停放时间及拉伸率对6061铝合金挤压型材力学性能的影响

2020-11-12刘旭东庞俊铭

铝加工 2020年5期

刘旭东，胡皓，刘欢，庞俊铭，张悦

（辽宁忠旺集团有限公司，辽阳111003）

0 前言

铝因其具有比强度高、加工性能好、优良的导电性和导热性且易于回收等诸多优点被大规模用作国民经济和人民生活中的绿色金属材料，成为仅次于钢铁的第二大金属材料[1]。在世界范围内，超过80%以上用于生产挤压型材的铝合金为6×××系铝合金，即Al-Mg-Si 系合金，该系合金作为挤压、轧制和锻造合金，已广泛应用于航空航天、电子、建筑及汽车工业领域[2-4]。

6061铝合金是典型的6×××系铝合金，其合金中Mg、Si 含量稍高，并含有少量的铜。该合金加工性能良好，可以进行大的塑性变形，比如加工成板、管、棒等，因此广泛应用于具有一定强度和耐蚀性高的各种工业结构件中。此外该合金可焊性好，可以用各种焊接方法进行焊接[5]。因其应用广泛，材料研究工作者从组织和性能方面均进行了大量研究。而在实际生产中，在线生产的6061 挤压型材无法直接进行后续处理，中间均要停放一段时间。且在线生产后拉伸率的大小在范围内波动，而非稳定数值，而国内对于长期停放方面的研究少之又少。鉴于此问题，本文选取某截面型号6061 铝合金研究分析了改变其拉伸率及停放时间长短对6061 铝合金组织与力学性能的影响，探讨停放时间及拉伸率对6061 合金力学性能的影响规律，为6061 铝合金的实际生产提供一定的理论依据和实践经验。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所需材料为我厂某型号6061 铝合金挤压型材，合金成分见表1。

表1 6061铝合金挤压型材化学成分（质量分数/%）

1.2 试验方法

试验采用φ254 mm 铸锭，于2 750 t 挤压机上进行型材挤压。将生产出的挤压型材在线淬火后于不同拉伸率下进行拉伸，拉伸率如表2所示。拉伸后在室温下分别停置1、5、10、15、20、30 d后进行T4 力学性能测试。采用AG-X 100KN 电子万能试验机，并按相关标准进行室温拉伸试验，试验温度为23 ℃。该标准要求如下：

T4状态：Rp0.2≥180 MPa；Rpm≥110 MPa；A50mm≥13%

表2 6061铝合金挤压型材拉伸率

2 试验结果与分析

2.1 停放时间及拉伸率对型材高倍组织的影响

分别对不同拉伸率的挤压型材经不同停放时间后取样进行高倍过烧检测，结果见表3。由表3 可知，随着停放时间的增长，不同拉伸率的型材高倍组织均无过烧。W 型材停放时间为1～10 d 时，型材组织中Mg2Si 相尺寸变化不大；当停放时间为10～15 d 时，型材中的Mg2Si 相较短期略大；停放20～30 d时，Mg2Si相尺寸变小，数量逐渐减少。

表3 不同停放时间对型材组织的影响

2.2 停放时间及拉伸率对型材晶粒度的影响

表4是针对不同拉伸率、不同停放时间的挤压型材的晶粒度检测图片。从计算结果可以看出，在0%拉伸率下，当挤压型材停放1～5 d时，晶粒度等级较小，说明型材的晶粒尺寸较大；当停放10～15 d时，晶粒度等级有所增大，说明该型材的晶粒尺寸减小；当停放时间为20～30 d 时，晶粒度等级又开始减小，说明晶粒尺寸再次增加。在1.2%拉伸率下，停放时间小于5 d 时，挤压型材晶粒度等级较小，说明型材的晶粒尺寸较大；当停放5～15 d 时，晶粒度等级有所增大，说明该型材的晶粒尺寸减小；当停放时间为20～30 d 时，晶粒度等级又开始减小，说明晶粒尺寸再次增加。当拉伸率为1.85%、停放1～10 天时，挤压型材晶粒度等级较小，说明型材的晶粒尺寸较大；当停放15 d时，晶粒度等级达到2.5，说明该型材的晶粒尺寸较小；当停放时间为20 d 时，晶粒度等级减小至0.5，晶粒尺寸再次增加。

