不同时效工艺对6063铝合金组织和力学性能的影响

宁爱林，孙 瑜，黄继武

（1.邵阳学院机械与能源工程系，邵阳 422004；2.中南大学材料科学与工程学院，长沙 410083）

0 引 言

6063铝合金是铝镁硅系合金中典型的可热处理强化合金，具有中等强度、优良的挤压性能、对应力腐蚀不敏感、良好的焊接性能及加工性能等，在民用建筑领域得到了广泛应用［1－3］。铝合金的时效硬化研究是Win于1906年首先开始的，随着对沉淀相析出和合金时效强化机制研究的不断深入，时效处理已成为改善铝合金综合性能的重要途径［4］。铝合金时效硬化的一般方法是将其加热到固溶线温度以上，保温一段时间使合金元素充分溶入基体中，然后快速冷却至室温形成过饱和固溶体，再将合金在一定温度下进行时效处理，强化相逐渐在合金基体中析出，可显著提高合金的强度［5］。6063铝合金传统的时效处理温度是180℃，达到峰时效态需6h，生产周期较长。为了提升合金的综合性能并保证生产效率，作者尝试对6063铝合金进行双级时效处理，并与单级时效处理进行了对比，研究了不同时效工艺对6063铝合金组织和性能的影响。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验用6063铝合金铸锭采用半连续铸造方法制备，合金名义成分（质量分数／%）为0.64Mg，0.45Si，0.17Fe，0.04Cu，0.04Mn，0.10Cr，0.10Ti，0.10Zn，余Al。固溶时效处理用试样从挤压棒上用线切割截取，尺寸为φ16mm×8mm，将其置于箱式电阻炉中加热至535℃保温50min，然后水淬冷却。采用数显调节仪控制温度，控温精度为±1℃，为避免冷却停放效应，试样水淬后立即（淬火转移时间小于30s）取出放入FN101－1s型鼓风干燥箱中分别进行170℃×2h，170℃×2h＋200℃×1.5h和180℃×6h的三种时效处理。

1.2 试验方法

采用HW187.5型布洛维硬度计测合金固溶时效处理后的硬度，取3点的平均值；拉伸试验在CSS－44100型电子万能材料试验机上完成，试验按照GB／T 228—2002进行，拉伸速度为3mm·min－1，取3个试样的平均值；金相试样不经腐蚀直接用FEI Sirion 2000型场发射扫描电子显微镜（SEM）进行断口形貌观察，用其附带的能谱仪（EDS）分析第二相粒子成分；用FEI TECNAIG200型透射电子显微镜（TEM）观察合金时效后的形貌，加速电压为200kV。

2 试验结果与讨论

2.1 对力学性能的影响

由表1可以看出，6063铝合金经双级时效处理（170℃×2h＋200℃×1.5h）后的力学性能比单级时效处理（180℃×6h）后的更优；在170℃×2h时效处理后继续进行200℃×1.5h的时效处理，使能硬度继续上升，增幅达到26HB。

表1 不同工艺时效后6063铝合金的力学性能Tab.1 Mechanical properties of 6063aluminum alloy after different ageing processes

2.2 对显微组织的影响

6063铝合金经180℃×6h时效处理后，晶内析出相为沿铝基体［100］和［010］方向析出的、尺寸约为80nm的针状β″相，点状相为沿基体［001］方向析出的β″相，如图1（a）所示；晶界析出相β已明显球化，无沉淀析出带（PFZ）宽度约250nm，如图1（c）所示。6063铝合金经170℃×2h＋200℃×1.5h时效处理后，晶内析出相仍为具有共格无畸变带特征的针状β″相，其尺寸较180℃×6h时效处理后的小，约为50nm，但析出相数量更多，如图1（b）所示，晶界析出相为断续的棒状β相，未发生明显球化，晶界的PFZ较窄，如图1（d）所示。

图1 6063铝合金经不同工艺时效后的TEM形貌Fig.1 TEM morphology of 6063aluminum alloy after different ageing processes：（a）180℃×6h，precipitated phase in grain；（b）170℃×2h＋200℃×1.5h，precipitated phase in grain；（c）180℃×6h，precipitated phase at grains boundary and（d）170℃×2h＋200℃×1.5h，precipitated phase at grains boundary

6063铝合金经170℃×2h时效处理后，晶内析出了大量细小弥散的针状相，尺寸约为10nm，如图2（a）所示，图2（a）中的右上图为析出相在［001］Al晶带轴下选区的电子衍射花样，析出相形成有十字形斑纹，析出相为共格的β″相；晶界析出相为连续状，无明显PFZ形成，如图2（b）所示。

2.3 对拉伸断口形貌的影响

由图3（a）可见，6063铝合金经180℃×6h单级时效处理后，其拉伸断口形貌为混合韧窝型穿晶断裂和剪切型穿晶断裂，韧窝深度较浅；经170℃×2h＋200℃×1.5h双级时效处理后的断裂类型为完全韧窝穿晶断裂，韧窝数量多且较深。两种断口形貌中韧窝底部都含有第二相粒子，经EDS成分分析知其为AlFeSi相，如图4所示。

