高密度電脈沖處理時(shí)間對6N01鋁合金微觀組織和力學(xué)性能的影響

辛雅軒，孫卓彬，王貫盈，梁永梅，2，彭珍珍，2，劉豫，韓帥琦

1.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 河北石家莊 050018

2.河北省材料近凈成形技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河北石家莊 050018

1 序言

6N01鋁合金屬于Al-Mg-Si系可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有良好的成形性、焊接性和耐蝕性，已廣泛用于軌道交通、航空航天和船舶制造等領(lǐng)域[1]。6N01鋁合金型材通常為熱擠壓成形，為了優(yōu)化熱加工過程中的組織和力學(xué)性能，往往需要對型材再進(jìn)行固溶處理析出強(qiáng)化相重溶，以便在后續(xù)人工時(shí)效過程中得到細(xì)小彌散的強(qiáng)化相[2]。傳統(tǒng)固溶處理溫度為500～550℃，時(shí)間控制為2h左右，且傳熱效率低，這會造成能源的大量消耗[3]。電脈沖處理作為一種新型的高能、瞬時(shí)處理技術(shù)，現(xiàn)已被證明可代替?zhèn)鹘y(tǒng)加熱爐對金屬材料進(jìn)行熱處理，且具有效率高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[4]。隨著電脈沖處理技術(shù)的逐漸發(fā)展與完善，該技術(shù)在材料加工與研究過程中受到了越來越多的重視[5]。

電脈沖處理技術(shù)在提高金屬材料的塑性[6]、降低再結(jié)晶勢壘[7]和促進(jìn)原子擴(kuò)散[8]等方面有著無可比擬的優(yōu)勢。KIM等[9]發(fā)現(xiàn)電脈沖處理可以誘導(dǎo)材料中的位錯(cuò)發(fā)生回復(fù)，使得材料的流變應(yīng)力下降，塑性顯著增加。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，電脈沖可以降低再結(jié)晶過程所需的勢壘，并且因?yàn)樘幚頊囟鹊汀r(shí)間短而使得晶粒更加細(xì)小[10]。同時(shí)，電脈沖在輔助材料加工中也有重要的應(yīng)用，在2219鋁合金時(shí)效過程中施加電脈沖處理能有效地減少時(shí)效所需時(shí)間，并且使析出相尺寸更加細(xì)小、分布更加彌散[11]。電脈沖能在較短時(shí)間內(nèi)改善材料的微觀組織與力學(xué)性能，然而關(guān)于電脈沖處理時(shí)間對6N01鋁合金的微觀組織與力學(xué)性能的影響少有研究。本文通過改變脈沖處理時(shí)間來探究電脈沖對6N01鋁合金的處理效果。

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料選用6N01鋁合金，化學(xué)成分見表 1，試樣尺寸為60mm×5mm×3.5mm。電脈沖正脈寬為50ms，占空比為50%，電流密度為250A/mm2，電脈沖處理時(shí)間分別為0.5s、1s和1.5s。在電脈沖處理結(jié)束后，立即采用水冷的方式快速冷卻。選取未經(jīng)任何處理的原始態(tài)試樣作為對比樣品。在電脈沖處理過程中，使用多路熱電偶（TP700）記錄試樣的溫度變化，用示波器記錄電脈沖的波形。采用數(shù)字顯示維氏硬度計(jì)（THV-1MD）進(jìn)行硬度測試，載荷設(shè)定為500g（4.9N），加載時(shí)間為10s，硬度點(diǎn)距為0.5mm。拉伸試樣按照ASTM-E8M—2004標(biāo)準(zhǔn)制備，取3組平行拉伸試樣，采用美國電子拉伸試驗(yàn)機(jī)（INSTRON 5582）在室溫下以2mm/min的平均速度進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。金相試樣經(jīng)機(jī)械拋光后，采用陽覆膜法進(jìn)行電解腐蝕，在倒置金相顯微鏡（LEICA DMi8）下觀察試樣的顯微組織。

表1 6N01鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 電脈沖處理時(shí)間對試樣溫升的影響

利用電脈沖在不同的時(shí)間下（0.5s、1s、1.5s）處理6N01鋁合金。當(dāng)電流經(jīng)過金屬時(shí)，電阻的存在會產(chǎn)生一定的電阻熱。電脈沖不同處理時(shí)間的溫升曲線如圖1所示。由圖1可知，試樣的峰值溫度隨著電脈沖處理時(shí)間的增加而逐漸上升，且溫升的改變量逐漸增大。

