二級時效工藝對6061鋁合金力學性能和組織的影響

唐嘉強,劉學剛,周 新,喬明偉,胡 興

(重慶通用工業(集團)有限責任公司,重慶 401336)

6061鋁合金屬于可熱處理、可強化的變形鋁合金,因其具有中等的強度、良好的可焊接性、耐蝕性、優良的成型性和良好的塑性而被廣泛應用[1-2]。目前有學者對6061鋁合金的熱處理工藝進行了研究,6061鋁合金時效處理時相的析出順序為:過飽和固溶體→原子團簇→GP區→β″→β′過渡相→β平衡相[3-4]。6061鋁合金通過固溶時效處理可以有效提高合金的綜合力學性能,在增強材料強度的同時,保證材料的塑性不再降低[5]。人工時效后的6061鋁合金基體中彌散分布著大量的板條狀析出相(β-Mg2Si)和溶質富集區(GP區),此時6061鋁合金的強度較高,伸長率較低[6-7]。傳統的6061鋁合金采用T6峰值時效制度時(180 ℃×8 h)能達到良好的力學性能(抗拉強度約300 MPa,硬度約105 HV),但時效時間長,能耗高,生產效率較低[8-9]。鑒于上述情況,本文將采用雙級時效工藝對6061鋁合金板進行試驗研究,對比不同雙級時效制度下材料力學性能和組織的變化情況,在保證材料性能的前提下探索能耗低、生產周期短的時效工藝方案,以期為后續的應用提供參考。

1 試驗材料及方案

試驗采用厚度為2 mm的6061-T6鋁合金冷軋板,化學成分見表1。

表1 6061-T6鋁合金冷軋板材化學成分(質量分數) (%)

首先對試樣進行固溶處理,使用SX2-4-10箱式電阻爐將鋁合金板加熱到530 ℃保溫0.5 h后室溫水淬,隨后進行溫度180 ℃保溫2 h的一級預時效,最后按照表2所示的工藝方案按組分別進行150～230 ℃的二級終時效1～4 h。

表2 6061-T6鋁合金二級時效試驗方案

對不同時效工藝下的試樣進行檢驗分析,具體操作如下:將制好的試樣經腐蝕后放在光學蔡司顯微鏡下觀察。按照標準尺寸使用線切割方式裁取試樣后,對不同鋁合金試樣進行拉伸試驗,每組拉伸試驗重復3次,拉伸速度為1 mm/min。采用MH-5型維式顯微硬度計檢測試樣硬度。使用掃描電鏡完成拉伸斷口形貌觀察。

2 試驗結果分析

2.1 金相分析

不同二級時效工藝下鋁合金的金相組織如圖1所示。不同二級時效溫度下相同保溫時間的金相組織對比如圖1a～圖1c所示,從圖1a中可以看出,鋁合金基體上分布著拉長的等軸晶粒,晶粒內部和晶界處都有顆粒狀和長條狀第二相即β-Mg2Si強化相析出,但分布不夠均勻;當二級時效溫度為190 ℃時,由圖1b可以看出,等軸晶粒更細化,強化相更多,析出更均勻,彌散程度相應增大,這種彌散分布的強化相均勻分布于合金基體內,對位錯滑動起到釘扎阻礙作用,從而提高合金強度。隨著二級時效溫度升高至230 ℃,由圖1c可以看出,晶粒長大,第二相粒子的尺寸與數量呈現出不均勻分布。

a) 180 ℃×2 h+150 ℃×2 h

b) 180 ℃×2 h+190 ℃×2 h

c) 180 ℃×2 h+230 ℃×2 h

d) 180 ℃×2 h+190 ℃×1 h

當二級時效溫度為190 ℃時,二級時效時間對6061-T6鋁合金顯微組織的影響如圖1b、圖1d和圖1e所示。圖1d為二級時效時間為1 h的狀態,出現了較大的等軸晶晶粒,鋁合金基體存在較多溶質富集區以及部分板條狀的β-Mg2Si,但析出相不夠均勻。當時效時間延長至4 h(見圖1e)時,板條狀的β-Mg2Si析出相顆粒數量明顯增多,尺寸明顯長大,合金基本處于過時效狀態,影響了合金的力學性能。上述檢測結果表明,在二級時效溫度較低或二級時效時長不足時,鋁合金基體內彌散強化作用較弱;二級時效溫度過高或二級時效時間過長,晶粒長大,均勻性降低。

