二次時效對鋁合金氣瓶性能的影響

2023-11-20 02:12:52邵逸馨劉揚濤王大為孫萬利杜志強

低溫與特氣 2023年5期

邵逸馨,劉揚濤*,王大為,孫萬利,宮兵,劉凱,杜志強

(1. 沈陽中復科金壓力容器有限公司,遼寧沈陽 110141; 2. 沈陽鼓風機集團有限公司,遼寧沈陽 110027)

0 引言

近20 a來,鋁加工產業發展十分迅猛,成為許多國家和地區的支柱產業之一[1]。新時代對節能、環保、安全提出了新要求,發展鋁工業是解決三大問題的重要途徑。鋁材也是航空航天和現代交通運輸輕量化、高速化的關鍵材料。

6061鋁合金是一種中等強度熱處理可強化鋁合金,通過固溶使強化相盡可能多的溶解,形成均勻的高溫固溶體,通過人工時效使強化相均勻析出,以達到提高強度的目的。6061鋁合金時效時強化相的析出順序是:過飽和固溶體→鎂硅原子團簇→GP區→β″→β′→β[2-3]。其中β″被認為是主要強化相[4-6]。

常規的固溶時效(T6)處理對性能的提升有限,為了獲得更高性能的鋁合金氣瓶,研究人員進行了多級時效熱處理,主要包括預時效+再時效、預時效+拉伸+再時效、二次時效等[7]。

本文通過對二次時效后的鋁合金氣瓶的金相組織、力學性能和拉伸斷口的研究,探索二次時效對鋁合金氣瓶性能的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料采用6061鋁合金氣瓶試料,化學成分符合國際標準ISO 7866: 2012《氣瓶-可重復充裝鋁合金無縫氣瓶-設計、結構和試驗》[8],具體化學成分見表1。

表1 6061鋁合金的化學成分

1.2 試驗方法

試驗材料制作:第一組對鋁合金氣瓶試料進行T6熱處理,第二組對鋁合金氣瓶試料進行固溶+時效+二次時效處理(180℃,2 h)。熱處理后對兩組試樣在同樣的位置取樣并根據相應標準進行SEM和EDS分析、金相試驗、力學性能試驗和斷口分析。

2 試驗結果和討論

2.1 二次時效對微觀組織的影響

圖1是鋁合金氣瓶試料析出相的SEM(a、b)和EDS(c)分析,試料的合金組織的析出相主要為圓球狀的Mg2Si。經過熱處理的鋁合金氣瓶試料的金相組織如圖2所示,a為第一組T6金相組織,b為第二組T616金相組織。

a. 掃描電子顯微照片;b. 掃描電子顯微照片;c. EDS譜圖

a. 第一組T6金相組織;b. 第二組T616金相組織

從圖1和圖2可知,鋁合金氣瓶試料經過2次時效后強化相更細小均勻。在時效強化型鋁合金中,對強度貢獻最大的是析出相,析出相越細小密集,分布的越均勻彌散,其強度也越高[9-10]。

2.2 二次時效對力學性能的影響

經過T6和T616熱處理的鋁合金氣瓶試料的力學性能及硬度如表2所示。

表2 鋁合金氣瓶試料的機械性能及硬度

從表2可知,第二組試料的抗拉強度、屈服強度均比第一組高。力學性能的實驗數據與金相組織互相印證。實驗結果表明,二次時效后材料的屈服強度和抗拉強度均有所提升,即二次時效能有效提升鋁合金氣瓶試料的力學性能。

2.3 二次時效對拉伸斷口形貌的影響

經過T6和T616熱處理的鋁合金氣瓶試料的拉伸斷口形貌如圖3所示,a為第一組500倍斷口形貌,b為第一組2000倍斷口形貌;c為第二組500倍斷口形貌,d為第二組2000倍斷口形貌。從拉伸斷口形貌圖可以看出,鋁合金氣瓶試料的拉伸斷裂類型為韌窩-微孔聚集性斷裂,在韌窩里可以清晰地看到析出相顆粒。韌窩的深淺、大小、數量取決于材料斷裂時第二相粒子的大小、間距和數量[11]。因此,可以通過韌窩來分析析出相的變化規律。從高倍掃描圖片上看,T6熱處理后的拉伸斷口韌窩大小、深淺不一,分布不均勻;二次時效(T616)熱處理后的拉伸斷口韌窩尺寸小、數量多,分布更均勻。這說明二次時效細化了析出相,使鋁合金氣瓶試料的強度得到了提升。