時效制度對6111鋁合金軋制板材性能的影響

郝玉喜，謝方亮，李 巖，徐伍剛

(遼寧忠旺鋁合金精深加工有限公司，遼寧 遼陽 111003)

對于傳統汽車來說，整車質量每減少10%，耗油量可以降低6%～8%。對于純電動汽車來說，節省的將是電動電池的電量，所以說汽車輕量化已經成為節省能源的有效途徑之一。鋁合金由于其比強度高，塑性好，沖擊吸能及回收利用率高等特點在汽車上應用越來越多，其中寶馬、奧迪、捷豹、路虎、特斯拉等部分車型的鋁車身開始產業化[1-4]。

6xxx系鋁合金因其較好的綜合性能[5-6]，作為轎車外車身板材受到愈來愈多的關注。通常，6xxx系鋁合金板材的主要生產加工工序是：鑄錠→熱軋→退火→冷軋→固溶處理[7]。在已注冊的6xxx系汽車車身板合金中，6111鋁合金軋制板材既有高強度，也有良好的成形性，已成為國內外廣泛關注與研究的鋁合金之一。

本文以6111鋁合金軋制板材為研究對象，分析合金在不同時效制度下組織、力學、硬度及電導率的變化規律，提出合理的時效制度，為優化生產工藝和板材性能提供實踐依據。

1 試驗方法

1.1 材料制備

選用3 mm厚的6111鋁合金軋制板材，合金成分見表1。采用箱式電阻爐對板材進行時效處理，通過無紙記錄儀對料溫進行實時監測，保持實際料溫不超過設定溫度±3 ℃，時效制度見表2。

表1 6111合金成分(質量分數，%)

表2 時效制度

1.2 性能測試

通過AX10型光學顯微鏡(OM)進行顯微組織觀察；采用SSX-550型掃描電鏡(SEM)觀察第二相形貌和分布；利用AG-X100KN型電子萬能試驗機進行室溫拉伸性能測試；使用FV-810型維氏硬度計進行顯微硬度測試，每個試樣心部打5點，取其平均值；使用SIGMATEST 2.069型渦流電導儀進行電導率測試，每個試樣選5點，取其平均值。

2 試驗結果及分析

2.1 顯微組織

圖1、圖2為6111鋁合金軋制板材分別在165、175、185 ℃時效溫度下保溫15 h后的低倍和高倍顯微組織。由圖1可知，三種時效處理后軋制板材顯微組織并沒有明顯的變化，晶粒尺寸幾乎相似，均表現為邊部大變形量而破碎的細小晶粒，靠近心部的晶粒沿軋制方向明顯被拉長，軋制板材表面由于受摩擦力的影響，發生了再結晶晶粒長大的現象[8]。

從圖2可以看出，軋制板材中存在彌散分布的亞微米級析出相和零星分布的大尺寸金屬間化合物。隨著時效溫度的提高，析出相和金屬間化合物尺寸也增大。在165 ℃×15 h時效制度下，軋制板材中析出相粒子尺寸細小，且數量較多；金屬間化合物的尺寸也相對較小(見圖2(a))。隨著時效溫度升高至175 ℃，軋制板材中析出相出現長大現象，且數量減少(見圖2(b))。將時效溫度繼續升高至185 ℃，軋制板材中析出相出現明顯的粗化現象，數量也明顯減少，金屬間化合物的尺寸也急劇增大(見圖2(c))。當第二相粒子粗大化后，合金的強度和硬度開始急劇下降，此時板材為過時效狀態[9]。

經能譜分析，亞微米級析出相是以Mn元素為主的化合物，再結晶過程中可作為異質形核抑制晶粒長大。金屬間化合物是以Mn和Fe元素為主的難溶相，圖2中各測試點能譜結果見表3。

表3 圖2中各點化學成份(質量分數，%)

