時效時間對6063 鋁合金準靜態壓縮性能的影響

孫 亮， 劉兆偉， 王洪卓， 李秋梅， 周 龍， 董劉穎

（遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003）

隨著汽車保有量的不斷增加，交通事故也隨之增多。因此，汽車碰撞安全性能越來越重要，急需研究出比強度高且吸能效果好的薄壁結構件，既滿足節能減排的要求，還能夠有效提高人員的安全。鋁合金型材密度小、強度高、可回收利用、耐腐蝕性能良好，作為結構材料已經在汽車行業得到了廣泛的應用[1-3]。

6063 鋁合金是典型的Al-Mg-Si 系合金，主要的強化相是Mg2Si[4-6]，其密度小，比強度高，且具有極好的熱加工性能和抗腐蝕性能[7-8]。6063 鋁合金經過時效熱處理后，鋁基體內部析出大量的Mg2Si 第二相，在后期的冷加工過程中這些第二相具有阻礙位錯運動的作用，增加了材料的變形阻力，提高了材料強度。因此，時效制度是影響6063 鋁合金力學性能的主要因素之一，不同的時效時間、時效溫度都會對材料的性能造成一定程度的影響[9-11]。

為合理改善6063 鋁合金型材的吸能性能，擴展鋁合金在汽車吸能零件的應用范圍，本文在試驗基礎上分析了時效制度對6063 鋁合金顯微組織和準靜態壓縮性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗采用半連續鑄造法制備6063 鋁合金鑄錠，直徑254 mm，鑄錠兩端合金成分見表1。采用箱式電阻爐對鑄錠進行均勻化熱處理，均勻化熱處理制度均為570 ℃×5 h（水冷），隨爐放置測溫儀器對料溫進行監控，保持實際料溫不超過設定溫度±5 ℃。均勻化熱處理后鑄錠在2 750 t 臥式擠壓機上進行擠壓生產，具體的擠壓工藝見表2。

6063 鋁合金型材規格為170 mm×55 mm×2.6 mm，直接從合金型材上截取長為300 mm 的試樣，在箱式電阻爐中進行時效處理，溫度為200 ℃，時間分別為2，4，6 和8 h，對時效后的擠壓材進行組織與性能檢測。

表 1 6063 鋁合金成分（質量分數/%）Tab.1 Compositions of 6063 aluminum alloy(mass fraction/%)

表 2 6063 鋁合金擠壓工藝參數Tab.2 Extrusion process parameters of 6063 aluminum alloy

1.2 性能測試

采用AG-X100KN 型電子萬能試驗機進行室溫力學性能測試，拉伸速度為1.5 mm/min，試樣長度為180 mm；采用數顯維氏硬度計測量不同時效時間下的試樣硬度，對試樣表面進行機械拋光，每個試樣隨機選5 個點，取平均值，工作載荷100 g，加載時間為10 s；采用AX10 型光學顯微鏡進行光學顯微組織觀察，并測量粗晶層的厚度；使用SSX-550型掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察第二相形貌和分布，試樣橫截面尺寸為25 mm×15 mm，腐蝕液為科勒試劑。

準靜態壓縮試驗在微機控制的液壓機上進行，設備的下端平面固定不動，上端進行上下運動，下壓速度為100 mm/min，對不同時效制度處理后的試樣分別進行5 組試驗，取重復性最好的結果進行分析。

2 試驗結果及分析

2.1 時效制度對組織的影響

時效制度對6063 鋁合金型材晶粒度的影響，如圖1 所示。從圖1 中可以看出，粗晶層厚度隨著時效時間的增加無明顯變化，通過光學顯微鏡測量粗晶層平均厚度，不同時效制度下粗晶層厚度分別為40.36，43.65，48.96 和44.45 μm。

圖2 為不同時效制度下6063 鋁合金型材的SEM 圖。研究表明，時效對合金晶粒尺寸的影響不大，所以本文主要分析時效后的析出相。針對6000 系鋁合金，廣為接受的析出順序為：過飽和固溶體→團簇→GP 區→亞穩相β″→亞穩相β′→穩定相Mg2Si。由圖2 可知，隨著時效時間的延長，析出相會逐漸長大。如圖2（a）和2（b）所示，此時主要形成GP 區和時效初期Mg 和Si 原子聚集形成的溶質原子富集區；如圖2（c）所示，此時析出相長大，析出相主要為亞穩相β″和少量Q′；如圖2（d）所示，析出相進一步長大，主要為粗化的Q′相和穩定相Mg2Si。

圖 1 不同時效制度下6063 鋁合金型材晶粒度實測圖Fig.1 Measured graphs of the grain size of 6063 aluminum alloy profiles under different aging systems

圖 2 不同時效制度下型材的SEM 圖Fig.2 SEM images of the profiles under different aging systems

