时效时间对6063 铝合金准静态压缩性能的影响

孙 亮， 刘兆伟， 王洪卓， 李秋梅， 周 龙， 董刘颖

（辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003）

随着汽车保有量的不断增加，交通事故也随之增多。因此，汽车碰撞安全性能越来越重要，急需研究出比强度高且吸能效果好的薄壁结构件，既满足节能减排的要求，还能够有效提高人员的安全。铝合金型材密度小、强度高、可回收利用、耐腐蚀性能良好，作为结构材料已经在汽车行业得到了广泛的应用[1-3]。

6063 铝合金是典型的Al-Mg-Si 系合金，主要的强化相是Mg2Si[4-6]，其密度小，比强度高，且具有极好的热加工性能和抗腐蚀性能[7-8]。6063 铝合金经过时效热处理后，铝基体内部析出大量的Mg2Si 第二相，在后期的冷加工过程中这些第二相具有阻碍位错运动的作用，增加了材料的变形阻力，提高了材料强度。因此，时效制度是影响6063 铝合金力学性能的主要因素之一，不同的时效时间、时效温度都会对材料的性能造成一定程度的影响[9-11]。

为合理改善6063 铝合金型材的吸能性能，扩展铝合金在汽车吸能零件的应用范围，本文在试验基础上分析了时效制度对6063 铝合金显微组织和准静态压缩性能的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验采用半连续铸造法制备6063 铝合金铸锭，直径254 mm，铸锭两端合金成分见表1。采用箱式电阻炉对铸锭进行均匀化热处理，均匀化热处理制度均为570 ℃×5 h（水冷），随炉放置测温仪器对料温进行监控，保持实际料温不超过设定温度±5 ℃。均匀化热处理后铸锭在2 750 t 卧式挤压机上进行挤压生产，具体的挤压工艺见表2。

6063 铝合金型材规格为170 mm×55 mm×2.6 mm，直接从合金型材上截取长为300 mm 的试样，在箱式电阻炉中进行时效处理，温度为200 ℃，时间分别为2，4，6 和8 h，对时效后的挤压材进行组织与性能检测。

表 1 6063 铝合金成分（质量分数/%）Tab.1 Compositions of 6063 aluminum alloy(mass fraction/%)

表 2 6063 铝合金挤压工艺参数Tab.2 Extrusion process parameters of 6063 aluminum alloy

1.2 性能测试

采用AG-X100KN 型电子万能试验机进行室温力学性能测试，拉伸速度为1.5 mm/min，试样长度为180 mm；采用数显维氏硬度计测量不同时效时间下的试样硬度，对试样表面进行机械抛光，每个试样随机选5 个点，取平均值，工作载荷100 g，加载时间为10 s；采用AX10 型光学显微镜进行光学显微组织观察，并测量粗晶层的厚度；使用SSX-550型扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）观察第二相形貌和分布，试样横截面尺寸为25 mm×15 mm，腐蚀液为科勒试剂。

准静态压缩试验在微机控制的液压机上进行，设备的下端平面固定不动，上端进行上下运动，下压速度为100 mm/min，对不同时效制度处理后的试样分别进行5 组试验，取重复性最好的结果进行分析。

2 试验结果及分析

2.1 时效制度对组织的影响

时效制度对6063 铝合金型材晶粒度的影响，如图1 所示。从图1 中可以看出，粗晶层厚度随着时效时间的增加无明显变化，通过光学显微镜测量粗晶层平均厚度，不同时效制度下粗晶层厚度分别为40.36，43.65，48.96 和44.45 μm。

图2 为不同时效制度下6063 铝合金型材的SEM 图。研究表明，时效对合金晶粒尺寸的影响不大，所以本文主要分析时效后的析出相。针对6000 系铝合金，广为接受的析出顺序为：过饱和固溶体→团簇→GP 区→亚稳相β″→亚稳相β′→稳定相Mg2Si。由图2 可知，随着时效时间的延长，析出相会逐渐长大。如图2（a）和2（b）所示，此时主要形成GP 区和时效初期Mg 和Si 原子聚集形成的溶质原子富集区；如图2（c）所示，此时析出相长大，析出相主要为亚稳相β″和少量Q′；如图2（d）所示，析出相进一步长大，主要为粗化的Q′相和稳定相Mg2Si。

图 1 不同时效制度下6063 铝合金型材晶粒度实测图Fig.1 Measured graphs of the grain size of 6063 aluminum alloy profiles under different aging systems

图 2 不同时效制度下型材的SEM 图Fig.2 SEM images of the profiles under different aging systems

