熱處理工藝對Al-Mg-Si鋁合金組織與力學性能的影響

（陜西鐵路工程職業技術學院，陜西省渭南市，714000） 張靈曉 鄭永濤 徐立青 李 娜

Al-Mg-Si 合金為6 系鋁合金，是一種具有良好耐腐蝕性和機械性能的可成形合金。此外，這類合金易于擠壓、焊接和加工，可通過時效等熱處理方式來提高其機械性能。因此，6xxx 系鋁合金是汽車、電氣、航空航天、船舶和軍工行業最常用的鋁合金之一[1-5]。然而，這類合金的改善工藝研究仍在進行中，其中一種最具潛力的工藝為深冷處理，即零度以下熱處理，該技術已經被成功應用于各類鋼材料上[6-8]。對于有色合金，如上述鋁合金，深冷處理技術仍處于起步階段。本文選取了一種Al-Mg-Si鋁合金，對其進行深冷處理，并進行人工時效。該研究的目的是研究深冷處理對人工時效Al-Mg-Si鋁合金性能的影響，并考慮了不同的均勻化溫度對人工時效后性能的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗用鋁合金材料

所用Al-Mg-Si鋁棒型材化學成分如表1所示。

表1 Al-Mg-Si鋁合金的化學成分（質量分數/%）

1.2 熱處理制度

將試驗用的鋁合金分成4組，按照如圖1所示的熱處理制度圖進行4 種熱處理，詳細的工藝參數見表2所示，變量分別為均勻化處理溫度與深冷處理。如圖1所示，均勻化處理后進行水淬處理，而深冷處理采用零下196℃的液氮進行。如圖2 所示為兩種均勻化處理溫度在處理過程中的溫度采集曲線。

表2 試驗熱處理制度

圖1 熱處理制度曲線圖

圖2 不同溫度下均勻化處理試樣溫度隨著時間的變化曲線

1.3 試驗方法

拉伸試驗采用WAW-B系列微機控制電液伺服萬能試驗機，按國標要求加工拉伸試樣，試驗標準執行GB／T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》，測試鋁合金的抗拉強度、屈服強度以及延伸率，每個熱處理制度下分別加工3個相同的平行試棒，然后取平均值。鋁合金的微觀組織采用OP-50M 型金相顯微鏡和Jeol JSM-6500 F 型掃描電鏡下進行組織觀察，而透射電鏡（TEM）在JEOL JEM-2100HR 顯微鏡在200kV 下測定形態。

接頭低溫沖擊性能檢驗，執行GB/T 229《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》和GB/T 12778《金屬夏比沖擊斷口測定方法》標準，而布氏硬度檢驗采用HB-3000 布氏硬度計，每個試樣分別測3 個點進行取平均值。

2 試驗結果與分析

2.1 微觀組織

兩種均勻化處理后的典型顯微結構特征和相分布的光學顯微圖顯示：不同溫度下的均勻化處理對金相組織影響并不大，尤其是Al-Fe-Mn-Si 相的形貌幾乎沒有任何變化；不論均勻化處理的溫度在540℃還是570℃，深冷處理的試樣與未深冷處理的試樣，分散體的數量都有所增加，可以證明人工時效前不同處理樣品的金屬間相和析出相的分布和尺寸是相似的。在均勻化溫度較低的樣品組，深冷處理會增加組織中額外的析出相；深冷處理對人工時效的分散體變化有明顯的調節作用。同時，深冷處理也可以促進人工時效過程中小型β 相顆粒的形成，采用深冷處理的β″相密度的增加也是材料收縮和位錯密度增加的結果，有效地降低了析出相的形核功△G*，而該結論已經被Huang等人在鋁合金自然時效過程采用差示掃描量熱法驗證過。從圖中可以看出不同均勻化處理溫度對β″和β′顆粒的析出沒有明顯的影響。

2.2 硬度試驗

圖3 為4 種不同熱處理制度下的布氏硬度圖。圖3中可以看出，在均質化溫度較低的情況下，深冷處理具有較高的硬度（圖3 中A 與B 比較），這可能是β″析出較多的結果。然而，對于較高均質化溫度的情況（圖3中C與D比較），硬度略有增加，這是原因可能在于Mg 和Si 的消耗，導致析出相的尺寸減小或網狀減少。添加較多的合金元素如Fe、Mn、Cr和Zr 的額外存在可能會誘導低熔點復雜析出相的形成，并與Al-Si結構相結合，這可能會潛在地改變這些析出相的硬化效果。最近的研究表明，在鋁合金的特定合金化過程中，可以形成新的低熔點的Al-Si 相，從而有可能改變整個體系的析出動力學。

圖3 四種樣品的布氏硬度圖

2.3 拉伸試驗

如表3 所示為不同熱處理制度試樣的力學性能。當均勻化處理溫度為540℃的試樣進行人工時效時（表中A 與B），深冷處理的作用對其拉伸性能（抗拉強度、屈服強度和延伸率）的影響較小。而對于均勻化處理溫度為570℃時（表中C與D），深冷處理提高了其抗拉強度和屈服強度，并相應地降低了伸長率。這些基本力學性能表明，均勻化溫度對兩組試樣人工時效的深冷處理效應也有影響。深冷處理提高了位錯的釘扎，從而提高抗拉強度和屈服強度。

表3 不同熱處理制度試樣的力學性能

2.4 沖擊韌性

如圖4 所示的沖擊韌性測量結果表明，在均勻化處理溫度較低的情況下（A 與B 比較），深冷處理的B的平均值略有增加，而在均勻化處理溫度較高的情況下（C 與D），經過深冷處理的試樣D 性能略有降低。而對于四組試樣，如果考慮到結果的分散性，深冷處理對沖擊韌性的影響可以忽略不計。

圖4 不同熱處理制度試樣的沖擊韌性

3 結語

在實驗的4 種熱處理制度中，均勻化處理溫度對微觀組織影響不大，對其硬度和拉伸試驗結果影響也不大。深冷處理對人工時效的分散體變化有明顯的調節作用，也可以促進人工時效過程中小型β 相顆粒的形成。深冷處理可以提高析出相的形成，增加位錯密度，從而提高了硬度、抗拉強度和屈服強度。