熱處理對汽車用鋁合金性能的影響

吳 楠，富公誠，楊 旭，王麗萍，張 宇

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽111003）

0 前言

鋁合金具有較小密度、較高的塑性和比強度以及優異的耐蝕性，被廣泛應用于汽車行業，成為汽車上重要的輕質材料。塑性是鋁合金擠壓型材加工的重要性能，一般將斷后伸長率作為塑性考核指標。代孝紅等人[1]在研究擠壓工藝對汽車用鋁合金影響過程中發現，擠壓筒溫度440℃時拉伸斷口韌窩比370℃時的韌窩細小，深度較深；擠壓筒溫度從370℃升高至450℃時，合金的抗拉強度和屈服強度先增大后減小，斷后伸長率在15.8%～18.2%范圍內變化，在440℃時性能達到最佳。李喆等[2]通過調整7005合金時效制度達到降低斷后伸長率目的，使其更具有實際意義。可見，人們對鋁合金擠壓材斷后伸長率的研究越來越多。

本文采用拉伸試驗機、金相顯微鏡等方法分析了具有不同壁厚的Al-Mg-Si 合金擠壓型材的晶粒尺寸對其塑性的影響以及時效制度對合金強度和塑性的影響。利用掃描電鏡、EDS分析方法觀察分析了不同時效制度的拉伸斷口形貌，并探討了合金的斷裂機制及影響因素。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

試驗所用Al-Mg-Si合金的具體成分見表1。

表1 Al-Mg-Si合金化學成分（質量分數/%）

1.2 試驗方法

此次試驗型材斷面呈“品”字形，壁厚為1mm、2mm、3mm，分別記為試樣A、B、C。經擠壓加工、在線水霧淬火、人工時效處理后，進行力學性能拉伸測試；使用金相顯微鏡對A、B、C 3個試樣進行顯微晶粒觀察，采用掃描電鏡和能譜分析方法分析試樣C在欠時效、峰時效和過時效下的拉伸斷口形貌。

2 試驗結果與分析

2.1 力學性能試驗結果

圖1示出了不同時效制度下的Al-Mg-Si合金力學性能。從圖1（a）、（b）可看出，時效制度為175℃×16h時，試樣A、B、C 的屈服強度和抗拉強度達到峰值，三者的屈服強度和抗拉強度分別為290MPa、291MPa、294MPa和316MPa、318MPa、324MPa。之后隨著時效溫度的升高和時間的延長，強度逐漸降低。圖1（c）示出了不同時效制度下的斷后伸長率，其中試樣A斷后伸長率均小于試樣B、C。相同的時效制度下，壁厚越薄，斷后伸長率越低；同一壁厚時，欠時效的斷后伸長率最大，為20%左右；隨著時效溫度的升高和時間的延長，斷后伸長率逐漸降低，峰時效時達到了最低點；過時效的斷后伸長率在12%～13%范圍內，與峰時效時斷后伸長率相近。

6×××系鋁合金的時效析出序列為：過飽和固溶體→溶質原子團簇→GP區→亞穩β″相→亞穩β′相→穩態β相（Mg2Si）。汪波等[3]在研究Al-Mg-Si合金時效早期顯微組織演變過程中發現，在時效初期，在基體上產生了大量細小彌散的溶質原子團簇和GP 區，保持著基體結構，對位錯運動產生阻礙，使合金的強度和硬度顯著提高，斷后伸長率顯著下降；隨著時效時間的延長，溶質原子團簇的數量密度顯著降低，GP 區不斷長大，并轉變為β″相。由于β″相與基體共格畸變程度更大，對位錯的阻礙作用遠遠大于溶質原子團簇和GP 區，合金強度達到了峰值，斷后伸長率最低；在時效后期即過時效時，析出相長大，周圍基體溶質原子被吸收，無沉淀析出帶加寬。有種看法認為無沉淀析出帶會降低合金的塑性，塑性隨帶寬增加而降低；在帶寬增加的同時，晶界上優先脫溶析出相的數量和尺寸增加，也降低了合金塑性，導致合金的斷后伸長率降低[4]。因而，在欠時效時合金的斷后伸長率較高，隨著時效時間的延長或時效溫度的提高，斷后伸長率逐漸降低；峰時效時，斷后伸長率基本上達到最低值，而過時效的斷后伸長率與峰時效相近。