2.4 讨 论

通常认为6063铝合金的基本析出序列为过饱和固溶体（SSS）→团簇→GP区→亚稳β″相→亚稳β′相→稳定β－Mg2Si相［6－9］。固溶体的分解是一个复杂的过程，在时效初期，镁和硅原子与淬火形成的过饱和空位聚集，形成与基体完全共格的单独硅、镁原子团簇和镁硅复合原子团簇，接着，溶质原子不断从基体中析出，这样，原子团簇周围能聚集更多的溶质原子，长大形成一定尺寸的GP区，GP区与基体依然完全共格。随着时效时间的延长，球形的GP区作为亚稳β″相的形核核心，逐渐转变为尺寸更大的β″相，亚稳β″相与基体共格。因为亚稳β′相与基体半共格，亚稳β″相转化β′相需要破坏与基体的共格关系，相变需克服较高的界面能，故亚稳β″相具有较高的热稳定性。同时，β″相具有较高的弹性应变能，能引起基体点阵的严重畸变，阻碍位错运动，提高合金的强度，合金峰时效态时的主要析出相为亚稳β″相。

时效析出过程是一个扩散型相变，包括形核和长大。根据经典形核理论［10］，形核率N为

式中：ΔGc为形核功；Q为相变激活能；K为玻尔兹曼常数；T为相变热力学温度；R为气体常数。

与合金在180℃时效6h相比，合金在170℃时效2h后的过饱和度更高，过冷度更大，脱溶相晶核尺寸更小，相变形核功更低，故形核率N更大，析出相更加细小且弥散分布，如图2（a）所示。合金经170℃×2h的时效处理后，晶内析出了大量细小的β″相，继续进行200℃×1.5h的时效处理则继续析出溶质原子，细小的β″相长大。由于析出是一个扩散型相变，析出相的长大受原子迁移速率影响，根据阿累尼乌斯公式：

式中：D为扩散系数；D0为频率因子；Q′为扩散活化能；T为温度。

时效温度越高，溶质扩散系数越大，析出相长大速率越快，在200℃时效1.5h后，合金内原有的细小β″相即可长大到一定尺寸，如图1（b）所示。合金双级时效后的析出相较180℃×6h单级时效后的析出相更加细小弥散，密度更大，如图1（a），（b）所示。晶界具有高的界面能，是原子短路扩散的通道和择优取向位置，晶界上原子扩散快，一般短时间内即可形成平衡析出相，时间对晶界原子扩散速率的影响大于温度的影响，单级时效的保温时间长于双级时效的，故合金经180℃×6h单级时效后的晶界析出相球化程度、尺寸和PFZ宽度均大于经170℃×2h＋200℃×1.5h时效处理后的。

合金强化取决于位错与脱溶相质点的相互作用。当合金中析出相为共格β″相时，合金的强化增量是由位错线切割质点决定的。

式中：Δτ为切应力增量；a为比例常数；f为析出相的密度；r为析出相尺寸。

由式（3）可见，合金的切应力增量与f呈正比，与r呈反比，故合金经双级时效处理后的强度、硬度比180℃×6h单级时效处理后的更高。

铝合金的韧性与变形时的共面滑移、应变局域化以及粗大晶内、晶界析出相等多种因素有关［11］。试验中6063铝合金经单级或双级时效处理后，晶内析出相主要是与基体共格的β″相，在拉伸变形时，晶内位错沿着一定的晶面和晶向滑移，β″相可以被位错剪切，导致粒子体积变小，引起长程共面滑移，位错滑移阻力减小，进而强化了位错在该滑移面上的进一步滑移变形，从而形成集中剪切带，这种集中剪切带在晶界相交处形成晶界台阶，且位错滑移至晶界处形成位错塞积，在晶界处产生应力集中。6063铝合金经180℃×6h单级时效处理后，晶界析出相球化，PFZ较宽，晶界强度降低，晶界位错塞积产生的应力集中导致试样沿晶界台阶开裂，即为剪切型穿晶开裂；同时，合金中残留有难溶的杂质相Al－FeSi，位错在该相周围塞积，产生应力集中，裂纹在粒子与基体界面处形核并围绕第二相粒子扩展，形成韧窝型穿晶断裂，如图3（a）所示。6063铝合金经双级时效处理后，晶界析出相呈断续状，PFZ较窄，晶界强度较高，亚稳析出相细小且分布均匀，应力集中程度低，合金变形均匀，塑性增加，变形过程中的裂纹主要在第二相与基体之间的界面处形成并扩展，因此拉伸断口为韧窝型断裂，如图3（b）所示。

3 结 论

（1）6063铝合金固溶后经170℃×2h＋200℃×1.5h双级时效处理后的硬度、抗拉强度、屈服强度和伸长率等力学性能均较经180℃×6h单级时效处理后的要好。

（2）6063铝合金经单级时效处理后的晶内析出相为亚稳β″相，晶界析出平衡相明显球化，有明显的PFZ。

（3）在170℃×2h预时效处理后，6063铝合金晶内析出了大量细小弥散的β″相，再经200℃×1.5h二次时效处理后，晶内细小的β″相长大，但较单级时效处理后的要小，晶界析出相呈断续状，PFZ较窄。

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