2.2 時效時間對合金力學性能的影響

不同時效時間處理后6063 鋁合金型材的拉伸性能和硬度如圖3 所示。隨著時效時間的延長，6063 鋁合金型材的強度與硬度先升高后降低。時效初期，組織中主要形成GP 區和團簇，能夠阻礙位錯運動，此時強度和硬度緩慢升高；當時效時間為6 h時，主要析出相為亞穩相β″，β″相在基體中產生共格畸變，從而使合金強度達到峰值，此時抗拉強度為273.25 MPa，屈服強度為249.56 MPa，伸長率為16.5%，維氏硬度為103.5。繼續延長時效時間，析出相粗化，基體中彌散析出相體積分數減少，強度下降。

圖 3 時效制度對6063 鋁合金型材拉伸性能和硬度的影響Fig. 3 Effects of aging system on tensile properties and hardness of 6063 aluminum alloy profiles

圖 4 不同時效制度下6063 鋁合金型材的準靜態壓潰形貌Fig.4 Quasi-static crushing morphology of 6063 aluminum alloy profiles under different aging systems

2.3 時效時間對準靜態壓縮性能的影響

對不同時效時間處理后的6063 鋁合金型材進行靜態壓潰試驗，其表面形貌圖如圖4 所示。從圖4中可以看出，不同時效時間處理后的6063 鋁合金型材的壓縮變形模式基本相同，均是手風琴模式與金剛石模式混合[12-13]，試樣的表面較光滑，無橘皮現象。這是由于粗晶層厚度較薄，晶粒尺寸較均勻形成的，因時效對粗晶層影響較小，所以不同試樣表面質量幾乎無差別。當時效時間為6 h 時，合金中主要析出相為亞穩相β″，對位錯的釘扎作用較大，提高了合金的變形抗力，所以此時試樣承受的載荷最大；但是變形過程中位錯釘扎作用較大會導致位錯大量聚集塞積，形成位錯塞積群，使位錯分布不均勻，形成裂紋源。所以，在時效6 h 時試樣表面出現了長度約5 mm 的裂紋，當時效時間較短時，主要為GP 區與原子團簇，尺寸較小，對位錯的釘扎作用小；當時效時間較長時，析出相長大，數量減少，強化效果下降，所以其余時效時間的試樣均無裂紋產生。

圖5（a）為6063 鋁合金準靜態壓縮載荷-位移曲線，不同時效時間的曲線趨勢大體相同，波動次數不同。準靜態壓縮變形過程為：開始壓縮時，合金發生彈性屈服，承受的載荷迅速增加，超過彈性屈服后變為塑性屈服，部分發生失穩變形，承受載荷繼續增加進而達到峰值載荷，而后載荷緩慢下降，經歷一定位移后下降至最低點，此時形成第一個褶皺，繼續下壓導致未變形區開始變形，形成下一個褶皺，往復循環。結合圖4 得出，時效時間為2 h 時，褶皺數量最少，同時對應的載荷-位移曲線波動較少，由于此時合金屈服強度較低，承受載荷較小，變形量較大，所以變形次數較少。

對第一峰值前的載荷-位移曲線進行提取，如圖5（b）所示。可知，試樣承受的最大載荷大小關系與合金強度基本相同，時效時間為6 h 時，第一峰值載荷為176.3 kN，說明時效制度對6063 鋁合金準靜態壓縮第一峰值的承載能力有較大影響，第一峰值出現位置與變形量有關，位置無明顯變化，說明合金從彈性屈服轉變為塑性屈服的臨界點無變化。

根據準靜態壓縮的載荷-位移曲線，可以計算得出試樣在壓縮過程中的均值載荷（Fm）和吸收功（U），計算公式[14-15]為：

式中S 為試驗過程中試樣的瞬時位移。

圖 5 時效制度對準靜態壓潰載荷、均值載荷、吸收功的影響Fig.5 Effects of aging system on quasi-static crushing load, mean load and absorption energy

圖5（c）和5（d）分別是經過式（1）和式（2）計算后得出的均值載荷-位移曲線和吸能-位移曲線圖。由圖5（c）和5（d）可知，隨著時效時間的延長，合金的均值載荷、吸能性能增加，時效時間為6 h 時，吸能性能最強。當相同位移為150 mm 時，時效時間6 h時的吸收功比時效2 h 的提高約48%。原因是隨著時效時間的增加，合金的抗拉強度、屈服強度增大，所能承受的載荷增大，使得合金的吸能性能顯著提高。

3 結 論

本文分析了不同時效制度對6063 鋁合金型材準靜態壓縮性能的影響，在本研究范圍內得到的主要結論如下：

（1）當時效溫度為200 ℃時，隨著時效時間的延長，合金中大尺寸析出相數量呈先增加后減少的趨勢，粗晶層厚度基本不變。

（2）隨著時效時間的延長，合金的強度、硬度增加，準靜態壓縮的承載能力增強，在6 h 時達到峰值。

（3）合金的吸能性能隨時效時間的延長而提高，時效時間為6 h 時，型材的吸收功較2 h 的提高約48%。