單級時效對6008鋁合金力學及壓縮性能研究

嚴衛才，王洪卓，董劉穎，李海洋，邵倩男

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

汽車保險杠位于汽車前部，是前部碰撞事故中首先接觸的部位，在人車碰撞中降低對行人的傷害和車車碰撞中減小對車輛的損壞方面起著重要作用，轎車前保險杠系統一般由保險杠加強橫梁、吸能盒、托架、內襯等[1-3]。當汽車發生輕微碰撞接觸時，吸能盒的作用不僅僅是吸能，需要在撞擊發生后，通過自身對能量進行一定的吸收，進而降低撞擊應力，之后將自身吸收剩余的大部分撞擊能量通過自身按照設計好的吸能系統傳遞到汽車縱梁、骨架等相容區[4,5]。防撞梁和吸能盒等都是為了在低速情況下進行吸能，良好的結構耐撞性要求結構變形壓縮過程有序、穩定、規則，既提高了汽車的被動安全性，又降低了撞擊帶來的維修成本。本文以6008鋁合金為研究對象，研究不同熱處理狀態下材料的力學性能及吸能性能，為工業上Al-Mg-Si合金型材熱處理工藝的制定和熱加工時的微觀組織調控提供理論依據和實驗基礎。

1 實驗材料與方法

本文采用6008鋁合金擠壓型材，化學成分(質量分數，%)為，Si 0.6～0.8，Mg 0.5～0.7，Fe 0.35，Cu 0.3，Mn 0.3，Cr 0.2，Ti 0.1，Zn 0.2，V 0.15。本試驗采用2750MN正擠壓機進行擠壓，鑄錠溫度為480℃～530℃，擠壓速度為2.5m/min～3.1m/min，淬火方式為水霧+穿水。

對經過在線淬火的6008合金型材進行取樣、時效、測試等處理。(1)沿擠壓方向截取200mm的型材用于壓縮實驗，另取180mm的型材用于拉伸、金相等測試；(2)對截取的試樣進行不同制度的時效處理，時效溫度為175℃，保溫時間為0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、5h、7h、9h；(3)采用AG-X 250KN萬能試驗機進行拉伸試驗，采用AG-X 100KN萬能試驗機進行壓縮實驗，采用AX10型光學顯微鏡(OM)進行光學顯微組織觀察。

2 實驗結果與分析

2.1 力學檢測

圖1為6008料樣力學性能在175℃下不同時效保溫時間的變化趨勢，可以看出隨著保溫時間延長，強度值、屈強比整體呈上升再趨于平緩的趨勢，延伸率呈降低再升高的趨勢；在7h時，達到峰值強度，且延伸率最低。相關文獻表明，時效過程中形成溶質原子團簇和各種亞穩析出相，這些析出相本身和其所引起的應力應變場是位錯運動的主要障礙，導致合金的強度隨之提高。合金的強度隨著時效階段基體組織與沉淀析出相的變化而變化[6]。在0.5h～2.5h內屈強比線性增加，2.5h后屈強比上升幅度趨于平緩。

2.2 顯微組織

根據力學變化趨勢，選用時效保溫時間為0.5h、2.5h、5h、7h，進行顯微組織觀察，如圖2所示。隨著時效時間的增加，合金中的灰色析出相逐漸增多，保溫時間為7h時，析出相最多。一般認為6xxx鋁合金時效強化主要的析出順序為，過飽和固溶體(SSSS)→(Mg+Si)團族/GP區→亞穩的β″相→亞穩的β′相→平衡β相。(Mg+Si)團簇和GP區一般在時效初期就已從基體中析出，并對基體起到一定的強化作用[7]。該合金析出過程與圖1所示強度變化規律相同。時效初期(圖2(a))，晶內析出相較少，主要是靠(Mg+Si)團簇和GP區進行強化；隨著時效時間的延長，2.5h和5h時，強度增加，該過程合金中已經析出了部分GP區和少量β″強化相，7h時強度最高，該過程為峰值時效，β″強化相析出基本完成。

