熱處理對A356鋁合金組織與性能的影響

何 兵， 覃 銘， 蘭 旅

（百色學院 材料科學與工程學院，廣西 百色 533000）

0 引 言

當今社會節能、環保、安全成為人們生活的追求。隨著人們生活水平的提高，汽車的數量日益增加。如今汽車輕量化技術成為汽車領域的研究熱門。實現汽車的輕量化主要有兩種方法：一是改進汽車的結構設計；二是研究出新型材料［1］。A356鋁合金具有鑄造流動性好、氣密性好、收縮率小和熱裂傾向小的優點，經過熱處理后，該合金具有良好的機械加工性能等優點，成為實現汽車輕量化目標優先考慮的材料，也是當今汽車輪轂材料領域的熱門，同時汽車輪轂行業的發展也對鑄造鋁合金的綜合性能提出了更高的要求［2］。饒曉曉［3］等試圖通過固溶工藝參數的改變研究熱處理工藝與A356鋁合金的組織和力學性能之間的存在關系。研究結果表明，當固溶溫度設定為535℃時，設定保溫時間增加，抗拉強度、硬度和延伸率基本上都是先升高后下降。當保溫時間為3.5～4.5h之間時，A356鋁合金的強度、硬度及延伸率3種綜合力學性能才能達到最佳。A356鋁合金在545℃×3.5h下進行固溶處理后，具有較好的綜合力學性能［4］；廖博超［5］等對A356鋁合金鑄件在經T5熱處理，并對熱處理后的試樣進行力學性能實驗，通過與半固態壓鑄件、液態壓鑄件和普通壓鑄件的力學性能進行比較，結果表明，熱處理效果也比液態壓鑄件和普通鑄態試樣要好；楊彬［6］等研究混合稀土及熱處理對A356合金組織與性能的影響。研究結果表明，添加混合稀土后的A356鋁合金性能在熱處理狀態下比鑄態具有更好的綜合力學性能，伸長率有了較大的提高，合金經采用適當的熱處理制度，才能達到使用性能要求。

選擇合適的熱處理工藝可縮短企業生產周期，提高材料的綜合力學性能，給企業帶來更好的經濟效益。通過研究不同固溶溫度對A356鋁合金組織與性能的影響，分析顯微組織變化，發現在540℃固溶6h后淬火，然后自然時效3.5h，再在155℃固溶2h后空冷，這一熱處理工藝能使合金獲得球狀共晶硅，合金表現出較好的力學性能，為實際生產的熱處理工藝優化提供一定的理論依據。

1 試樣制備及試驗方法

1.1 試樣制備

試驗用A356合金材料取自廣西平果鋁合金精密鑄件有限公司產品，其化學成分見表1。

用江蘇數控有限公司的電火花機從A356鋁錠切下沖擊試樣、拉伸試樣、塊狀試樣。試樣平均分為5組，其中4組進行熱處理。T6熱處理是A356鋁合金材料最主要的熱處理強化方式，包括淬火處理和時效處理。為了有效消除A356鋁合金的非平衡結晶組織，形成較均勻的平衡組織，提高材料拉伸性能，可以采用適當的熱處理工藝，見表2。

表1 A356合金各合金元素質量分數

表2 熱處理工藝

1.2 試驗方法

用型號為MX－6RT金相顯微鏡觀測組織形貌；用萊州華銀試驗儀器有限公司生產的HR－150A型洛氏硬度計測A356鋁合金的硬度；用WDW－100材料萬能試驗機進行拉伸試驗。試驗結果為3個以上合格試樣的平均值。

2 實驗結果與分析

2.1 不同固溶溫度對A356鋁合金顯微組織的影響

取經熱處理過的合金塊和未經熱處理的合金塊制備成金相塊，鑲嵌制備成金相樣。選擇橫向磨面，粗磨、細磨、機械拋光。將拋光好的試樣在0.5%HF水溶液中浸蝕，浸蝕時間為5s。試樣浸蝕后用酒精棉擦凈吹干。將浸蝕好的試樣放在MX－6RT光學顯微鏡的載物臺上，觀察其顯微組織，分析熱處理前后合金中各相的變化。A356鋁合金中的相主要包括：α－Al基體相、Si相、Mg2Si強化相。A356鋁合金在未經熱處理的條件下存在嚴重成分偏析，組織成分分布非常不均勻，晶粒粗大，塑性低。經T6熱處理后的微觀組織、共晶硅的形態發生了較大的變化，α－Al基體由原來的粗大的樹枝狀或片狀轉變為均勻圓整的棒狀或小塊狀，對基體起到割裂作用。A356鋁合金經過T6熱處理后，硅完全固溶到了基體中，共晶硅的形態發生了改變，成為了小而圓整的顆粒狀，此時合金的微觀組織有良好的改善作用。

