预拉伸变形对6016铝合金显微组织及性能的影响

2023-01-13孙中国王如川崔立治冉凡青

铝加工 2022年6期

孙中国，王如川，崔立治，田斌，冉凡青

（天津忠旺铝业有限公司，武清 301700）

0 前言

近年来，随着新能源汽车的迅速发展，对轻量化材料的需求越来越迫切。铝合金因其质轻，比强度高，良好的冲压性，易回收等优点，许多国家都致力于铝合金在汽车领域的应用研究，并将铝合金推广应用到汽车内板、外板、零部件、电池壳体等部位[1-3]。其中，Al-Mg-Si系合金因T4/T4P态具有良好的冲压成形性，烤漆后具有较高的强度等特点，成为汽车用外板的首选材料[3-4]。材料冲压后，每个部位的变形是不一致的，有的变形量较大，有的变形量较小，材料对应位置的组织、性能及表面质量也会不同。本文选用6016材料，在经过气垫炉生产线固溶淬火及预时效处理后进行不同预拉伸处理，分析材料金相、力学性能、表面罗平线与拉伸变形量之间的关系，为研究6016汽车板冲压后不同变形量位置的材料性能、组织及特性提供参考。

1 试验材料及方法

本试验所用合金为6016合金冷轧板带，合金成分如表1所示。将实验材料在气垫淬火线进行540℃/20 s固溶处理后立即风冷淬火，随后在生产线的预时效炉进行预时效处理。卷曲温度为80℃，并自然冷却至室温。停放1个月后，取样对材料分别进行0%、2%、4%、8%、12%和16%不同程度的预拉伸处理，拉伸方向垂直于轧制方向。并对已拉伸的材料在热处理期间进行185℃/20 min的热处理模拟烤漆。

表1 试验用6016铝合金的化学成分（质量分数/%）

按照GB/T 228.1标准进行拉伸试验，对其抗拉强度、屈服强度、断裂延伸率进行测量。按照GB/T 3246.1对试样进行金相制样，并用光学显微镜对试样纵截面的晶粒组织进行观察与测量。材料预拉伸后，用320目油石在铝板表面进行单向打磨。

2 结果与分析

2.1 预拉伸对显微组织的影响

图1为6016合金经过不同预拉伸后的金相组织，测试方向平行于拉伸方向。如图1（a）所示，固溶态组织已经完全再结晶，晶粒为等轴球状，平均晶粒尺寸为50μm。随着预拉伸量的增加，外加载荷不断增加，材料开始发生塑性变形，晶粒组织沿着预拉伸的方向有逐渐伸长的趋势。拉伸小于4%时，明显不变化；拉伸8%时能够看到有轻微的变形；拉伸为16%时晶粒变形很明显，呈现椭圆状。

图1 不同预拉伸量下的金相组织

2.2 预拉伸对表面形貌的影响

6×××系铝合金经过预拉伸后表面会出现罗平线，主要跟材料内部立方织构、高斯织构有关。已有报告表明在冷轧轧制过程中易产生立方织构、高斯织构。这两种织构相对稳定，容易沿着轧制方向产生，并将此结构遗传至固溶后的材料。材料在垂直轧制方向拉伸时，立方织构较软容易变形减薄，但是高斯织构偏硬不易减薄。如果软硬取向不同的晶粒经过拉伸后就会形成软硬不同的带状结构，并出现罗平线[5-6]。

图2为材料经过不同预拉伸后的表面形貌。可知材料经过2%预拉伸后，材料表面形貌已出现变化，隐约可以看到纵向纹路，并且随着预拉伸的逐步递增，表面罗平线的轮廓逐渐趋于明显。16%预拉伸时最清晰，纹路间距基本保持一致。Y.Shi[5]研究表明，材料内部织构的不均匀分布会造成不均匀的塑性变形，罗平线在低应变下就会出现，高应变时不会改变材料的罗平纹的轮廓，但是会增加轮廓的深度及幅度。

图2 不同预拉伸量下的罗平线形貌

2.3 预拉伸对T4力学性能的影响

图3和图4是材料在不同拉伸变形量下力学性能的变化趋势。从图中可以看出，随着预拉伸变形量的增加，材料的抗拉强度、屈服强度近似抛物线形增加，屈服强度增长幅度较抗拉强度大，增长趋势逐渐变小；延伸率、n值下降趋势明显，r值基本保持不变。预拉伸前材料的抗拉强度、屈服强度、断裂延伸率、n10、r10分别为220 MPa、111 MPa、28.3%、0.29、0.63；经过16%预拉伸后，分别为256 MPa、240 MPa、12.9%、0.09、0.62。抗拉强度增长36 MPa，屈服强度增长129 MPa，延伸率降低15.4%，n值降低0.2。这可能是因为预拉伸发生塑性变形，造成内部组织的位错密度增加。位错的交互作用及在晶界堆积会造成滑移困难，使变形抗力增加，达到加工硬化的效果[7-8]。同时材料的基体含有析出相，当施加外力产生变形并逐步增大变形时，析出相会逐渐细化，并在位错位置析出颗粒，产生析出强化作用[9]。两种效果叠加造成强度增加，屈强比变大，延伸率降低。

图3 不同预拉伸量下T4态为力学性能的变化

图4 不同预拉伸量下n10、r10的变化（T4态）

从曲线可以看出，试样经过预拉伸处理后，材料的力学性能与拉伸变形量有很好的函数关系，其中抗拉强度与拉伸变形量的关系为：

式中Y为抗拉强度，Z为屈服强度，A为延伸率，X为拉伸变形量。

2.4 预拉伸对烤漆性能的影响

6×××汽车外板经过冲压成形后，通常需要通过烤漆硬化提高强度，烤漆温度为185℃，保温20 min。图5为材料经过不同预拉伸处理及烤漆后材料的性能变化曲线。由图可知，不同拉伸变形量6016合金经过烘烤处理后，随着预拉伸量增加，材料的抗拉强度、屈服强度保持上升趋势，延伸率成线性下降，拉伸为16%时，强度不再增加并开始呈下降的趋势。无拉伸时，烤漆后抗拉强度、屈服强度、延伸率分别为262 MPa、1770 MPa、21.3%；经过16%预拉伸并烤漆后分别为289 MPa、247 MPa、13.7%，延伸率较烤漆前的12.9%反而有所提升。

抗拉强度与拉伸变形量的关系为：

式中Y为抗拉强度，Z为屈服强度，A为延伸率。

图5烤漆后不同预拉伸量下材料性能变化

图6 为经过不同预拉伸处理的材料经过烤漆处理后抗拉强度、屈服强度的增量。由图可知，材料的抗拉强度增量先增加后降低，屈服强度一直为下降趋势。无预拉伸烤漆后抗拉强度、屈服强度增量分别为42 MPa，66 MPa，延伸率降低7%；16%预拉伸烤漆后抗拉强度、屈服强度增量分别为33 MPa和7 MPa，延伸率增加0.8%。随着拉伸量增加，烤漆强化效果有减弱趋势，这主要是由于大变形会导致位错过高，局部区域发生位错缠结，强化相的析出不够均匀，限制了强度提升。并且大变形量合金在烘烤处理过程中会发生回复，位错在运动中相互抵消并消耗部分能量，减小部分强化相的析出，造成烤漆强化效果减弱，强度增量降低；同时错密度降低为提升合金的塑性起到积极作用[10-11]。