6xxx系鋁合金型材時效方式對組織性能影響

王麗萍，孫 巍，黃 健，徐靖淳，苗承義

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

6xxx系鋁合金是以Mg和Si為主要合金元素并以Mg2Si相為強化相的鋁合金材料，屬于熱處理可強化鋁合金。鋁合金固溶處理后獲得的過飽和固溶體處于不平衡狀態，有發生分解和析出過剩溶質原子的自發趨勢，常溫下完成析出的處理稱為“自然時效”，高于常溫的特定溫度下保持一段時間完成析出的處理稱為“人工時效”。時效引起材料內部組織發生變化，進而改變材料的性能[1]。本文對6xxx系鋁合金進行自然時效及人工時效處理，觀測組織及性能的變化，分析不同時效方式對材料組織性能的影響。

1 試驗材料與方法

試驗材料為汽車用6xxx系鋁合金擠壓型材，其熱處理狀態為淬火態(T4)；化學成分(質量分數，%)為，Si 0.688，Mg 0.576，Fe 0.195，Cu 0.147，Mn 0.243，Cr 0.168，Ti 0.029，Zn 0.020。制定兩種時效制度：人工時效(T6)為175℃保溫8h；自然時效為在溫度21℃±1℃、濕度40%±2%環境下放置90d。

2 試驗結果及分析

2.1 力學性能

分別對淬火態、自然時效狀態及人工時效狀態三種熱處理狀態試驗材料進行力學拉伸試驗，每種狀態取5個平行試樣力學性能平均值(表1)。 試驗樣品經自然時效后抗拉強度及屈服強度分別提高21MPa及19MPa，延伸率與淬火態相比提高1.18%；試驗樣品經人工時效后抗拉強度及屈服強度分別提高69MPa及137MPa，屈強比增大，延伸率與淬火態相比降低6.32%。

表1 試驗樣品力學性能

2.2 電導率

本實驗使用SMP-10渦流電導儀(60kHz)檢測試驗樣品的電導率，試驗時樣品溫度為21℃±1℃，每種狀態樣品檢測6點計算平均值，得到三種狀態樣品電導率值。可知，淬火態試驗樣品電導率為26.56ms/m，經自然時效后電導率為26.45ms/m，無明顯變化，人工時效后電導率升高到28.84ms/m。

2.3 微觀組織

取三種狀態試驗樣品進行金相樣品制備，在材料顯微鏡下觀察內部顯微組織中第二相分布情況如圖1所示。由圖可知，淬火狀態下樣品內部殘留有較大結晶相，且均勻分布大量彌散相；自然時效處理后結晶相與彌散相尺寸及含量無明顯變化；人工時效處理后結晶相無明顯變化，而彌散相含量明顯減少。

圖1 不同狀態下型材組織中第二相分布Fig.1 Distribution of second phase in profile structure under different conditions

使用掃描電子顯微鏡觀察不同狀態下型材組織中第二相形貌，并進行EDS分析，第二相形貌如圖2所示，圖2中第二相位置標記各點的成分見表2。可知，三種狀態下均可見較大殘余結晶相，淬火態及自然時效狀態基體中均勻分布著大量彌散相，人工時效后彌散相明顯減少。三種狀態結晶相中均含有Al、Mg、Si、Fe、Mn及Cr元素，由這些元素組成的結晶相為難溶相，在時效處理過程中不能將其溶解；彌散相與基體中均含有Al、Mg、Si；淬火態、自然時效狀態、人工時效狀態彌散相中Mg、Si含量依次略有減少，基體中Mg、Si含量依次增多。

圖2 不同狀態下型材組織中的第二相形貌Fig.2 Morphology of second phase in the profile structure under different conditions

表2 各點成分(質量分數，%)

分析可知，時效處理改變了樣品內部組織狀態，從而改變其綜合性能。試驗樣品顯微組織中存在難溶的殘留結晶相，時效前后這些結晶相的含量和化學成分未發生變化，可知時效處理未能消除難溶的殘留結晶相。成分的變化說明自然時效處理后彌散相變化不明顯，少量含有Mg、Si元素的彌散相被溶解到基體中，而人工時效使原子活動能力增大，大量含有Mg、Si元素的彌散相被溶解，淬火得到的過飽和固溶體逐步析出溶質原子(形成G.P區)，在基體中形成強化相Mg2Si，這些強化相阻礙位錯運動使材料強度提高。由于溶質原子的不斷析出使材料的晶格畸變程度減少，內應力降低，從而使電子運動變得容易，材料的電導率逐步增大[2]。

2.4 斷口分析

不同狀態下型材試樣的拉伸斷口微觀形貌如圖3所示。可知，淬火態及自然時效狀態樣品拉伸斷口韌窩尺寸較大，其中大尺寸韌窩深度較淺，韌窩中可見平行的滑移線，形成較平坦的滑移帶，滑移線較密集且擴展較長；人工時效狀態試驗樣品拉伸斷口韌窩尺寸較小，大尺寸韌窩深度較深，滑移線較稀疏且擴展較短。

圖3 拉伸斷口形貌Fig.3 Tensile fracture morphology

分析可知，拉伸變形過程中，在剪應力的作用下，晶格沿一定的晶面和晶向產生移動形成滑移[3]。多條平行的滑移線形成滑移帶。滑移帶是晶體發生塑性變形的重要特征，材料塑性變形越嚴重的區域，滑移帶越密，擴展越長。淬火態及自然時效處理后拉伸斷口中滑移線較密集且擴展較長，發生較大的塑性變形，獲得較高的延伸率；人工時效處理后，析出的強化相阻礙了滑移線的運動，使拉伸斷口滑移線變得稀疏且擴展縮短，塑性變形量減小，延伸率降低。

3 結論

(1)時效處理未能消除難溶的殘留結晶相；

(2)自然時效處理后彌散相的含量及成分變化不明顯，強度、延伸率及電導率變化較小；

(3)人工時效處理后彌散相大量減少，基體中析出強化相Mg2Si阻礙位錯及滑移線的運動，強度與電導率明顯提高，延伸率明顯降低。