6061鋁合金熱軋厚板的形變硬化特性

李喜梅，湯 劍，常萬順，李啟友

（武漢理工大學華夏學院，武漢430223）

0 引 言

6000系鋁合金是一種中等強度的形變鋁合金，具有良好的塑性、耐蝕性、焊接性及加工成形性能，綜合性能優良，廣泛應用于航空航天、交通運輸、機械工程等領域。近年來，6061鋁合金厚板在高鐵、機械構件及工模具制造等方面獲得了廣泛應用。形變鋁合金板材的形變硬化特性不僅直接關系到板材的成形工藝性能，而且還會對后續的加工工序及制品的性能產生影響。

形變硬化特性是金屬材料非常重要的力學特性之一，其在宏觀上是形變強化的表現，在微觀上則反映出材料的形變強化機制。形變硬化特性可用應變硬化指數（n）和硬化曲線表征，其中，應變硬化指數表示金屬材料在塑性變形階段的硬化程度，代表了材料抵抗持續變形的能力，工程上將其作為評價金屬板材冷成形性能的關鍵指標。

據資料顯示，劉俊等［1］研究了四種厚度為2mm的形變鋁合金薄板的形變硬化特性，武晉［2］對厚度為1mm的6061鋁合金冷軋薄板的沖壓成形性能進行了研究，但目前還少有人研究6061鋁合金厚板的形變硬化特性。

為促進鋁合金厚板在工程領域中的廣泛應用，提高厚板結構件的生產技術水平，作者對20mm厚6061-T6鋁合金熱軋厚板的顯微組織及形變硬化特性進行了研究，為鋁合金厚板在工程領域的應用及開發提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為20mm厚的商用6061-T6鋁合金熱軋厚板，其化學成分如表1所示。該6061-T6熱軋厚板的生產工藝為：扁錠（連續鑄造鑄錠）→均勻化→多道次熱軋→固溶處理→預拉伸→時效。

表1 6061鋁合金的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of 6061aluminum alloy（mass） %

按GB／T 3246.1-2000和GB／T 3246.2-2000，沿板材中心線制取金相試樣，經2.5%HNO3＋1.5%HCl＋1.0%HF＋95%H2O（體積分數）溶液腐蝕10s后，采用 NIKON ECLIPSE LV100POL型透反射偏光顯微鏡（OM）以及JXA-8230／INCAX-ACT型掃描電鏡（SEM）觀察顯微組織，采用掃描電鏡附帶的Inca X-Act型能譜儀（EDS）測定析出相的化學成分。

按圖1所示在6061-T6鋁合金熱軋厚板上沿與軋向成0°，45°，90°的方向按 GB／T 228-2002制取拉伸試樣，如圖2所示，然后按照 GB／T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，在RGM-4300型微機控制電子拉伸材料試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速度為5mm·min-1。

n值的高低直接反映了材料頸縮前依靠硬化使材料均勻變形的能力，可通過真應力與真應變的冪指數關系［3］（Hollomon方程）求得。

圖1 拉伸試樣的取樣示意Fig.1 Schematic diagram of sampling for tensile testing

圖2 拉伸試樣的形狀與尺寸Fig.2 Shape and size of tensile sample

s＝C×en（1）

式中：s為真應力，MPa；e為真應變，%；C為強度系數，MPa；n為應變硬化指數。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

鑄錠的均勻化處理使得枝晶偏析消除，鑄態組織消失，晶界清晰；在軋制力作用下，鑄錠發生塑性變形，同時金屬內部的等軸晶粒沿軋制方向被拉長，沿縱截面變形方向呈條狀帶形分布，如圖3（a）所示，橫截面上晶粒的方向性不及縱截面的明顯，如圖3（b）所示，但其它的組織特征與縱向的相似。

圖3 6061-T6鋁合金厚板的OM形貌Fig.3 OM morphology of 6061-T6aluminum alloy plate：（a）longitudinal section and（b）cross section

由圖4可以看出，鋁合金基體中分布著很多大小不一的脫溶平衡相粒子及金屬間化合物，并呈明顯的軋制方向取向，保留了軋制態特征。

由圖5可知，析出相粒子和金屬間化合物呈白色長條狀、淺灰色方塊狀和黑色類球狀。經能譜分析（表2）知它們主要為脫溶平衡相Mg2Si及富硅、錳、銅、鐵的金屬間化合物 Al2CuMg、Al5FeSi、Al6（Fe，Mn）、CuAl、CuMgAl［7-9］2。

圖4 6061-T6鋁合金厚板的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of 6061-T6aluminum alloy plate：（a）cross section and（b）longitudinal section

圖5 6061-T6鋁合金厚板中析出相粒子及金屬間化合物的背散射電子像Fig.5Backscattered electron image of precipitation phase particles and intermetallic compounds in 6061-T6aluminum alloy plate

2.2 形變硬化特性

在金屬材料拉伸均勻變形階段求解n值有多種數學方法，不同的方法求得的n值不同，作者根據GB 5028-2008測定應變硬化指數n。

由圖6可見，不同方向拉伸試樣的應力-應變曲線沒有明顯的物理屈服平臺，其屈服強度采用規定非比例延伸強度Rp0.2表示，即在橫軸上找到應變為0.2%的點，過此點作平行于應力-應變曲線彈性段的輔助線，并與應力-應變曲線相交，相交點即為Rp0.2。6061-T6鋁合金厚板的拉伸性能如表3所示。

n值計算過程如下：通過圖6所示的拉伸應力-應變曲線，在Rp0.2～Rm（抗拉強度）的均勻塑性形變區間，利用RGM-4300微機軟件程序中RG test控制系統自動采集數據，獲得采集點的條件應力σti、條件應變εti，根據式（2）和（3）計算采集點的真應力si和真應變ei。

表2 6061-T6鋁合金厚板中析出相粒子（1點）及金屬間化合物（2～4點）的EDS分析結果Tab.2 EDS analysis results of precipitation phase particles（point 1）and intermetallic compounds（points 2-4）in 6061-T6aluminum alloy plate %

圖6 不同方向拉伸試樣的應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of tensile sample in different directions

si＝σti（1＋εti） （2）

ei＝ln（1＋εti） （3）

對式（1）兩邊分別取對數，得一元線性回歸方程：

lgs＝lgC＋nlge （4）

根據式（5）計算n值。

式中：N為采集點的數量。

均勻塑性變形階段的應變硬化指數n、相關系數r、強度系數C及Hollomon方程見表4。

表3 不同方向試樣的拉伸性能Tab.3 Tensile properties of samples in different directions

表4 不同方向拉伸試樣的應變硬化特性Tab.4 Strain hardening characteristics of tensile sample in different directions

2.3 應變硬化曲線

在金屬材料形變硬化特性研究中，真實應力-真應變曲線表示的硬化過程曲線又稱為流變曲線。由圖7可見，不同方向拉伸試樣的硬化曲線均呈冪乘拋物線形，存在取向性差異；在均勻塑性變形過程中其形變硬化能力隨著應變的增加而增大［7-12］。

3 結 論

圖7 不同方向拉伸試樣的真應力-真應變曲線Fig.7 True stress-true strain curves of tensile sample in different directions

（1）6061-T6鋁合金熱軋厚板的晶粒沿軋制方向被拉長，脫溶平衡相粒子Mg2Si及金屬間化合物保留了軋制態特征；不同方向拉伸試樣的拉伸性能和應變硬化指數存在取向性差異，但差異不大。

（2）不同方向拉伸試樣的硬化曲線均呈冪乘拋物線，在均勻塑性變形過程中的形變硬化能力均隨著應變的增加而增大。

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