(a)165 ℃×15 h；(b)175 ℃×15 h；(c)185 ℃×15 h

(a)165 ℃×15 h；(b)175 ℃×15 h；(c)185 ℃×15 h

2.2 拉伸性能

圖3為6111軋制板材經不同時效熱處理后強度及斷后伸長率的變化曲線。隨著時效時間的延長，合金強度呈先增后降、延伸率呈先降后增的變化趨勢。當時效溫度為185 ℃時，合金屈服強度在時效時間9 h時達到峰值，抗拉強度在時效時間7 h時達到峰值，此時延伸率也達到最低。當時效溫度為175 ℃時，合金強度在時效時間11 h時達到峰值，延伸率也達到最低。當時效溫度為165 ℃時，合金強度在時效時間15 h時達到峰值，延伸率稍有降低。由圖3可知，溫度越高，合金強度達到峰值的時間越少，但合金強度隨溫度升高其峰值卻隨之下降，即隨著時效溫度的升高，較高溫度先完成強度的升高和降低過程，但所能達到的峰值強度較低。因此，在165 ℃×15 h時效制度下板材強度最高，屈服強度為343 MPa，抗拉強度為392 MPa，斷后伸長率為18.1%。

(a)強度；(b)斷后伸長率

圖4為6111合金在165、175、185 ℃三種溫度下，峰值強度的應力-應變曲線。可以看出，合金在拉伸過程中，隨著變形程度的增加，金屬的流動應力不斷升高，時效制度為165 ℃×15 h的流動應力最大，塑性最好，175 ℃×11 h次之，185 ℃×9 h最差。

圖4 不同溫度下峰值強度的應力-應變曲線

2.3 硬度和電導率

圖5為6111鋁合金軋制板材經不同時效熱處理后硬度及電導率的變化曲線。從圖5(a)可以看出，隨著時效時間的延長，合金硬度先上升后下降，分別在165 ℃×15 h、175 ℃×11 h、185 ℃×9 h時出現硬度峰值，合金硬度分別為133.5、132.7和125.9 HV，這說明溫度越高，合金所達到的峰值硬度也越高。從圖5(b)可以看出，隨著時效溫度的升高、時效時間的延長，電導率均呈上升趨勢，但時效溫度對其影響更大。從圖5還可以看出，6111鋁合金板材在欠時效階段，硬度與電導率呈正相關性，即有相同的變化趨勢；在過時效階段，硬度與電導率呈負相關性，即變化趨勢相反。

(a)硬度；(b)電導率

2.4 分析和討論

6111合金的時效同其它可熱處理強化鋁合金一樣，經歷由過飽和固溶體→GP區→亞穩相(β″，S″)→亞穩相(β′，S′)→平衡相(β，S)的過程，GP區的成分、形狀、結構、數量、大小及分布等均與合金成分及所用的時效溫度有關[7-8]。在較低溫度下，盡管析出的相變驅動力很大，但由于受原子擴散所控制，析出速度較慢，處于GP區的時間較長，因此可以產生更多細小、彌散分布的GP區組織，為第二相的析出提供了更加充分的形核核心。隨著時效時間的延長，更多細小的第二相析出，位錯移動的阻力也增大，從而使材料的強度和硬度得到提高。但在較高溫度下，隨著時效時間的增加，GP區的析出以及向過渡相轉變速度加快，第二相粒子的尺寸相應變大，合金的強度和硬度降低。當形成以GP區和過渡相混合占優勢的組織時，合金出現強度峰值，此時稱為完全時效[10]。同一溫度下，隨著時效時間的延長，過渡相向平衡相轉變，并逐漸聚集長大，至此進入過時效階段，合金組織進入平衡狀態[11-12]。

對于電導率，隨著時效溫度的升高，沉淀相不斷從基體中析出長大，彌散度不斷減小，沉淀相與基體的共格關系不斷減弱，從而使基體點陣內的晶格畸變程度不斷降低，基體點陣中電子散射源的數量和密度不斷減小，導電電子的自由程增加，從而使電導率增加[13]。

3 結論

本文分析了不同時效時間對6111鋁合金組織和性能的影響，主要結論如下：

1)隨著時效溫度的增加，彌散析出相的尺寸增大，數量減小，金屬間化合物也隨之增大。

2)時效溫度為165 ℃時，達到峰值強度的時間最長，為15 h，但達到的峰值強度和延伸率最高，屈服強度為343 MPa，抗拉強度為392 MPa，延伸率為18.1%。時效溫度為185 ℃時與之正好相反，175 ℃處于中間；合金硬度和強度呈正相關性，時效制度為165 ℃×15 h時達到硬度峰值，為133.5 HV。

3)電導率隨時效溫度和時效保溫時間的增加而增加，但時效溫度對其影響更大。電導率在欠時效階段與硬度呈正相關性，在過時效階段與硬度呈負相關性。