根據顯微鏡觀察金相組織，分別如圖1～圖5所示。

圖1 未處理試樣

圖2 520℃保溫6h后淬火＋自然時效3.5h＋155℃保溫2h后空冷

圖3 530℃保溫6h后淬火＋自然時效3.5h＋155℃保溫2h后空冷

圖4 540℃保溫6h后淬火＋自然時效3.5h＋155℃保溫2h后空冷

圖5 550℃保溫6h后淬火＋自然時效3.5h＋155℃保溫2h后空冷

在圖1為A356鋁合金的鑄態組織中，其鑄態組織主要是由白色部分的組織（Al）基體和淺灰色的共晶體（α＋Si）組成，其中α（Al）基體形狀為橢圓形樹枝狀；淺灰色的共晶體（α＋Si）密集聚集在樹枝間隙，總體呈現出纖維狀，共晶硅的顆粒呈較粗大的枝晶。而且成分偏析較明顯。成分偏析的主要原因是澆注成型時冷卻的速度過快，各個成分的原子擴散不了那么快，導致在晶界處形成偏析。在圖2中，合金經過520℃熱處理，基體形狀轉變為圓球狀，硅顆粒被孤立，數量明顯減少，顆粒變得過于粗大。這說明Mg、Si以及化合物Mg2Si更多的溶入到鋁基體中，長大的未溶顆粒呈現粗大狀。在圖3中，經過530℃熱處理，出現了片狀的共晶硅，其寬度和長度都有很大的差別，總體顆粒較為粗大。基體形態變化特別明顯，呈現粗大塊。在圖4中，經過540℃的固溶處理后，A356鋁合金的粗大的枝狀共晶硅逐漸被熔斷消失，形成均勻的球狀。A356鋁合金的綜合力學性能取決于Mg2Si、Si的形貌和數量的多少及其是否均勻分布等。經530℃／6h淬火＋自然時效3.5h＋155℃／2h空冷后，其原子擴散與溶解更充分，固溶強化效果更明顯。共晶硅熔斷后，形貌趨于球狀或更加圓整的形狀或小顆粒，各組織成分的分布比熱處理前更為均勻，使合金性能得到了強化。這時固溶時效處理后，粗大的共晶硅逐漸消失，過剩的硅幾乎完全溶解到基體中，分布較為均勻，顆粒大小較一致［7－8］。在圖5中，經過550℃熱處理，共晶硅顆粒較細小分散，均勻分布在基體中，但顆粒有長大的趨勢。

2.2 不同固溶溫度對A356鋁合金力學性能的影響

2.2.1 硬度對比

硬度試驗使用萊州華銀試驗儀器有限公司生產的HR－150A型洛氏硬度計，試驗的試樣為熱處理的A356鋁合金材料。分別對樣品固溶處理和時效處理前后的5組實驗進行硬度測試，5組試樣的硬度測量結果見表3。

根據硬度對比，520℃溫度下，A356鋁合金的硬度比未經處理的硬度高；530℃溫度下，合金硬度達到最高值；540℃和550℃處理，硬度保持不變，與530℃的硬度相比有明顯的下降，比520℃的硬度稍高；熱處理后材料的硬度與未經處理材料的硬度都有顯著的提高，硬度先升后降后趨于平穩。

表3 不同固溶溫度熱處理后合金硬度值 HRA

2.2.2 拉伸實驗對比

將熱處理前后的拉伸試樣用線切割制成拉伸片狀試樣，用砂紙打磨切割線痕，直到試樣表面光亮無線痕，避免拉伸時直接在線痕處拉斷，減少對實驗結果的影響。用型號為WDW－100的微機控制電子萬能實驗機來做拉伸實驗。

在試樣標距內標出50mm標距，在標距內3個不同地方用游標卡尺測量試樣的寬度、厚度，取平均值，以2mm／min的速度拉伸。

根據試驗得出力值－變形圖和應力－應變圖分別如圖6和圖7所示。

圖6 力值－變形曲線

圖中的曲線代表經過不同熱處理溫度的試樣。由圖6和圖7可以看出，未經過熱處理的試樣抗拉受力和抗拉強度是最小的，分別為2 869.34N和131.00MPa，變形量和延伸率最大，達到3.47mm和6.94%；520℃熱處理后變形量和延伸率有所下降，位列第二，分別為3.40mm和6.80%，抗拉受力和抗拉強度微量提高，分別為2 927.66N和149.00MPa；530℃熱處理試樣，變形量和延伸率迅速下降達到最低，僅有1.96mm和3.92%，但抗拉受力和抗拉強度升到第二，分別為3 231.54N和164MPa；540℃熱處理試樣，變形量和延伸率適中，分別為2.43mm和4.86%，抗拉受力和抗拉強度達到最大值，分別為3 568.46N和181.00MPa，形成的Mg2Si可以有效釘扎位錯，阻礙晶界的滑移，提高合金力學性能；550℃熱處理試樣，變形量、延伸率、抗拉受力和抗拉強度都處于中等，分別為2.27mm，4.53%，3 186.30N，162.0MPa。經過熱處理的試樣比未處理試樣變形量和延伸率都有所下降，呈現先下降后上升趨勢；抗拉受力和抗拉強度都有所上升，呈現先上升后下降趨勢。