圖1 電脈沖不同處理時(shí)間的溫升曲線

3.2 電脈沖處理時(shí)間對試樣硬度的影響

為研究電脈沖處理時(shí)間對6N01鋁合金硬度的影響，測試了電脈沖分別處理0.5s、1.0s、1.5s后鋁合金的硬度變化曲線，如圖2所示。由圖2可知， 6N01鋁合金試樣經(jīng)過電脈沖處理0.5s后，其硬度平均值為82HV，相較于原始態(tài)（平均值85HV）有所降低；而當(dāng)試樣經(jīng)過電脈沖處理1.0s后，硬度顯著下降，其硬度平均值降低到66HV；當(dāng)試樣經(jīng)過電脈沖處理1.5s后，硬度平均值繼續(xù)下降到45HV。以上結(jié)果表明，6N01鋁合金經(jīng)高密度電脈沖處理后其硬度值降低，且處理時(shí)間越長，硬度降低越明顯。

圖2 電脈沖處理不同時(shí)間后試樣的硬度變化曲線

3.3 電脈沖處理時(shí)間對試樣拉伸性能的影響

經(jīng)電脈沖處理不同時(shí)間后試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。電脈沖處理不同時(shí)間后試樣的力學(xué)性能如圖4所示。分析發(fā)現(xiàn)，與原始態(tài)相比，經(jīng)電脈沖處理的6N01鋁合金伸長率顯著升高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有所降低。而且隨著處理時(shí)間的增長，試樣伸長率不斷增加。與原始態(tài)相比，經(jīng)電脈沖處理1.5s后的試樣伸長率由12.4%提升至19.7%。隨著處理時(shí)間由0.5s增加到1s，6N01鋁合金屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有所下降。但與處理1s的試樣相比，電脈沖處理1.5s后試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度反而稍微增加。與原始態(tài)相比，電脈沖處理1.5s后，試樣屈服強(qiáng)度由245 MPa下降至171 MPa，抗拉強(qiáng)度由279MPa下降至192MPa。

圖3 經(jīng)電脈沖處理不同時(shí)間后試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 電脈沖處理不同時(shí)間后試樣的力學(xué)性能

綜上所述，6N01鋁合金經(jīng)高密度電脈沖處理后，不僅其伸長率升高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低，而且經(jīng)電脈沖處理的時(shí)間越長，鋁合金試樣的伸長率越大，即塑性越好。

3.4 電脈沖處理時(shí)間對材料微觀組織的影響

經(jīng)過電脈沖處理不同時(shí)間的6N01鋁合金試樣的微觀組織如圖5所示。由圖5a可觀察到，原始態(tài)試樣晶粒呈均勻的纖維狀；由圖5b可知，經(jīng)高密度電脈沖處理0.5s后的試樣晶粒開始細(xì)化，晶粒尺寸與圖5a相比有所減小，但纖維狀晶粒占絕大部分；經(jīng)電脈沖處理1.0s后，晶粒細(xì)化程度進(jìn)一步增強(qiáng)，只剩下一小部分纖維狀晶粒；當(dāng)處理時(shí)間增加到1.5s時(shí)，大部分晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的等軸晶，此時(shí)晶粒細(xì)化程度最大。通過上述分析可知，6N01鋁合金經(jīng)高密度電脈沖處理的時(shí)間越長，其晶粒細(xì)化程度越強(qiáng)。

圖5 經(jīng)電脈沖處理不同時(shí)間后試樣的微觀組織

4 結(jié)束語

1）6N01鋁合金經(jīng)高密度電脈沖處理后其硬度值降低，且處理時(shí)間越長，硬度降低越明顯。

2）6N01鋁合金經(jīng)高密度電脈沖處理后，不僅伸長率升高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低，而且經(jīng)電脈沖處理的時(shí)間越長，鋁合金試樣的伸長率越大。

3）6N01鋁合金經(jīng)高密度電脈沖處理后，晶粒均出現(xiàn)細(xì)化現(xiàn)象，處理時(shí)間為1.5s時(shí)晶粒細(xì)化效果最好，大部分晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的等軸晶。