高密度电脉冲处理时间对6N01铝合金微观组织和力学性能的影响

2022-07-12辛雅轩孙卓彬王贯盈梁永梅彭珍珍刘豫韩帅琦

金属加工(热加工) 2022年7期

辛雅轩，孙卓彬，王贯盈，梁永梅，2，彭珍珍，2，刘豫，韩帅琦

1.河北科技大学材料科学与工程学院河北石家庄 050018

2.河北省材料近净成形技术重点实验室河北石家庄 050018

1 序言

6N01铝合金属于Al-Mg-Si系可热处理强化铝合金，具有良好的成形性、焊接性和耐蚀性，已广泛用于轨道交通、航空航天和船舶制造等领域[1]。6N01铝合金型材通常为热挤压成形，为了优化热加工过程中的组织和力学性能，往往需要对型材再进行固溶处理析出强化相重溶，以便在后续人工时效过程中得到细小弥散的强化相[2]。传统固溶处理温度为500～550℃，时间控制为2h左右，且传热效率低，这会造成能源的大量消耗[3]。电脉冲处理作为一种新型的高能、瞬时处理技术，现已被证明可代替传统加热炉对金属材料进行热处理，且具有效率高、节能环保等优点[4]。随着电脉冲处理技术的逐渐发展与完善，该技术在材料加工与研究过程中受到了越来越多的重视[5]。

电脉冲处理技术在提高金属材料的塑性[6]、降低再结晶势垒[7]和促进原子扩散[8]等方面有着无可比拟的优势。KIM等[9]发现电脉冲处理可以诱导材料中的位错发生回复，使得材料的流变应力下降，塑性显著增加。另一项研究发现，电脉冲可以降低再结晶过程所需的势垒，并且因为处理温度低、时间短而使得晶粒更加细小[10]。同时，电脉冲在辅助材料加工中也有重要的应用，在2219铝合金时效过程中施加电脉冲处理能有效地减少时效所需时间，并且使析出相尺寸更加细小、分布更加弥散[11]。电脉冲能在较短时间内改善材料的微观组织与力学性能，然而关于电脉冲处理时间对6N01铝合金的微观组织与力学性能的影响少有研究。本文通过改变脉冲处理时间来探究电脉冲对6N01铝合金的处理效果。

2 试验材料与方法

试验材料选用6N01铝合金，化学成分见表 1，试样尺寸为60mm×5mm×3.5mm。电脉冲正脉宽为50ms，占空比为50%，电流密度为250A/mm2，电脉冲处理时间分别为0.5s、1s和1.5s。在电脉冲处理结束后，立即采用水冷的方式快速冷却。选取未经任何处理的原始态试样作为对比样品。在电脉冲处理过程中，使用多路热电偶（TP700）记录试样的温度变化，用示波器记录电脉冲的波形。采用数字显示维氏硬度计（THV-1MD）进行硬度测试，载荷设定为500g（4.9N），加载时间为10s，硬度点距为0.5mm。拉伸试样按照ASTM-E8M—2004标准制备，取3组平行拉伸试样，采用美国电子拉伸试验机（INSTRON 5582）在室温下以2mm/min的平均速度进行拉伸试验。金相试样经机械抛光后，采用阳覆膜法进行电解腐蚀，在倒置金相显微镜（LEICA DMi8）下观察试样的显微组织。

表1 6N01铝合金化学成分（质量分数）（%）

3 试验结果与讨论

3.1 电脉冲处理时间对试样温升的影响

利用电脉冲在不同的时间下（0.5s、1s、1.5s）处理6N01铝合金。当电流经过金属时，电阻的存在会产生一定的电阻热。电脉冲不同处理时间的温升曲线如图1所示。由图1可知，试样的峰值温度随着电脉冲处理时间的增加而逐渐上升，且温升的改变量逐渐增大。

图1 电脉冲不同处理时间的温升曲线

3.2 电脉冲处理时间对试样硬度的影响

为研究电脉冲处理时间对6N01铝合金硬度的影响，测试了电脉冲分别处理0.5s、1.0s、1.5s后铝合金的硬度变化曲线，如图2所示。由图2可知， 6N01铝合金试样经过电脉冲处理0.5s后，其硬度平均值为82HV，相较于原始态（平均值85HV）有所降低；而当试样经过电脉冲处理1.0s后，硬度显著下降，其硬度平均值降低到66HV；当试样经过电脉冲处理1.5s后，硬度平均值继续下降到45HV。以上结果表明，6N01铝合金经高密度电脉冲处理后其硬度值降低，且处理时间越长，硬度降低越明显。

图2 电脉冲处理不同时间后试样的硬度变化曲线

3.3 电脉冲处理时间对试样拉伸性能的影响

经电脉冲处理不同时间后试样的应力-应变曲线如图3所示。电脉冲处理不同时间后试样的力学性能如图4所示。分析发现，与原始态相比，经电脉冲处理的6N01铝合金伸长率显著升高，抗拉强度和屈服强度有所降低。而且随着处理时间的增长，试样伸长率不断增加。与原始态相比，经电脉冲处理1.5s后的试样伸长率由12.4%提升至19.7%。随着处理时间由0.5s增加到1s，6N01铝合金屈服强度和抗拉强度均有所下降。但与处理1s的试样相比，电脉冲处理1.5s后试样的屈服强度和抗拉强度反而稍微增加。与原始态相比，电脉冲处理1.5s后，试样屈服强度由245 MPa下降至171 MPa，抗拉强度由279MPa下降至192MPa。

图3 经电脉冲处理不同时间后试样的应力-应变曲线

图4 电脉冲处理不同时间后试样的力学性能

综上所述，6N01铝合金经高密度电脉冲处理后，不仅其伸长率升高，抗拉强度和屈服强度降低，而且经电脉冲处理的时间越长，铝合金试样的伸长率越大，即塑性越好。

3.4 电脉冲处理时间对材料微观组织的影响

经过电脉冲处理不同时间的6N01铝合金试样的微观组织如图5所示。由图5a可观察到，原始态试样晶粒呈均匀的纤维状；由图5b可知，经高密度电脉冲处理0.5s后的试样晶粒开始细化，晶粒尺寸与图5a相比有所减小，但纤维状晶粒占绝大部分；经电脉冲处理1.0s后，晶粒细化程度进一步增强，只剩下一小部分纤维状晶粒；当处理时间增加到1.5s时，大部分晶粒转变为细小的等轴晶，此时晶粒细化程度最大。通过上述分析可知，6N01铝合金经高密度电脉冲处理的时间越长，其晶粒细化程度越强。