自然时效及Cu对6061型铝合金塑性的影响

纪艳丽，陈 林，郭世杰，李虎田

(中铝材料应用研究院有限公司 苏州分公司，江苏 苏州 215026)

6×××系铝合金由于具有轻质、较好的塑性和较高强度，被认为是替代钢制汽车车身外面板的较佳材料[1]。车身用6×××系铝合金先在铝厂轧制及固溶处理，再经过一段时间存储和运输后在汽车部件厂冲制成面板部件[2]。6×××系铝合金在存储及运输过程中将发生自然时效，自然时效降低材料后续烤漆硬化能力。自然时效过程中的组织演变及其对后续烤漆过程的影响已有较多研究[3-4]，但自然时效对材料的力学性能，尤其是加工硬化以及应变速率硬化能力的影响鲜有报道，这对材料的成型性能影响至关重要。此外6×××系铝合金的主合金元素为Mg、Si元素，形成Mg2Si亚稳相。同时，在6×××系铝合金中添加Cu元素，可提高强化相的析出动力学以及形成新的含Cu强化相，进一步提高材料的强度[5]。Cu对6×××系铝合金塑性的影响规律也有必要进一步的研究。

本试验研究了Cu及自然时效对6061型铝合金拉伸性能尤其是拉伸塑性的影响规律，以期为汽车车身用6×××铝合金的成分调整及性能控制提供依据。

1 试验方法

试验合金的化学成分如表1所示。按照该成分进行熔铸及铸锭均匀化处理，然后对铸锭进行热轧及冷轧，对冷轧板进行550 ℃0.5 h固溶处理、水淬、自然时效。

表1 试验合金的化学成分 (质量分数/%)Table 1 Compositions of the alloys for testing(wt/%)

2 试验结果与分析

2.1 材料的晶粒组织

图1为1#及2#合金自然时效态的组织。由图1可见，添加Cu后晶粒大小无显著的变化。

图1 试验合金的组织Fig.1 Structure of the alloys for testing

2.2 自然时效硬度曲线

试验合金的自然时效硬度曲线见图2。由图2可见，不含Cu的1#合金，在自然时效的初始10 min内硬度基本不发生变化；10 min后硬度出现明显的上升，直到自然时效7 d后，硬度才趋于稳定。添加Cu的2#合金，初始硬度由于Cu元素固溶强化的原因而高于1#合金的，但由于Cu元素对自然时效的抑制作用，自然时效1h后，2#合金的硬度方与1#合金的一致。在接下来的自然时效过程中，2#合金的硬度比1#合金的略低，这充分表明了Cu元素对自然时效的抑制作用。

图2 试验合金的自然时效曲线Fig.2 Natural ageing curves of the alloys for testing

2.3 自然时效对不含Cu的1#合金力学性能的影响

图3为1#合金的力学性能随自然时效时间变化规律。如图3示，强度性能表现出的变化规律与硬度的一致；而伸长率则随着自然时效的进行持续下降，直到自然时效1 d后，才趋于稳定。

图3 自然时效对不含Cu的1#合金力学性能的影响Fig.3 Influence of natural ageing time on mechanical properties of alloy 1# without Cu

图4为材料的Kocks-Mecking曲线。根据Kocks-Mecking模型[6]，在材料的加工硬化率(work hardening rate)与流变应力(应力与屈服应力之间的差值)曲线中，有一段线性区域代表了材料加工硬化的第三个阶段，即动态回复阶段，在这个阶段内发生位错的增殖和湮灭。这一线性阶段与纵轴的交点即为初始加工硬化率(initial work hardening rate，IWHR)。材料内基体溶质含量越高，初始加工硬化率越大，则加工硬化能力越高[7]。而这一线性阶段的斜率即为动态回复率(dynamic recovery rate，DRR)，基体中溶质含量越高，斜率越小，动态回复率越低[8]。

图4 1#合金的Kocks-Mecking曲线Fig.4 Kocks-Mecking plots for alloy 1#

从图4中Kocks-Mecking曲线获得的合金初始加工硬化率以及动态回复率数据见图5。从图5可看出，随着自然时效的进行，由于基体中溶质原子含量的降低而造成合金初始加工硬化率不断地下降。在自然时效7 d后，初始加工硬化率的变化趋于稳定；另一方面，随着自然时效过程中溶质的析出，动态回复率也随之下降，自然时效7 d后，动态回复率趋于稳定，即淬火态的动态回复率高于时效态的，这与Kocks-Mecking理论及文献的报道不相符[8]。但Zolotorevsky et al[9]也报道了类似的现象。这可能是由于在自然时效态合金拉伸过程中发生了更加明显的动态析出现象，从而降低了合金的动态回复率[10]。