2.2.3 沖擊實驗對比

試樣在沖擊載荷的作用下變形最后斷裂，沖擊總功為Wt。變形由可恢復的彈性形變和不可恢復的塑性形變，當沖擊載荷以很快的速度作用在較脆試樣時，試樣直接從彈性形變到斷裂，表現為塑性破壞。其載荷與時間曲線如圖8所示。

圖8 載荷與時間曲線

圖中，We、Wd、Wp分別為彈性變形功、塑性變形功和裂紋擴展功。We＋Wd為裂紋形成功WI，沖擊總功可以表示為Wt＝WI＋Wp。不同熱處理溫度試樣在沖擊斷裂后組合圖如圖9所示，不同熱處理溫度試樣的沖擊曲線如圖10～圖14所示。

圖9 不同熱處理溫度試樣在沖擊斷裂后組合圖樣

圖10 未熱處理沖擊曲線圖

圖11 520℃保溫6h后淬火＋自然時效3.5h＋155℃／2h空冷沖擊曲線圖

圖12 530℃保溫6h后淬火＋自然時效3.5h＋155℃／2h空冷沖擊曲線圖

圖13 540℃保溫6h后淬火＋自然時效3.5h＋155℃／2h空冷沖擊曲線圖

圖14 550℃保溫6h后淬火＋自然時效3.5h＋155℃／2h空冷沖擊曲線圖

各試樣沖擊功見表4。

表4 不同試樣的沖擊總功（Wt）、裂紋形成功（WI）和裂紋擴展功（Wp）

沖擊曲線圖以時間（ms）為橫坐標，圖10～圖14都選擇2.00～3.50ms時間區間，縱坐標左邊為沖擊載荷（kN），右邊為沖擊功（J）。從沖擊曲線圖中可以看出裂紋形成功、裂紋擴展功、沖擊時間、沖擊載荷以及沖擊功。從圖8中我們知道，沖擊功就是從沖擊開始到斷裂時間段曲線所圍成的面積，沖擊功可以在能量－時間曲線看出（具體值見表4）。從曲線的峰寬大小也可以看出沖擊韌性的好壞：峰寬越大，韌性好；峰寬小，韌性較差。

從圖9中明顯看出，所有試樣都沒有發生脆性斷裂，其中經過530℃熱處理試樣斷裂后彎曲呈現的角度最大，說明從塑性變形到斷裂所需的時間最長，在所有試樣的韌性最好，裂紋擴展時間變長，試樣發生少量塑性變形，韌性較好。其他試樣都發生少量和微量變形，這些都反映熱處理對試樣形變即沖擊韌性的影響很大。

經過對比，熱處理試樣的沖擊總功Wt相對未處理試樣有很大的提高。其中經過530℃處理的試樣沖擊總功最高，峰寬最大，裂紋擴展功達到最高值，說明試樣從塑性變形到斷裂所需能量最高，經過的時間最長，沖擊韌性最好。未處理試樣則剛好相反。520℃處理、540℃處理和550℃處理試樣沖擊總功相差不大，表現為峰寬、裂紋擴展功和斷裂所需時間都差不多一樣，比未處理試樣有很大的提高，卻比530℃處理的試樣存在一定的差距，沖擊韌性總體得到了提高。

3 結 語

1）520℃熱處理時，組織轉變較好，有部分Mg2Si溶入基體中，Si呈共晶硅，顆粒過于粗大，硬度、抗拉強度、沖擊韌性有所提高，延伸率最好。

2）530℃熱處理時，基體為粗大塊，出現粗大片狀共晶硅，硬度和沖擊韌性達到最高值，抗拉強度也較高，延伸率最低。

3）540℃熱處理時，球狀共晶硅顆粒均勻分布，硬度和沖擊韌性小幅度下降，抗拉強度達到最大值，延伸率回升較好。

4）550℃熱處理時，共晶硅有所分散、變大，硬度、沖擊韌性、延伸率和540℃熱處理試樣較為持平，但抗拉強度有所下降。

［1］ 祝珂.鋁在汽車材料中的運用及展望［J］.汽車工程師，2011（8）：24－26.

［2］ 彭繼華，唐小龍，何健亭，等.熱處理對A356鋁合金組織結構和力學性能的影響［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2011，9：1950－1956.

［3］ 饒曉曉，胡樹兵.A356鑄造鋁合金熱處理強化工藝研究［D］.武漢：華中科技大學，2007.

［4］ 李偉東，陳和興，王順成，等.熱處理對半固態A356鋁合金擠壓鑄件組織與性能的影響［J］.鑄造，2012，61（8）：929－932.

［5］ 廖博超.A356合金的半固態流變壓鑄及熱處理對組織性能的影響［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.

［6］ 楊彬，高平，趙寶榮，等.混合稀土及熱處理對A356合金組織與性能的影響［J］.機械工程材料，2006，30（4）：68－69，85.

［7］ 高紅霞，王秀紅，楊東.淬火人工時效對SiC／A356復合材料組織性能的影響［J］.輕金屬，2013（8）：79－81.

［8］ 李于朋，李寧，郝恩喜，等.等溫退火工藝對2Cr13鋼組織及其性能的影響［J］.長春工業大學學報：自然科學版，2011，32（2）：179－180.