2.2 晶粒度分析

圖2為試樣A、B、C的顯微晶粒圖片。從圖中可以看出，3個試樣邊部均發生再結晶，心部為纖維狀組織，整個截面發生部分再結晶。其中試樣A邊部晶粒尺寸明顯大于試樣B、C。合金的再結晶溫度與其變形程度有關，合金的變形程度越大，儲能越多，再結晶的驅動力越大，再結晶開始溫度就越低。同時，隨著變形程度的增加，完成再結晶過程所需的時間也相應縮短[4]。試樣A 變形程度最大，再結晶溫度相對較低，所需的再結晶時間相對較少，因而試樣A的再結晶程度要高于試樣B和C。

另外，試樣A距水霧出口近，淬火冷卻強度相對較大，過飽和程度大，原子儲存能也較大。其隨后的時效加熱保溫使處于亞穩定狀態的過飽和固溶體發生分解，原子的擴散能力相對較強，晶界發生遷移，晶粒之間相互吞并，晶粒長大，因而試樣A的晶粒尺寸大于試樣B和C，粗晶層厚度也大于試樣B、C。

2.3 斷口分析

圖3為試樣C 經過欠時效、峰時效和過時效處理后的拉伸斷口的宏觀形貌。從圖中可看出，試樣斷裂失效之前發生塑性變形，當加載應力超過其抗拉強度時，試樣局部發生縮頸，頸縮區域厚度不斷減薄，最終發生斷裂失效。試樣斷裂方向與拉伸軸方向約成45°，拉伸變形后試樣表面較粗糙，呈橘皮形貌，說明合金具有一定的延展性和塑性，斷裂方式為剪切斷裂。

圖4為試樣C經過欠時效、峰時效和過時效處理后的拉伸斷口的微觀形貌。圖4（a）、（d）為欠時效后拉伸斷口微觀形貌。從圖中可看出試驗斷口韌窩細小、分布均勻，并且在大的等軸韌窩周圍包圍著小韌窩。該韌窩深度較深，說明該試樣的塑性較好，斷后伸長率較高。圖4（b）、（e）為峰時效后的拉伸斷口微觀形貌，斷口由橢圓形韌窩和相對平整的剪切面（圖4（b）中圓圈）組成。圖4（c）、（f）為過時效后的拉伸斷口微觀形貌，韌窩大小不一，尺寸差距較大，斷口上存在平整的剪切面（圖4（c）中圓圈）。

三種時效制度的拉伸斷口韌窩底部均有第二相粒子或夾雜物，結合表2能譜分析結果，判定為AlMgSi 或AlMg 第二相粒子。韌窩底部的第二相粒子是韌窩核形成的顯微空穴，當顯微空穴長大到一定尺寸后，第二相粒子將形成顯微空穴并隨后長大，與其他顯微空穴發生聯結，產生大小不一的韌窩[5-6]。隨著時效溫度的提高或時間的延長，時效達到峰值強度后，位錯運動受阻，析出相在晶界上形成了連續的網膜，阻礙位錯越過晶界進行滑移運動，此時無沉淀析出帶較窄，容易在晶界處發生斷裂。過時效時，合金變軟，晶界和晶內析出相粗大，易成為韌窩的形核源。另外，過時效晶界軟化，強度低，容易在晶界處發生脆性斷裂。

表2 能譜分析結果（質量分數/%）

3 結論

（1）當時效制度為175℃×16h時，Al-Mg-Si合金強度達到了最大值，斷后伸長率達到了最低值；隨著時效溫度的升高和時間的延長，合金斷后伸長率基本上保持不變。

（2）受變形程度和淬火強度影響，壁厚1mm的粗晶層厚度大于壁厚2mm和3mm的粗晶層，壁厚1mm的試樣再結晶程度大，其斷后伸長率低。

（3）欠時效試樣斷口韌窩均勻，其韌窩深度大于峰時效和過時效；峰時效和過時效的韌窩大小不一，在韌窩底部存在著AlMgSi 或AlMg 第二相粒子，為韌窩的形成源；欠時效的試樣斷裂方式為韌性斷裂，峰時效和過時效為韌性-脆性混合斷裂。