图5 自然时效时间对1#合金初始加工硬化率与动态回复率的影响Fig.5 Effect of natural ageing time on the initial work hardening rate and dynamic recovery rate of alloy 1#

总的说来，淬火态或者短时间(如1 h)自然时效的样品基体中含有更多的溶质，因此具有较高的加工硬化能力(均匀伸长率)。随着自然时效的不断进行，溶质从基体中析出，因而加工硬化能力(均匀伸长率)随之下降。

应变速率硬化反映了材料抵抗由于应变速率升高而强度下降的能力。应变速率硬化能力越高，总伸长率和均匀伸长率的差值(post-uniform elongation后均匀塑性)越大[11]。通常应变速率硬化能力可用应变速率敏感性系数(strain rate sensitivity，SRS)来表征。溶质原子与移动位错将产生交互作用，形成动态应变时效(dynamic strain ageing)，将会降低SRS。通常增加基体中溶质及空位含量皆降低SRS[12]。

不同时效状态下的SRS如图6所示。从图6可看，自然时效1 h的SRS明显低于自然时效1 d及其后续的时效时间的SRS，因此随着自然时效的进行后均匀塑性出现增大的趋势(如图3)。这是由于随着自然时效的进行，基体中溶质原子及空位浓度下降，因而SRS也随之升高，后均匀塑性增加。

图6 1#合金不同热处理状态下SRS与真应变的关系曲线Fig.6 The dependence of SRS on true strain for alloy 1# under different tempers

2.3 Cu对拉伸性能的影响

如表2示，2#合金与1#合金相比，自然时效30 d后，其屈服强度并无显著的区别，但含Cu的2#合金的抗拉强度明显高于不含Cu的1#合金的。与此同时，含Cu的2#合金的均匀塑性略高于不含Cu的1#合金的，而2#的总伸长率略比1#的低。这表明添加Cu后，可提高材料的加工硬化能力(屈服和抗拉强度的差值越大，加工硬化能越大)，但降低应变速率硬化能力(总伸长率和均匀伸长率的差值越大，应变速率硬化能力越大)。

表2 1#和2#合金自然时效30 d后力学性能Table 2 Mechanical properties of alloys 1# and 2# after 30 d of natural ageing

试验合金的Kocks-Mecking曲线如图7示。Cu元素的添加并不改变Kocks-Mecking曲线线性部分的斜率，而显著的增加线性部分与Y轴的截距(见表3)。这意味着，Cu对加工硬化的影响主要为增大了位错增值速率，而并非降低了动态回复速率。因此Cu的添加可增大合金的均匀塑性。

图7 1#合金和2#合金自然时效30 d后的Kocks-Mecking曲线Fig.7 Kocks-Mecking plots for alloys 1# and 2# naturally aged for 1 month

表3 试验合金自然时效30 d后的初始加工硬化率与动态回复率Table 3 Initial work hardening rate and dynamic recovery rate of alloys 1# and 2# naturally aged for 30 d

此外，试验合金自然时效30 d后的应变敏感性系数如图8示。在接近均匀应变0.20附近处，含Cu合金的应变敏感系数低于不含Cu合金的应变敏感性系数，因此2#合金体现出略微低于1#合金的后均匀塑性。这是因为增加溶质原子(Cu)后，造成动态应变时效(dynamic strain ageing)增加，从而对合金应变速率硬化能力不利。

图8 1#合金和2#合金自然时效30 d后的SRSFig.8 Dependence of SRS on the true strain for alloys 1# and 2# naturally aged for 30 d

3 结 论

6×××铝合金随着自然时效的进行，由于基体中溶质原子的减少，造成合金加工硬化能力的下降，从而造成均匀塑性及总塑性的下降。溶质原子的减少，也减少了动态应变时效对应变速率硬化的不利影响，从而造成后均匀塑性的逐步上升。此外，添加Cu之后，由于提高了加工硬化能力，因此含Cu合金具有更高的均匀伸长率。但是增加溶质原子(Cu)促进了动态应变时效的发生，因此降低了合金材料的后均匀塑性。