2.2 时效时间对合金力学性能的影响

不同时效时间处理后6063 铝合金型材的拉伸性能和硬度如图3 所示。随着时效时间的延长，6063 铝合金型材的强度与硬度先升高后降低。时效初期，组织中主要形成GP 区和团簇，能够阻碍位错运动，此时强度和硬度缓慢升高；当时效时间为6 h时，主要析出相为亚稳相β″，β″相在基体中产生共格畸变，从而使合金强度达到峰值，此时抗拉强度为273.25 MPa，屈服强度为249.56 MPa，伸长率为16.5%，维氏硬度为103.5。继续延长时效时间，析出相粗化，基体中弥散析出相体积分数减少，强度下降。

图 3 时效制度对6063 铝合金型材拉伸性能和硬度的影响Fig. 3 Effects of aging system on tensile properties and hardness of 6063 aluminum alloy profiles

图 4 不同时效制度下6063 铝合金型材的准静态压溃形貌Fig.4 Quasi-static crushing morphology of 6063 aluminum alloy profiles under different aging systems

2.3 时效时间对准静态压缩性能的影响

对不同时效时间处理后的6063 铝合金型材进行静态压溃试验，其表面形貌图如图4 所示。从图4中可以看出，不同时效时间处理后的6063 铝合金型材的压缩变形模式基本相同，均是手风琴模式与金刚石模式混合[12-13]，试样的表面较光滑，无橘皮现象。这是由于粗晶层厚度较薄，晶粒尺寸较均匀形成的，因时效对粗晶层影响较小，所以不同试样表面质量几乎无差别。当时效时间为6 h 时，合金中主要析出相为亚稳相β″，对位错的钉扎作用较大，提高了合金的变形抗力，所以此时试样承受的载荷最大；但是变形过程中位错钉扎作用较大会导致位错大量聚集塞积，形成位错塞积群，使位错分布不均匀，形成裂纹源。所以，在时效6 h 时试样表面出现了长度约5 mm 的裂纹，当时效时间较短时，主要为GP 区与原子团簇，尺寸较小，对位错的钉扎作用小；当时效时间较长时，析出相长大，数量减少，强化效果下降，所以其余时效时间的试样均无裂纹产生。

图5（a）为6063 铝合金准静态压缩载荷-位移曲线，不同时效时间的曲线趋势大体相同，波动次数不同。准静态压缩变形过程为：开始压缩时，合金发生弹性屈服，承受的载荷迅速增加，超过弹性屈服后变为塑性屈服，部分发生失稳变形，承受载荷继续增加进而达到峰值载荷，而后载荷缓慢下降，经历一定位移后下降至最低点，此时形成第一个褶皱，继续下压导致未变形区开始变形，形成下一个褶皱，往复循环。结合图4 得出，时效时间为2 h 时，褶皱数量最少，同时对应的载荷-位移曲线波动较少，由于此时合金屈服强度较低，承受载荷较小，变形量较大，所以变形次数较少。

对第一峰值前的载荷-位移曲线进行提取，如图5（b）所示。可知，试样承受的最大载荷大小关系与合金强度基本相同，时效时间为6 h 时，第一峰值载荷为176.3 kN，说明时效制度对6063 铝合金准静态压缩第一峰值的承载能力有较大影响，第一峰值出现位置与变形量有关，位置无明显变化，说明合金从弹性屈服转变为塑性屈服的临界点无变化。

根据准静态压缩的载荷-位移曲线，可以计算得出试样在压缩过程中的均值载荷（Fm）和吸收功（U），计算公式[14-15]为：

式中S 为试验过程中试样的瞬时位移。

图 5 时效制度对准静态压溃载荷、均值载荷、吸收功的影响Fig.5 Effects of aging system on quasi-static crushing load, mean load and absorption energy

图5（c）和5（d）分别是经过式（1）和式（2）计算后得出的均值载荷-位移曲线和吸能-位移曲线图。由图5（c）和5（d）可知，随着时效时间的延长，合金的均值载荷、吸能性能增加，时效时间为6 h 时，吸能性能最强。当相同位移为150 mm 时，时效时间6 h时的吸收功比时效2 h 的提高约48%。原因是随着时效时间的增加，合金的抗拉强度、屈服强度增大，所能承受的载荷增大，使得合金的吸能性能显著提高。

3 结 论

本文分析了不同时效制度对6063 铝合金型材准静态压缩性能的影响，在本研究范围内得到的主要结论如下：

（1）当时效温度为200 ℃时，随着时效时间的延长，合金中大尺寸析出相数量呈先增加后减少的趋势，粗晶层厚度基本不变。

（2）随着时效时间的延长，合金的强度、硬度增加，准静态压缩的承载能力增强，在6 h 时达到峰值。

（3）合金的吸能性能随时效时间的延长而提高，时效时间为6 h 时，型材的吸收功较2 h 的提高约48%。