過時效的升溫時間對吸能型材力學與壓潰性能的影響

秦龍傳，金智澎，劉旭東，張 鴻

（廣東精美有限公司，清遠 511500）

0 前言

在汽車工業中，薄壁梁等結構型材是組成汽車車身結構的重要零部件，對車身的結構安全起著重要作用。而充分利用薄壁型材的變形吸能特點是車身設計的關鍵，例如其載荷峰值不能超過后端結構的承載極限[1-2]。近年來，由于具有比鋼更高的吸能性及變形穩定性，鋁合金作為汽車輕量化材料的發展趨勢迅猛，成為汽車輕量化的理想材料。其中，6×××系鋁合金（Al-Mg-Si合金）憑借其優異的加工性能、中高強度、較好的塑韌性和抗腐蝕能力，廣泛應用于汽車吸能盒和縱梁等部件的制造[3-5]，而6008合金作為吸能型材的性能尤為突出。

本文以6008合金吸能盒型材為研究對象，采用不同升溫時間達到相同的時效溫度，并保溫相同時間，隨后對比和分析升溫時間對產品力學性能和壓潰性能的影響，進而制定出比較穩定、綜合性較好的時效工藝方案。

1 試驗材料與方法

本文所用6008合金的化學成分見表1，其吸能盒型材橫截面如圖1所示。合金通過2 500 t擠壓機進行擠壓，擠壓工藝參數如表2所示。選取同一鑄錠、同一生產工藝且性能穩定的型材進行時效處理。試驗方案如表3所示，統一采用過時效工藝，時效溫度為220℃，時效時間為65 min，設置從室溫升至220℃所用時間分別為20 min、45 min、65 min和85 min。壓潰試樣長度為300 mm，平行試樣4個。使用美特斯E64.605微機控制電液伺服萬能試驗機進行壓潰試驗，壓潰速率為100 mm/min，壓潰行程為200 mm，即為總長度的2/3。拉伸試樣取自型材非焊合位置處，厚度約為2.5 mm，尺寸如圖2所示。使用電子萬能試驗機進行拉伸，拉伸速率為0.9 mm/min。硬度測試由韋氏硬度鉗測得。

圖2 拉伸試樣尺寸示意圖

表1 6008合金化學成分（質量分數/%）

表2 擠壓工藝參數

表3 試驗方案

圖1 型材截面圖

2 結果及分析

2.1 不同升溫時間對力學性能的影響

6008合金型材經不同升溫時間升至220℃并保溫65 min處理后，其拉伸試驗結果如表4所示，力學性能曲線如圖3所示。

表4 力學性能結果

圖3 不同升溫時間下的力學性能曲線

（1）試驗NO.1中，平行試樣的拉伸力學性能存在較大的差異。由于升溫時間短，即升溫速率較大，在短時升溫過程中爐內溫度分布不均，故試樣處于急速升溫狀態且各質點受熱不均。由于溫度高的部分原子擴散速率快，導致強化相的形核較快，進而影響其分布；而低溫區由于升溫速率較慢，溫度較低的部位達到理論設定的時效溫度所用時間相對較長，進而占用了理論保溫時間。因此，升溫時間較短、升溫速率較快會導致試樣性能不均勻。

（2）對于試驗NO.2～NO.4，各組的性能較NO.1差異較小，其中NO.3的拉伸性能最佳，拉伸性能隨升溫時間的升高而先升后降。由于拉伸試驗是在同一設備、同一操作標準下完成，各組試驗的性能均勻性與升溫時間相關，其中，NO.3的抗拉強度均勻性最佳，證明適中的升溫速率有利于縮小試樣的均勻性差異。

（3）對于試驗NO.3和NO.4，時效處理制度為220℃/65 min，由于該溫度對鋁合金而言屬于高溫，故該工藝屬過時效處理。升溫時間從65 min延長至85 min，在慢速升溫的過程，試樣開始進入過時效范圍；換而言之，相當于在升溫的過程中，未達到保溫溫度設定值（220℃）時，產品提前進入過時效狀態。隨著時間延長，溫度繼續升高至時效溫度，而后進入保溫狀態并開始計算保溫時間。因此，在高于一般時效溫度的時效處理中，較長的升溫時間變相地增加了試樣的時效時間，故同樣在過時效處理后，NO.4較NO.3經歷了更嚴重的過時效處理，導致性能下降。

2.2 不同升溫時間對壓潰性能的影響

表5為試驗合金的壓潰性能測試結果。從表中可知，試驗NO.1～NO.4的壓潰合格率分別為75%、50%、100%和75%，其壓潰性能的合格率變化趨勢與拉伸性能相仿。此外，壓潰峰值載荷隨時效升溫時間的延長而提升，如圖4所示。各組壓潰試驗的效果如圖5所示。盡管NO.1的壓潰合格率略高于NO.2，但其壓潰形貌相比NO.2呈現不規則潰縮現象。這一結果與拉伸性能的均勻性相關，即較短的升溫時間、較快的升溫速率易造成試樣受熱不均從而導致合金的性能不均勻。雖然拉伸試樣與壓潰試樣的合金相同，但吸能盒型材的體積較大，在壓潰過程中壓潰性能的不均勻性被放大，導致壓潰形貌不規整[6]。同樣，不合格試樣的局部開裂亦是由于各部位的性能不均勻，加上應力集中狀態，最終因產生裂紋而造成的。試驗NO.3的升溫時間適中，該升溫速率下試樣受熱較均勻，故壓潰試樣的形貌規整、褶皺整齊、峰值載荷適中且合格率最高；而NO.4在較長的升溫過程中，變相增加了時效時間，屬于嚴重過時效。由于強化相在過時效態時已粗化，易造成強化相分布不均，故NO.4壓潰試樣也有性能不均勻的現象，如圖5（d）所示。由此可見，升溫時間會造成吸能盒型材性能不均勻，在壓潰過程中這一缺陷會被放大，表現為壓潰形貌不規整、合格率下降。

圖5 不同升溫時間的壓潰試樣圖

表5 壓潰試驗結果

圖4 不同升溫時間的壓潰峰值載荷

3 結論

（1）升溫時間會影響合金拉伸性能的均勻性。220℃/65 min的時效制度在65 min升溫中使合金取得最佳的拉伸性能，即在此升溫速率下6008合金的拉伸性能差異最小。

（2）升溫時間造成的性能不均勻現象在壓潰過程中被放大，表現為潰縮不規整和橫向開裂。220℃/65 min時效制度在65 min升溫中使合金取得最佳的壓潰性能。