停放時間及拉伸率對6061鋁合金擠壓型材力學性能的影響

劉旭東，胡 皓，劉 歡，龐俊銘，張 悅

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽111003）

0 前言

鋁因其具有比強度高、加工性能好、優良的導電性和導熱性且易于回收等諸多優點被大規模用作國民經濟和人民生活中的綠色金屬材料，成為僅次于鋼鐵的第二大金屬材料[1]。在世界范圍內，超過80%以上用于生產擠壓型材的鋁合金為6×××系鋁合金，即Al-Mg-Si 系合金，該系合金作為擠壓、軋制和鍛造合金，已廣泛應用于航空航天、電子、建筑及汽車工業領域[2-4]。

6061鋁合金是典型的6×××系鋁合金，其合金中Mg、Si 含量稍高，并含有少量的銅。該合金加工性能良好，可以進行大的塑性變形，比如加工成板、管、棒等，因此廣泛應用于具有一定強度和耐蝕性高的各種工業結構件中。此外該合金可焊性好，可以用各種焊接方法進行焊接[5]。因其應用廣泛，材料研究工作者從組織和性能方面均進行了大量研究。而在實際生產中，在線生產的6061 擠壓型材無法直接進行后續處理，中間均要停放一段時間。且在線生產后拉伸率的大小在范圍內波動，而非穩定數值，而國內對于長期停放方面的研究少之又少。鑒于此問題，本文選取某截面型號6061 鋁合金研究分析了改變其拉伸率及停放時間長短對6061 鋁合金組織與力學性能的影響，探討停放時間及拉伸率對6061 合金力學性能的影響規律，為6061 鋁合金的實際生產提供一定的理論依據和實踐經驗。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所需材料為我廠某型號6061 鋁合金擠壓型材，合金成分見表1。

表1 6061鋁合金擠壓型材化學成分（質量分數/%）

1.2 試驗方法

試驗采用φ254 mm 鑄錠，于2 750 t 擠壓機上進行型材擠壓。將生產出的擠壓型材在線淬火后于不同拉伸率下進行拉伸，拉伸率如表2所示。拉伸后在室溫下分別停置1、5、10、15、20、30 d后進行T4 力學性能測試。采用AG-X 100KN 電子萬能試驗機，并按相關標準進行室溫拉伸試驗，試驗溫度為23 ℃。該標準要求如下：

T4狀態：Rp0.2≥180 MPa；Rpm≥110 MPa；A50mm≥13%

表2 6061鋁合金擠壓型材拉伸率

2 試驗結果與分析

2.1 停放時間及拉伸率對型材高倍組織的影響

分別對不同拉伸率的擠壓型材經不同停放時間后取樣進行高倍過燒檢測，結果見表3。由表3 可知，隨著停放時間的增長，不同拉伸率的型材高倍組織均無過燒。W 型材停放時間為1～10 d 時，型材組織中Mg2Si 相尺寸變化不大；當停放時間為10～15 d 時，型材中的Mg2Si 相較短期略大；停放20～30 d時，Mg2Si相尺寸變小，數量逐漸減少。

表3 不同停放時間對型材組織的影響

2.2 停放時間及拉伸率對型材晶粒度的影響

表4是針對不同拉伸率、不同停放時間的擠壓型材的晶粒度檢測圖片。從計算結果可以看出，在0%拉伸率下，當擠壓型材停放1～5 d時，晶粒度等級較小，說明型材的晶粒尺寸較大；當停放10～15 d時，晶粒度等級有所增大，說明該型材的晶粒尺寸減小；當停放時間為20～30 d 時，晶粒度等級又開始減小，說明晶粒尺寸再次增加。在1.2%拉伸率下，停放時間小于5 d 時，擠壓型材晶粒度等級較小，說明型材的晶粒尺寸較大；當停放5～15 d 時，晶粒度等級有所增大，說明該型材的晶粒尺寸減小；當停放時間為20～30 d 時，晶粒度等級又開始減小，說明晶粒尺寸再次增加。當拉伸率為1.85%、停放1～10 天時，擠壓型材晶粒度等級較小，說明型材的晶粒尺寸較大；當停放15 d時，晶粒度等級達到2.5，說明該型材的晶粒尺寸較小；當停放時間為20 d 時，晶粒度等級減小至0.5，晶粒尺寸再次增加。

