行，通入氬氣保護，升溫速率是10 ℃/min。

2 結果與分析

2.1 預處理工藝對自然時效的抑制

圖1(a)所示為固溶試樣和預時效試樣在自然時效過程中的硬度變化曲線。固溶樣品在固溶淬火后的硬度為(47.71±0.81)HV，經 240 h自然時效增長到(74.38±1.28)HV，在前24 h內顯著增加，到96 h趨于平緩。自然時效過程中硬度的增加表明合金中形成大量的原子團簇和部分GP區[13?15]。

圖1 預處理對自然時效過程中硬度變化的影響Fig.1 Effect of pre-treatments on hardness change during natural ageing: (a)Solution treated sample and pre-aged alone samples; (b)Solution treated sample, pre-strained alone sample and pre-strained and pre-aged samples

預時效試樣硬度較固溶試樣硬度有一定程度增加，預時效時間越長，硬度增加越大。預時效試樣在自然時效過程中，硬度增加緩慢，預時效10 min的試樣的硬度變化最小。可以看出，預時效試樣的自然時效受到抑制，但由于試樣在進行預時效處理時的硬度增加較大，預時效10 min的試樣烘烤前的硬度較高，為(81.16±0.49)HV，大于固溶試樣 T4態的硬度，對烤漆前的成形性有不利影響。預時效過程中形成大尺寸的GP-I區，緩解了基體溶質原子的過飽和度，自然時效過程中原子團簇的形成減少，自然時效受到抑制[5]。這在后面的DSC曲線分析中得到印證。

圖1(b)所示為固溶試樣、預應變試樣及預應變后預時效試樣的自然時效硬度變化曲線。進行 5%預應變后的試樣硬度較固溶試樣硬度亦有不同程度增加，預應變試樣在前24 h內增加較快，經240 h自然時效增加到(80.67±0.72)HV，對自然時效的抑制并不明顯。預應變后預時效試樣在自然時效過程中硬度變化很小，其自然時效后的硬度均低于預應變試樣的硬度。以上所述表明，在預時效前加入預應變可進一步抑制自然時效，同時預時效能減弱由預應變帶來的位錯強化，在240 h自然時效后，預應變后預時效試樣的硬度只略高于固溶試樣 T4態的硬度，對合金沖壓成形的影響不大。

圖2所示為不同預處理條件對在自然時效和烘烤硬化過程中硬度變化的影響。從圖2中可以看出，自然時效中硬度增加值為白色部分，隨預時效時間的延長，預時效試樣在自然時效過程中硬度增幅減小，對自然時效的抑制作用越來越明顯。預時效10 min的試樣，對自然時效的抑制作用最明顯，但由于預時效時間過長，自然時效后硬度偏高，不利于烘烤前的沖壓成型。在預時效前加入 5%預應變后，試樣硬度增加值較預時效試樣更小，進一步抑制了自然時效，且隨預時效時間的延長，抑制作用更顯著，其中PS5PA10的硬度僅增加了7.82HV。

圖2 預處理對自然時效和烘烤過程中硬度變化的影響Fig.2 Effect of pre-treatments on hardness change during natural ageing and baking

2.2 預處理工藝對烘烤性能的提高

從圖2可以看出，烘烤過程中硬度增加值為陰影部分，固溶試樣的烘烤硬化效果很有限，僅為1.36HV，預應變試樣的烘烤硬化效果不明顯，預時效及預應變后預時效樣品的烘烤硬化效果顯著增強，PS0PA5和PS5PA5的硬度分別增加了30.41HV和31.88HV。由此可見，預時效對于烘烤過程中硬度的提高有關鍵作用，經預時效5 min的試樣的烘烤硬化效果均較好。固溶試樣在自然時效過程中形成原子團簇和尺寸較小的GP區沒有達到β″相臨界核的尺寸，在烘烤時先發生溶解再形成β″相，致使β″相達到峰值時效的時間推后。所以試樣經180 ℃烘烤30 min后并沒有達到β″相時效峰值，時效尚不充分，烘烤硬化效果十分有限。而預時效中形成的大尺寸GP區在烘烤時直接形成β″相核心，縮短了 β″相的峰值時效時間，烘烤效果更好[16?18]。