2.2 力學性能檢測結果分析

2.2.1 不同二級時效工藝對力學性能的影響

通過單向拉伸試驗檢測出材料的抗拉強度、斷后伸長率等性能參數,結果如圖2所示。隨時效溫度升高、時效時間延長,材料抗拉強度呈現先增大后減小的趨勢。當二級時效制度為190 ℃×2 h時,鋁合金的抗拉強度最大,為335.7 MPa,此時的斷后伸長率最低為13.01%。當二級時效溫度為190 ℃、時效時間為4 h時,鋁合金的抗拉強度達到最小值295.3 MPa,斷后伸長率為14.59%。結合圖1分析可知,這是因為β-Mg2Si強化相在時效過程中彌散析出,對材料起到強化作用,并且使晶粒得到一定細化。但隨著二級時效的時間延長,晶粒長大粗化,由晶粒長大引起的負面效果開始凸顯并逐漸占據主要地位,故造成材料的強度開始下降。

a) 不同二級時效溫度下的拉伸性能(時效時間2 h)

b)不同二級時效時間下的拉伸性能(時效溫度170 ℃)

2.2.2 不同二級時效工藝對材料硬度的影響

采用維氏硬度計測量不同二級時效工藝制度下材料的硬度,結果如圖3所示。從圖3a中可以看出,在相同的二級時效時間下,隨著二級時效溫度的升高,材料的硬度達到峰值后又繼續下降。當二級時效溫度從150 ℃上升至190 ℃時,6061鋁合金的硬度值從102.5 HV上升至峰值119.7 HV。通過二級時效處理,板材內的溶質原子在晶體內與晶界處不斷析出并逐漸長大,形成彌散分布的β-Mg2Si強化相,使等軸晶粒更細化,從而提高了材料硬度。

a) 不同二級時效溫度下材料的硬度(時效時間2 h)

b) 不同二級時效時間下材料的硬度(時效溫度190 ℃)

當二級時效溫度為190 ℃時,不同的二級時效時間下6061鋁合金的維氏硬度同樣呈現先增大后減少的趨勢。圖3b中,當二級時效時間從1 h增加至2 h時,試樣的維氏硬度值從109.6 HV提升至119.7 HV,但延長保溫時間至4 h后,試樣的硬度減小至105.1 HV,結合圖1可知,這是由于材料發生了過時效所導致的。

2.3 不同二級時效工藝對斷口形貌的影響

在拉伸試驗后,使用掃描電鏡觀察不同雙級時效工藝下6061鋁合金冷扎板的試樣斷口形貌,結果如圖4所示。可以看出6061鋁合金在不同雙級時效制度下的拉伸試樣均有明顯的韌窩,屬于韌性斷裂。在韌性斷裂時,韌窩的大小、深淺和數量取決于材料斷裂時夾雜物或第二相粒子的大小、間距、數量及材料的塑性和試驗溫度[10]。對比圖4a～圖4c可以看出,當時效時間為2 h、時效溫度從150 ℃上升至230 ℃時,由于β-Mg2Si強化相的彌散析出,導致韌窩數量明顯增多,韌窩尺寸變小,晶粒得到細化,使得鋁合金的強度提升,這與金相觀察到的結果基本吻合。當溫度上升至230 ℃時,韌窩尺寸增大,深度變淺,結合圖1可知,此時晶粒長大,第二相粒子的尺寸與數量呈現出不均勻的分布,進而造成鋁合金強度下降;對比圖4d與圖4e,當二級時效溫度為190 ℃時,隨著保溫時間的增加,大尺寸的韌窩數量減少,韌窩分布更均勻、密集。隨著二級時效時間延長至4 h,晶粒長大粗化,由晶粒長大引起的負面效果開始凸顯并逐漸占據主要地位,故造成材料的大尺寸韌窩明顯增多,材料均勻性下降,此時材料的抗拉強度最差。

a) 180 ℃×2 h+150 ℃×2 h

b) 180 ℃×2 h+190 ℃×2 h

c) 180 ℃×2 h+230 ℃×2 h

d) 180 ℃×2 h+190 ℃×1 h

e) 180 ℃×2 h+190 ℃×4 h

3 結語

固溶處理后的6061-T6鋁合金冷軋板在180 ℃保溫2 h的一級預時效情況下,隨二級時效工藝參數的變化,可以得出如下結論。

1)隨著二級時效溫度的升高與時效時間的增加,板材內的溶質原子在晶體內與晶界處不斷析出并逐漸長大,形成彌散分布的β-Mg2Si強化相,使晶粒更細化,但進一步升高時效溫度和延長時效時間后,鋁合金晶粒粗化。

2)合金的抗拉強度與硬度隨著二級時效溫度的升高與時效時間的增加均呈先升后降的趨勢,當二級時效制度為190 ℃×2 h時最佳,抗拉強度為337.5 MPa,硬度為119.7 HV。

3)6061-T6鋁合金通過雙級時效處理可以達到比T6峰值時效更優的性能,在提高材料性能的同時可以減少能耗,縮短生產周期。對于2 mm厚的6061-T6鋁合金冷軋板,其雙級時效工藝以180 ℃×2 h+190 ℃×2 h為宜。