表4 不同停放時間對型材晶粒度的影響

2.3 停放時間及拉伸率對型材力學性能的影響

在實際生產過程中，在線淬火后生產的型材需要在拉伸后進行成品鋸切，拉伸率的大小并非固定，而是在要求范圍內上下波動。拉伸率的大小同樣會對擠壓型材的力學性能產生一定的影響，同時往往無法直接進行下一步工序，或多或少會放置一段時間，放置時間的多少對擠壓鋁合金的力學性能均有一定的影響，這種現象稱為“停放效應”。

為了分析不同停放時間和拉伸率對擠壓型材力學性能的影響，選取相同批次擠壓型材，經在線淬火后選用不同拉伸率、不同停放時間進行放置，并對試樣進行力學性能測試，所得結果如表5所示。

表5 停放時間及拉伸率對擠壓型材力學性能的影響

為了研究不同停放時間對擠壓型材T4力學性能的影響，根據表3繪制如圖1～圖3所示的力學性能曲線圖。對于未進行拉伸的擠壓型材，隨著停放時間的延長，抗拉強度和屈服強度呈現逐漸提高的趨勢，斷后延伸率略微波動，但變化趨勢不大。當在線擠壓后不進行拉伸而直接檢測發現，屈服強度并不滿足型材力學要求，如圖1所示；對于正常拉伸的擠壓型材，隨著停放時間的延長，力學性能呈現波動趨勢，當停放時間超過15 d時，屈服強度逐漸下降，如圖2所示；對于過拉伸試樣而言，隨著停放時間的延長，力學性能同樣有波動，當停放時間大于15 d時，屈服強度和抗拉強度均呈現下降趨勢，當停放時間大于20 d時，又開始提高，如圖3所示。

圖1 不同停放時間對W擠壓型材力學性能的影響

圖2 不同停放時間對Z擠壓型材力學性能的影響

圖3 不同停放時間對G擠壓型材力學性能的影響

目前對鋁合金產生“停放效應”的解釋眾說紛紜，然而較多的研究更傾向于停放效應與室溫停留時產生的GP區重新溶解有關。本文所用材料中Mg與Si 的質量比＜1.73，說明材料中含有過剩Si。停放時間較短時，自然時效產生的GP 區尺寸較小，且不穩定；隨著停放時間的增加，GP 區長大，尺寸合適且穩定，而合金中過剩Si以Si的偏聚團形式存在，強化相增加，合金的力學性能提高；當停放時間繼續增加，合金中GP 區繼續長大，導致沉淀硬化物析出數量減少，從而降低合金的力學性能；當停放時間過長時，那些小于臨界尺寸的GP 區可能均長大至穩定的晶核尺寸，合金的強度有所回升[6-8]。

綜上所述，對于該型號6061 合金而言，停放時間不應該大于15 d，當停放小于15 d 時，其T4屈服強度、抗拉強度及延伸率均滿足要求，但未進行拉伸的試樣停放時間需大于5 d方可保證其T4狀態力學性能滿足標準要求；當停放時間超過20 d時，雖然T4 狀態力學性能滿足要求，但呈波動下降趨勢。

圖4 不同停放時間下拉伸率對擠壓型材力學性能的影響

為了研究拉伸率對擠壓型材T4 力學性能的影響，繪制圖4所示力學性能變化圖，停放天數分別為1、5、10、15、20、30 d。由圖可知，隨著拉伸率的增加（0%（W）→1.2%（Z）→1.85%（G）），斷后伸長率均無變化，屈服強度逐漸提高，抗拉強度呈現波動趨勢。拉伸量越大，合金位錯密度越大，在自然時效狀態下，由于形變強化可以使合金的抗拉強度逐漸提高[9]。

3 結論

（1）隨著停放時間的增加，未拉伸擠壓型材的T4力學性能呈現增加趨勢，但停放1 d時性能并不滿足標準要求；對于正常拉伸或過拉伸擠壓型材，停放15 d 可獲得最大性能，隨后呈現下降趨勢。

（2）隨著拉伸率的增加，擠壓型材的斷后伸長率并無太大變化，抗拉強度呈現浮動趨勢，屈服強度逐漸增加。

（3）通過研究停放時間及拉伸率對擠壓型材T4 力學性能的影響規律發現，對于該型號6061 鋁合金而言，停放時間不建議超過15 d，同時對于未進行拉伸矯直的型材而言停放時間應大于5 d。