(a) 0.5h；(b) 2.5h；(c) 5h；(d) 7h圖2 單級時效下顯微組織隨時效保溫時間的變化Fig.2 Changes of microstructure with time-effect holding time under single-stage aging

2.3 壓縮檢測

根據壓縮結果可知，在時效0.5h～2h內壓縮后試樣中部形成3個褶皺，對應加載曲線呈現第一峰值后為小幅度波動曲線；時效2.5h后，每個褶皺的致密性高，褶皺完成即完全壓縮狀態，對應載荷曲線波動幅度最大，周期性最強；3h波形與2.5h接近，具有較強的周期性，壓縮試樣邊部的褶皺處出現橫向裂痕(約7mm)；時效5h后，試樣開始出現大裂紋，加載曲線的規律性破壞。屈強比是直接體現材料塑性的一種表征方法，2.5h后屈強比最高且趨于平緩，屈強比越大，抵抗材料變形程度越大，材料越容易被破壞。因此，取時效時間為0.5h、2.5h、5h、7h為例，進行宏觀形貌觀察，如圖3所示。這種壓縮模式的變化主要與材料的機械性能有關，屈服強度增加，抵抗微小塑性變形能力提高，第一峰值載荷增加，屈強比增加，材料抗塑性變形能力增強，且試樣在不破壞的前提下壓縮褶皺的致密性提高。

(a)0.5h；(b)2.5h；(c)5h；(d)7h圖3 單級時效下壓縮形貌隨時效保溫時間的變化Fig. 3 Changes of compression morphology with time-effect holding time under single-stage aging

圖4為準靜態壓縮的載荷位移曲線、吸能位移曲線。以未破壞試樣褶皺為例。開始試驗時，試樣承受載荷迅速增加，由彈性階段進入塑性階段，進入塑性階段后某一位置開始失穩變形，達到峰值載荷后開始下降，經過一段位移之后下降至最低點，此時第一個褶皺形成完畢；繼續下壓，未變形區開始變形，形成下一個褶皺。由圖4(a)可以看出，隨著時間的延長，峰值載荷增長，在時效1.5h～2.5h階段，第一峰值載荷增長較快，第一峰值位置左移，寬度減少，尤其在2.5h時增長速度最快，每個褶皺完成對應加載曲線呈現第一峰值后周期性的波峰與波谷，且每一個中間大褶皺完成對應加載曲線上一個大波峰與波谷，邊部小褶皺完成則對應一個小波峰與波谷。根據準靜態壓縮的載荷-位移曲線，通過公式(1)計算得出試樣在試驗過程中的吸收功(U)，公式如下[8,9]：

(1)

式中，S為試驗過程中試樣的瞬時位移。根據圖4(b)可知，同一位移處，試樣的吸能性能呈線性增加。當壓縮行程為120mm、時效2.5h時，試樣的吸收能量為12897.7J，相比時效2h試樣的吸收能量12412.0J，提升了500J。且隨著時效時間的增加，吸收能量也增加。2.5h吸收能量最大，0.5h最小，即時效時間越短為0.5h，合金內只有CP(Mg+Si)團族/GP區從晶體中析出，會導致強度較低。即在不破壞褶皺的前提下，吸收能量越大，強度越大，屈強比越高。

(a)加載載荷；(b)吸收能量圖4 單級時效下加載載荷、吸能性能隨著位移的變化曲線Fig. 4 Variation curve of loading load and energy absorption performance with displacement under single-stage aging

3 結論

(1)隨著時效時間的延長，6008鋁合金時效溫度為7h時，達到峰值強度，延伸率最低；在0.5h～2.5h內屈強比線性增加，2.5h后屈強比趨于平緩；

(2)隨著時效時間的延長，壓縮變形方式發生變化，時效2.5h后，加載曲線呈周期變化，變形褶皺均勻，材料利用率高。時效5h后彎曲壓縮裂紋較嚴重，時效時間延長，壓縮破壞較大。在未破壞褶皺的前提下，隨著時效時間的增加，吸能性能逐漸增加。