表4 不同停放时间对型材晶粒度的影响

2.3 停放时间及拉伸率对型材力学性能的影响

在实际生产过程中，在线淬火后生产的型材需要在拉伸后进行成品锯切，拉伸率的大小并非固定，而是在要求范围内上下波动。拉伸率的大小同样会对挤压型材的力学性能产生一定的影响，同时往往无法直接进行下一步工序，或多或少会放置一段时间，放置时间的多少对挤压铝合金的力学性能均有一定的影响，这种现象称为“停放效应”。

为了分析不同停放时间和拉伸率对挤压型材力学性能的影响，选取相同批次挤压型材，经在线淬火后选用不同拉伸率、不同停放时间进行放置，并对试样进行力学性能测试，所得结果如表5所示。

表5 停放时间及拉伸率对挤压型材力学性能的影响

为了研究不同停放时间对挤压型材T4力学性能的影响，根据表3绘制如图1～图3所示的力学性能曲线图。对于未进行拉伸的挤压型材，随着停放时间的延长，抗拉强度和屈服强度呈现逐渐提高的趋势，断后延伸率略微波动，但变化趋势不大。当在线挤压后不进行拉伸而直接检测发现，屈服强度并不满足型材力学要求，如图1所示；对于正常拉伸的挤压型材，随着停放时间的延长，力学性能呈现波动趋势，当停放时间超过15 d时，屈服强度逐渐下降，如图2所示；对于过拉伸试样而言，随着停放时间的延长，力学性能同样有波动，当停放时间大于15 d时，屈服强度和抗拉强度均呈现下降趋势，当停放时间大于20 d时，又开始提高，如图3所示。

图1 不同停放时间对W挤压型材力学性能的影响

图2 不同停放时间对Z挤压型材力学性能的影响

图3 不同停放时间对G挤压型材力学性能的影响

目前对铝合金产生“停放效应”的解释众说纷纭，然而较多的研究更倾向于停放效应与室温停留时产生的GP区重新溶解有关。本文所用材料中Mg与Si 的质量比＜1.73，说明材料中含有过剩Si。停放时间较短时，自然时效产生的GP 区尺寸较小，且不稳定；随着停放时间的增加，GP 区长大，尺寸合适且稳定，而合金中过剩Si以Si的偏聚团形式存在，强化相增加，合金的力学性能提高；当停放时间继续增加，合金中GP 区继续长大，导致沉淀硬化物析出数量减少，从而降低合金的力学性能；当停放时间过长时，那些小于临界尺寸的GP 区可能均长大至稳定的晶核尺寸，合金的强度有所回升[6-8]。

综上所述，对于该型号6061 合金而言，停放时间不应该大于15 d，当停放小于15 d 时，其T4屈服强度、抗拉强度及延伸率均满足要求，但未进行拉伸的试样停放时间需大于5 d方可保证其T4状态力学性能满足标准要求；当停放时间超过20 d时，虽然T4 状态力学性能满足要求，但呈波动下降趋势。

图4 不同停放时间下拉伸率对挤压型材力学性能的影响

为了研究拉伸率对挤压型材T4 力学性能的影响，绘制图4所示力学性能变化图，停放天数分别为1、5、10、15、20、30 d。由图可知，随着拉伸率的增加（0%（W）→1.2%（Z）→1.85%（G）），断后伸长率均无变化，屈服强度逐渐提高，抗拉强度呈现波动趋势。拉伸量越大，合金位错密度越大，在自然时效状态下，由于形变强化可以使合金的抗拉强度逐渐提高[9]。