高密度電脈沖處理時間對6N01鋁合金微觀組織和力學性能的影響

辛雅軒，孫卓彬，王貫盈，梁永梅，2，彭珍珍，2，劉豫，韓帥琦

1.河北科技大學材料科學與工程學院 河北石家莊 050018

2.河北省材料近凈成形技術重點實驗室 河北石家莊 050018

1 序言

6N01鋁合金屬于Al-Mg-Si系可熱處理強化鋁合金，具有良好的成形性、焊接性和耐蝕性，已廣泛用于軌道交通、航空航天和船舶制造等領域[1]。6N01鋁合金型材通常為熱擠壓成形，為了優化熱加工過程中的組織和力學性能，往往需要對型材再進行固溶處理析出強化相重溶，以便在后續人工時效過程中得到細小彌散的強化相[2]。傳統固溶處理溫度為500～550℃，時間控制為2h左右，且傳熱效率低，這會造成能源的大量消耗[3]。電脈沖處理作為一種新型的高能、瞬時處理技術，現已被證明可代替傳統加熱爐對金屬材料進行熱處理，且具有效率高、節能環保等優點[4]。隨著電脈沖處理技術的逐漸發展與完善，該技術在材料加工與研究過程中受到了越來越多的重視[5]。

電脈沖處理技術在提高金屬材料的塑性[6]、降低再結晶勢壘[7]和促進原子擴散[8]等方面有著無可比擬的優勢。KIM等[9]發現電脈沖處理可以誘導材料中的位錯發生回復，使得材料的流變應力下降，塑性顯著增加。另一項研究發現，電脈沖可以降低再結晶過程所需的勢壘，并且因為處理溫度低、時間短而使得晶粒更加細小[10]。同時，電脈沖在輔助材料加工中也有重要的應用，在2219鋁合金時效過程中施加電脈沖處理能有效地減少時效所需時間，并且使析出相尺寸更加細小、分布更加彌散[11]。電脈沖能在較短時間內改善材料的微觀組織與力學性能，然而關于電脈沖處理時間對6N01鋁合金的微觀組織與力學性能的影響少有研究。本文通過改變脈沖處理時間來探究電脈沖對6N01鋁合金的處理效果。

2 試驗材料與方法

試驗材料選用6N01鋁合金，化學成分見表 1，試樣尺寸為60mm×5mm×3.5mm。電脈沖正脈寬為50ms，占空比為50%，電流密度為250A/mm2，電脈沖處理時間分別為0.5s、1s和1.5s。在電脈沖處理結束后，立即采用水冷的方式快速冷卻。選取未經任何處理的原始態試樣作為對比樣品。在電脈沖處理過程中，使用多路熱電偶（TP700）記錄試樣的溫度變化，用示波器記錄電脈沖的波形。采用數字顯示維氏硬度計（THV-1MD）進行硬度測試，載荷設定為500g（4.9N），加載時間為10s，硬度點距為0.5mm。拉伸試樣按照ASTM-E8M—2004標準制備，取3組平行拉伸試樣，采用美國電子拉伸試驗機（INSTRON 5582）在室溫下以2mm/min的平均速度進行拉伸試驗。金相試樣經機械拋光后，采用陽覆膜法進行電解腐蝕，在倒置金相顯微鏡（LEICA DMi8）下觀察試樣的顯微組織。

表1 6N01鋁合金化學成分（質量分數）（%）

3 試驗結果與討論

3.1 電脈沖處理時間對試樣溫升的影響

利用電脈沖在不同的時間下（0.5s、1s、1.5s）處理6N01鋁合金。當電流經過金屬時，電阻的存在會產生一定的電阻熱。電脈沖不同處理時間的溫升曲線如圖1所示。由圖1可知，試樣的峰值溫度隨著電脈沖處理時間的增加而逐漸上升，且溫升的改變量逐漸增大。

圖1 電脈沖不同處理時間的溫升曲線

3.2 電脈沖處理時間對試樣硬度的影響

為研究電脈沖處理時間對6N01鋁合金硬度的影響，測試了電脈沖分別處理0.5s、1.0s、1.5s后鋁合金的硬度變化曲線，如圖2所示。由圖2可知， 6N01鋁合金試樣經過電脈沖處理0.5s后，其硬度平均值為82HV，相較于原始態（平均值85HV）有所降低；而當試樣經過電脈沖處理1.0s后，硬度顯著下降，其硬度平均值降低到66HV；當試樣經過電脈沖處理1.5s后，硬度平均值繼續下降到45HV。以上結果表明，6N01鋁合金經高密度電脈沖處理后其硬度值降低，且處理時間越長，硬度降低越明顯。

圖2 電脈沖處理不同時間后試樣的硬度變化曲線

3.3 電脈沖處理時間對試樣拉伸性能的影響

經電脈沖處理不同時間后試樣的應力-應變曲線如圖3所示。電脈沖處理不同時間后試樣的力學性能如圖4所示。分析發現，與原始態相比，經電脈沖處理的6N01鋁合金伸長率顯著升高，抗拉強度和屈服強度有所降低。而且隨著處理時間的增長，試樣伸長率不斷增加。與原始態相比，經電脈沖處理1.5s后的試樣伸長率由12.4%提升至19.7%。隨著處理時間由0.5s增加到1s，6N01鋁合金屈服強度和抗拉強度均有所下降。但與處理1s的試樣相比，電脈沖處理1.5s后試樣的屈服強度和抗拉強度反而稍微增加。與原始態相比，電脈沖處理1.5s后，試樣屈服強度由245 MPa下降至171 MPa，抗拉強度由279MPa下降至192MPa。

圖3 經電脈沖處理不同時間后試樣的應力-應變曲線

圖4 電脈沖處理不同時間后試樣的力學性能

綜上所述，6N01鋁合金經高密度電脈沖處理后，不僅其伸長率升高，抗拉強度和屈服強度降低，而且經電脈沖處理的時間越長，鋁合金試樣的伸長率越大，即塑性越好。

3.4 電脈沖處理時間對材料微觀組織的影響

經過電脈沖處理不同時間的6N01鋁合金試樣的微觀組織如圖5所示。由圖5a可觀察到，原始態試樣晶粒呈均勻的纖維狀；由圖5b可知，經高密度電脈沖處理0.5s后的試樣晶粒開始細化，晶粒尺寸與圖5a相比有所減小，但纖維狀晶粒占絕大部分；經電脈沖處理1.0s后，晶粒細化程度進一步增強，只剩下一小部分纖維狀晶粒；當處理時間增加到1.5s時，大部分晶粒轉變為細小的等軸晶，此時晶粒細化程度最大。通過上述分析可知，6N01鋁合金經高密度電脈沖處理的時間越長，其晶粒細化程度越強。

圖5 經電脈沖處理不同時間后試樣的微觀組織

4 結束語

1）6N01鋁合金經高密度電脈沖處理后其硬度值降低，且處理時間越長，硬度降低越明顯。

2）6N01鋁合金經高密度電脈沖處理后，不僅伸長率升高，抗拉強度和屈服強度降低，而且經電脈沖處理的時間越長，鋁合金試樣的伸長率越大。

3）6N01鋁合金經高密度電脈沖處理后，晶粒均出現細化現象，處理時間為1.5s時晶粒細化效果最好，大部分晶粒轉變為細小的等軸晶。