熱處理工藝對(duì)Al-Mg-Si鋁合金組織與力學(xué)性能的影響

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西省渭南市，714000） 張靈曉 鄭永濤 徐立青 李 娜

Al-Mg-Si 合金為6 系鋁合金，是一種具有良好耐腐蝕性和機(jī)械性能的可成形合金。此外，這類合金易于擠壓、焊接和加工，可通過時(shí)效等熱處理方式來提高其機(jī)械性能。因此，6xxx 系鋁合金是汽車、電氣、航空航天、船舶和軍工行業(yè)最常用的鋁合金之一[1-5]。然而，這類合金的改善工藝研究仍在進(jìn)行中，其中一種最具潛力的工藝為深冷處理，即零度以下熱處理，該技術(shù)已經(jīng)被成功應(yīng)用于各類鋼材料上[6-8]。對(duì)于有色合金，如上述鋁合金，深冷處理技術(shù)仍處于起步階段。本文選取了一種Al-Mg-Si鋁合金，對(duì)其進(jìn)行深冷處理，并進(jìn)行人工時(shí)效。該研究的目的是研究深冷處理對(duì)人工時(shí)效Al-Mg-Si鋁合金性能的影響，并考慮了不同的均勻化溫度對(duì)人工時(shí)效后性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)用鋁合金材料

所用Al-Mg-Si鋁棒型材化學(xué)成分如表1所示。

表1 Al-Mg-Si鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.2 熱處理制度

將試驗(yàn)用的鋁合金分成4組，按照如圖1所示的熱處理制度圖進(jìn)行4 種熱處理，詳細(xì)的工藝參數(shù)見表2所示，變量分別為均勻化處理溫度與深冷處理。如圖1所示，均勻化處理后進(jìn)行水淬處理，而深冷處理采用零下196℃的液氮進(jìn)行。如圖2 所示為兩種均勻化處理溫度在處理過程中的溫度采集曲線。

表2 試驗(yàn)熱處理制度

圖1 熱處理制度曲線圖

圖2 不同溫度下均勻化處理試樣溫度隨著時(shí)間的變化曲線

1.3 試驗(yàn)方法

拉伸試驗(yàn)采用WAW-B系列微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，按國(guó)標(biāo)要求加工拉伸試樣，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB／T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，測(cè)試鋁合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及延伸率，每個(gè)熱處理制度下分別加工3個(gè)相同的平行試棒，然后取平均值。鋁合金的微觀組織采用OP-50M 型金相顯微鏡和Jeol JSM-6500 F 型掃描電鏡下進(jìn)行組織觀察，而透射電鏡（TEM）在JEOL JEM-2100HR 顯微鏡在200kV 下測(cè)定形態(tài)。

接頭低溫沖擊性能檢驗(yàn)，執(zhí)行GB/T 229《金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》和GB/T 12778《金屬夏比沖擊斷口測(cè)定方法》標(biāo)準(zhǔn)，而布氏硬度檢驗(yàn)采用HB-3000 布氏硬度計(jì)，每個(gè)試樣分別測(cè)3 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

兩種均勻化處理后的典型顯微結(jié)構(gòu)特征和相分布的光學(xué)顯微圖顯示：不同溫度下的均勻化處理對(duì)金相組織影響并不大，尤其是Al-Fe-Mn-Si 相的形貌幾乎沒有任何變化；不論均勻化處理的溫度在540℃還是570℃，深冷處理的試樣與未深冷處理的試樣，分散體的數(shù)量都有所增加，可以證明人工時(shí)效前不同處理樣品的金屬間相和析出相的分布和尺寸是相似的。在均勻化溫度較低的樣品組，深冷處理會(huì)增加組織中額外的析出相；深冷處理對(duì)人工時(shí)效的分散體變化有明顯的調(diào)節(jié)作用。同時(shí)，深冷處理也可以促進(jìn)人工時(shí)效過程中小型β 相顆粒的形成，采用深冷處理的β″相密度的增加也是材料收縮和位錯(cuò)密度增加的結(jié)果，有效地降低了析出相的形核功△G*，而該結(jié)論已經(jīng)被Huang等人在鋁合金自然時(shí)效過程采用差示掃描量熱法驗(yàn)證過。從圖中可以看出不同均勻化處理溫度對(duì)β″和β′顆粒的析出沒有明顯的影響。

2.2 硬度試驗(yàn)

圖3 為4 種不同熱處理制度下的布氏硬度圖。圖3中可以看出，在均質(zhì)化溫度較低的情況下，深冷處理具有較高的硬度（圖3 中A 與B 比較），這可能是β″析出較多的結(jié)果。然而，對(duì)于較高均質(zhì)化溫度的情況（圖3中C與D比較），硬度略有增加，這是原因可能在于Mg 和Si 的消耗，導(dǎo)致析出相的尺寸減小或網(wǎng)狀減少。添加較多的合金元素如Fe、Mn、Cr和Zr 的額外存在可能會(huì)誘導(dǎo)低熔點(diǎn)復(fù)雜析出相的形成，并與Al-Si結(jié)構(gòu)相結(jié)合，這可能會(huì)潛在地改變這些析出相的硬化效果。最近的研究表明，在鋁合金的特定合金化過程中，可以形成新的低熔點(diǎn)的Al-Si 相，從而有可能改變整個(gè)體系的析出動(dòng)力學(xué)。

圖3 四種樣品的布氏硬度圖

2.3 拉伸試驗(yàn)

如表3 所示為不同熱處理制度試樣的力學(xué)性能。當(dāng)均勻化處理溫度為540℃的試樣進(jìn)行人工時(shí)效時(shí)（表中A 與B），深冷處理的作用對(duì)其拉伸性能（抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率）的影響較小。而對(duì)于均勻化處理溫度為570℃時(shí)（表中C與D），深冷處理提高了其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，并相應(yīng)地降低了伸長(zhǎng)率。這些基本力學(xué)性能表明，均勻化溫度對(duì)兩組試樣人工時(shí)效的深冷處理效應(yīng)也有影響。深冷處理提高了位錯(cuò)的釘扎，從而提高抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。

表3 不同熱處理制度試樣的力學(xué)性能

2.4 沖擊韌性

如圖4 所示的沖擊韌性測(cè)量結(jié)果表明，在均勻化處理溫度較低的情況下（A 與B 比較），深冷處理的B的平均值略有增加，而在均勻化處理溫度較高的情況下（C 與D），經(jīng)過深冷處理的試樣D 性能略有降低。而對(duì)于四組試樣，如果考慮到結(jié)果的分散性，深冷處理對(duì)沖擊韌性的影響可以忽略不計(jì)。

圖4 不同熱處理制度試樣的沖擊韌性

3 結(jié)語

在實(shí)驗(yàn)的4 種熱處理制度中，均勻化處理溫度對(duì)微觀組織影響不大，對(duì)其硬度和拉伸試驗(yàn)結(jié)果影響也不大。深冷處理對(duì)人工時(shí)效的分散體變化有明顯的調(diào)節(jié)作用，也可以促進(jìn)人工時(shí)效過程中小型β 相顆粒的形成。深冷處理可以提高析出相的形成，增加位錯(cuò)密度，從而提高了硬度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。