預拉伸對6082鋁合金時效組織與性能的影響

劉兆偉，王東輝，黃 健，陳 利，潘 巖，馬龍飛

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

6082鋁合金是Al-Mg-Si系鋁合金，Mn、Mg等含量較高，有明顯的停放效應，降低人工時效強化效果，有研究結果表明，時效前預拉伸處理延緩合金自然時效過程，可提高合金的強度[1，2]。本實驗通過在常溫下對不同時效制度及不同預拉伸量的6082鋁合金進行力學性能檢測及金相組織觀察，分析預拉伸量對合金力學性能的影響，為6xxx系鋁合金預拉伸生產及加工形變提供參考依據。

1 實驗材料及方法

1.1 試驗材料的準備

選用3mm厚的6082鋁合金中空型材，并加工成30mm寬×200mm長的坯料。實驗材料合金成分(質量分數，%)為，Si 0.95～1.05，Mg 0.90～0.95，Fe 0.20，Cu 0.05，Mn 0.45～0.55，Cr 0.05，Ti 0.05，Zn 0.05，Al余量。坯料經過525℃×1h固溶淬火后，使用拉伸試驗機進行不同預拉伸變形處理(變形量0.0%～6.5%)，再進行人工時效，表1為具體試驗方案。

表1 試驗方案

2 結果與分析

2.1 預拉伸對顯微組織的影響

圖1為0.0%、2.0%、4.0%及6.5%的6082鋁合金進行縱截面的金相組織。實驗材料原始狀態為形變與再結晶的混合組織，經過重新固溶時效后晶粒沿著形變方向長大，縱截面下為扁平晶粒。隨著預拉伸量的增加，預拉伸處理后的晶粒組織沿著預拉伸的方向逐漸伸長，這是由于預變形后的時效，合金主要發生回復過程。而未經預變形的合金，時效后基體仍為淬火后的再結晶組織。當加入的形變量致使發生塑性變形時，基體內部有大量位錯開動，一方面產生加工硬化提高強度，另一方面增加人工時效析出相形核位置，可提高時效強度[3-5]。

(a)0.0%；(b)2.0%；(c)4.0%；(d)6.5%

圖2所示為不同預拉伸處理后的金相顯微照片。由圖2(a)可見，合金經固溶處理后未預拉伸的固溶態主要由大量彌散相和第二相所組成。對比圖2(b)(c)，經預拉伸處理后的T6時效態組織中黑色第二相數量較未預拉伸處理后的多，且分布均勻。這是由于6082合金在預拉伸過程中會有更多的β″相晶核形成，當后期經過時效處理后從而使合金形成更多其細小的析出強化相[6]。

(a)未預拉伸(固溶態)；(b)未預拉伸(時效態)；(c)2.0%預拉伸(時效態)

2.2 預拉伸量對力學性能的影響

由圖3可以看出，隨著預拉伸量的增大，實驗材料的屈服強度和抗拉強度呈先升高再小幅度降低的趨勢，屈服強度從未經過預拉伸的275.7MPa快速升高到2.0%預拉伸量的311MPa，之后屈服強度緩慢降低；抗拉強度在預拉伸量1.0%以內變化不大，繼續提高變形量到2.0%時，抗拉強度快速升高到323.3MPa，之后緩慢下降，預拉伸量5.0%之后抗拉強度保持不變。預拉伸量從0%到2.0%，位錯的密度增量較大，而接著加大預變形程度，位錯密度會持續提高，但過飽和固溶體中的溶質原子濃度是固定的，富集溶質原子的氣團增加幅度減小，強化析出相數目的增加幅度也減小，因此強度的增量也隨之減少。

圖3 不同預拉伸量下的力學性能

伸長率總體呈下降趨勢，先從未經過預拉伸的15.5%緩慢降低到預拉伸量為2.0%時的11.0%，隨后開始緩慢下降。這是由于預拉伸量使合金晶粒或晶界處局部應力集中，當應力大于理論斷裂強度，該處的原子鍵就會斷裂，從而形成微裂紋，而且局部應力集中也可形成位錯，位錯運動遇到晶界或者第二相塞積形成裂紋尖端，從而對材料組織造成損傷，降低合金強度和伸長率[3]。變形量大的狀態延伸率較低，預拉伸處理犧牲了合金的塑性造成了延伸率的下降，而在時效進行到中后段延伸率的變化不明顯。

2.3 不同時效時間與不同預拉伸量對力學性能的影響

圖4為不同時效時間與不同預拉伸量對力學性能的影響。可以看出，不同預拉伸量的試樣經過不同時間的時效后，抗拉與屈服強度均呈先升高，在時效4h后降低的趨勢。并且峰值強度過后，預拉伸量與強度變化趨勢呈反比；伸長率隨著時效時間的增加呈降低趨勢。在本實驗范圍內，不同拉伸量到達人工峰時效的時間無明顯差異，所有級別預拉伸量達到峰值屈服強度的時間發生在大約時效4h時，表明預拉伸水平不影響材料在175℃時達到峰值強度的時間。

圖4 不同時效時間與不同預拉伸量下的力學性能

預變形后再進行人工時效的合金與僅進行人工時效的強化機制不同，人工時效合金的主要強化機制為析出強化，而引入預變性后，合金的強度主要來源于析出強化和位錯強化。6xxx系鋁合金的時效析出序列為，G.P區→β″→β′→β(Mg2Si) 。β″一般優先在位錯處形核，由于預變形引入位錯，給β″相提供了有效的形核位置，從而使β″相形核數目增加[5]。同時淬火后的過飽和固溶體中的溶質原子濃度較高，位錯密度增加后，溶質原子與位錯交互作用，在位錯周圍富集形成的氣團數目也相繼增加，這些富集溶質原子的氣團也是β″相的核心[6]。隨預變性量的增加，合金中β″相愈彌散、愈細小，從而在時效4h內合金的強度提高。由于預拉伸改變了合金內的位錯密度，因此在后續的時效處理時會帶來很大的影響，析出相析出帶來的時效強化和由于位錯回復帶來的軟化會相互作用，這可能會是后期相同時效條件下，經預拉伸的試樣強度和屈強比降低的原因[7,8]。

圖5為施加不同預拉伸量后不同時效溫度下屈強比變化曲線。隨時效時間的延長，屈強比逐漸升高且逐漸變緩。在相同時效條件下，預拉伸量超過0.7%后，第二相顆粒對位錯運動的阻礙作用導致屈服強度升高幅度大于抗拉強度，即屈強比隨預拉伸量的增大而升高[9]。

圖5 不同時效時間與不同預拉伸量下的屈強比

3 結論

(1)經2%預拉伸處理后的T6時效態6082鋁合金組織中黑色第二相數量較未預拉伸處理后的多，且分布均勻。

(2)隨預拉伸變形量的增加，6082鋁合金晶粒沿著形變方向被拉長。當預拉伸變形量達到彈性變形后屈強比有明顯提升，但隨著時效時間延長到后期，經預拉伸處理的強度和屈強比降低。

(3)預拉伸變形量由0.0%到2.0%時，6082鋁合金強度值隨預拉伸量增加而升高，屈服強度由275.7MPa快速升高到311MPa，但伸長率下降；當預拉伸變形量由2.0%至6.5%時，強度值和伸長率呈緩慢下降并最終趨于平穩。