圖3所示為試樣在不同預處理條件下烘烤前后屈服強度變化柱狀圖，表2所列為烘烤前后樣品的伸長率及其變化。從圖3可以看出，烘烤過程中屈服強度增加值為陰影部分，固溶試樣烘烤前后的屈服強度無明顯變化；預時效5 min的試樣有明顯的烘烤效果，烘烤后強度增大了66.82 MPa，且烘烤前的強度較固溶試樣低，自然時效受到抑制；隨著預時效時間的延長，烘烤效果更好。但是預時效10 min時，合金中會形成較多的β″強化相，烘烤前屈服強度偏高，影響了板材的成形性，且從表2可知，預時效10 min的試樣伸長率下降了9.3%，塑性降低最明顯。預應變試樣沒有發生烘烤硬化，且預應變后，由于位錯的引入，位錯強化使烘烤前的強度較高，不利于材料成形。在預應變后引入預時效，烘烤前強度較預應變試樣的強度都有所下降，且烘烤效果明顯改善。PS5PA5烘烤前后的屈服強度分別為(104.39±0.51)MPa，(178.02±2.14)MPa，烘烤后增大了73.63 MPa，烘烤效果最好，同時如表 2所列，其伸長率僅下降 2%，塑性保持較好，這表明預時效能有效提高烘烤硬化效果。由圖 3可以比較，PS5PA10烘烤前的強度較PS0PA10的低，且在烘烤過程中伸長率無明顯下降。這說明在預時效前加入預應變可以進一步抑制自然時效，而預時效可以減少由預應變帶來的形變強化，使烘烤前的強度控制在可以接受的范圍內，并且避免了試樣烘烤后塑性的降低。

圖3 預處理對烘烤過程中的屈服強度的影響Fig.3 Effect of pre-treatments on yield strength changes(BHR)during baking

表2 烘烤前后各預處理條件下試樣的伸長率及其變化Table 2 Elongation and its changes before and after baking of samples pretreated with varies conditions

2.3 DSC曲線分析

圖4所示為試樣在預處理后的DSC曲線。已有研究表明[19?20]，Al-Mg-Si合金的時效順序為：過飽和固溶體→原子團簇→GPI區→β″相→β′相→β相，其中β″相是主要的強化相。由圖 4(a)可以看出，預時效后，原子團簇的吸熱峰變小，GPI區和β″相放熱峰提前，且隨預時效時間增長放熱峰變緩。說明了在預時效過程中直接形成了一部分GPI區和β″相，有效緩解了基體溶質原子的過飽和度，從而抑制自然時效中原子團簇的形成，β″相放熱峰提前說明在烘烤時β"相更易于析出，有利于試樣的烘烤硬化。PS0P10的預時效過程中形成的β″相較多，致使烘烤前強度較高，不利于沖壓成形。加入預應變后，β″相放熱峰的溫度進一步提前，原子團簇的吸熱峰和GPI區的放熱峰完全消失，如圖4(b)所示。這說明了預應變后預時效的試樣直接形成了大尺寸的GPI區，這些GP區在烘烤過程中難以再溶解，直接形成β″核心，抑制自然時效，加速了烘烤硬化。相對于PS0PA10的曲線，PS5PA10的曲線中β″相強度沒有明顯降低，這說明了預應變后預時效的試樣在預處理過程中主要形成GPI區，沒有形成大量β″相，有利于降低烘烤前強度，提高材料的成形性。預應變引入的位錯為β″相形核提供更多形核點，促進烘烤過程中β″沉淀相的形成，縮短了合金達到時效峰值的時間，提高了烘烤硬化性能。

圖4 預處理對DSC的影響Fig.4 Effect of pre-treatments on DSC: (a)Solution treated sample and pre-aged alone samples; (b)Solution treated sample,pre-strained alone sample and pre-strained and pre-aged samples

3 結論

1)在固溶淬火后進行預時效處理能有效抑制自然時效，提高材料的烘烤硬化效果，隨預時效時間的延長，對自然時效的抑制作用越來越好，烘烤硬化效果提高，而預時效10 min的試樣在烘烤前強度過高，不利于材料烘烤前的沖壓成形，且烘烤后塑性降低。

2)預應變試樣的烘烤硬化效果有限，加入預時效后才能進一步抑制自然時效，烘烤硬化效果有所提高，PS5PA5的烘烤硬化性能最好。對于預時效10 min的試樣引入預應變后，可降低其烘烤前強度，并且避免烘烤后塑性的降低。

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