二级时效工艺对6061铝合金力学性能和组织的影响

2023-11-05唐嘉强刘学刚乔明伟

新技术新工艺 2023年10期

唐嘉强,刘学刚,周新,乔明伟,胡兴

(重庆通用工业(集团)有限责任公司,重庆 401336)

6061铝合金属于可热处理、可强化的变形铝合金,因其具有中等的强度、良好的可焊接性、耐蚀性、优良的成型性和良好的塑性而被广泛应用[1-2]。目前有学者对6061铝合金的热处理工艺进行了研究,6061铝合金时效处理时相的析出顺序为:过饱和固溶体→原子团簇→GP区→β″→β′过渡相→β平衡相[3-4]。6061铝合金通过固溶时效处理可以有效提高合金的综合力学性能,在增强材料强度的同时,保证材料的塑性不再降低[5]。人工时效后的6061铝合金基体中弥散分布着大量的板条状析出相(β-Mg2Si)和溶质富集区(GP区),此时6061铝合金的强度较高,伸长率较低[6-7]。传统的6061铝合金采用T6峰值时效制度时(180 ℃×8 h)能达到良好的力学性能(抗拉强度约300 MPa,硬度约105 HV),但时效时间长,能耗高,生产效率较低[8-9]。鉴于上述情况,本文将采用双级时效工艺对6061铝合金板进行试验研究,对比不同双级时效制度下材料力学性能和组织的变化情况,在保证材料性能的前提下探索能耗低、生产周期短的时效工艺方案,以期为后续的应用提供参考。

1 试验材料及方案

试验采用厚度为2 mm的6061-T6铝合金冷轧板,化学成分见表1。

表1 6061-T6铝合金冷轧板材化学成分(质量分数) (%)

首先对试样进行固溶处理,使用SX2-4-10箱式电阻炉将铝合金板加热到530 ℃保温0.5 h后室温水淬,随后进行温度180 ℃保温2 h的一级预时效,最后按照表2所示的工艺方案按组分别进行150～230 ℃的二级终时效1～4 h。

表2 6061-T6铝合金二级时效试验方案

对不同时效工艺下的试样进行检验分析,具体操作如下:将制好的试样经腐蚀后放在光学蔡司显微镜下观察。按照标准尺寸使用线切割方式裁取试样后,对不同铝合金试样进行拉伸试验,每组拉伸试验重复3次,拉伸速度为1 mm/min。采用MH-5型维式显微硬度计检测试样硬度。使用扫描电镜完成拉伸断口形貌观察。

2 试验结果分析

2.1 金相分析

不同二级时效工艺下铝合金的金相组织如图1所示。不同二级时效温度下相同保温时间的金相组织对比如图1a～图1c所示,从图1a中可以看出,铝合金基体上分布着拉长的等轴晶粒,晶粒内部和晶界处都有颗粒状和长条状第二相即β-Mg2Si强化相析出,但分布不够均匀;当二级时效温度为190 ℃时,由图1b可以看出,等轴晶粒更细化,强化相更多,析出更均匀,弥散程度相应增大,这种弥散分布的强化相均匀分布于合金基体内,对位错滑动起到钉扎阻碍作用,从而提高合金强度。随着二级时效温度升高至230 ℃,由图1c可以看出,晶粒长大,第二相粒子的尺寸与数量呈现出不均匀分布。

a) 180 ℃×2 h+150 ℃×2 h

b) 180 ℃×2 h+190 ℃×2 h

c) 180 ℃×2 h+230 ℃×2 h

d) 180 ℃×2 h+190 ℃×1 h

当二级时效温度为190 ℃时,二级时效时间对6061-T6铝合金显微组织的影响如图1b、图1d和图1e所示。图1d为二级时效时间为1 h的状态,出现了较大的等轴晶晶粒,铝合金基体存在较多溶质富集区以及部分板条状的β-Mg2Si,但析出相不够均匀。当时效时间延长至4 h(见图1e)时,板条状的β-Mg2Si析出相颗粒数量明显增多,尺寸明显长大,合金基本处于过时效状态,影响了合金的力学性能。上述检测结果表明,在二级时效温度较低或二级时效时长不足时,铝合金基体内弥散强化作用较弱;二级时效温度过高或二级时效时间过长,晶粒长大,均匀性降低。

2.2 力学性能检测结果分析

2.2.1 不同二级时效工艺对力学性能的影响

通过单向拉伸试验检测出材料的抗拉强度、断后伸长率等性能参数,结果如图2所示。随时效温度升高、时效时间延长,材料抗拉强度呈现先增大后减小的趋势。当二级时效制度为190 ℃×2 h时,铝合金的抗拉强度最大,为335.7 MPa,此时的断后伸长率最低为13.01%。当二级时效温度为190 ℃、时效时间为4 h时,铝合金的抗拉强度达到最小值295.3 MPa,断后伸长率为14.59%。结合图1分析可知,这是因为β-Mg2Si强化相在时效过程中弥散析出,对材料起到强化作用,并且使晶粒得到一定细化。但随着二级时效的时间延长,晶粒长大粗化,由晶粒长大引起的负面效果开始凸显并逐渐占据主要地位,故造成材料的强度开始下降。

a) 不同二级时效温度下的拉伸性能(时效时间2 h)

b)不同二级时效时间下的拉伸性能(时效温度170 ℃)

2.2.2 不同二级时效工艺对材料硬度的影响

采用维氏硬度计测量不同二级时效工艺制度下材料的硬度,结果如图3所示。从图3a中可以看出,在相同的二级时效时间下,随着二级时效温度的升高,材料的硬度达到峰值后又继续下降。当二级时效温度从150 ℃上升至190 ℃时,6061铝合金的硬度值从102.5 HV上升至峰值119.7 HV。通过二级时效处理,板材内的溶质原子在晶体内与晶界处不断析出并逐渐长大,形成弥散分布的β-Mg2Si强化相,使等轴晶粒更细化,从而提高了材料硬度。

a) 不同二级时效温度下材料的硬度(时效时间2 h)

b) 不同二级时效时间下材料的硬度(时效温度190 ℃)

当二级时效温度为190 ℃时,不同的二级时效时间下6061铝合金的维氏硬度同样呈现先增大后减少的趋势。图3b中,当二级时效时间从1 h增加至2 h时,试样的维氏硬度值从109.6 HV提升至119.7 HV,但延长保温时间至4 h后,试样的硬度减小至105.1 HV,结合图1可知,这是由于材料发生了过时效所导致的。

2.3 不同二级时效工艺对断口形貌的影响

在拉伸试验后,使用扫描电镜观察不同双级时效工艺下6061铝合金冷扎板的试样断口形貌,结果如图4所示。可以看出6061铝合金在不同双级时效制度下的拉伸试样均有明显的韧窝,属于韧性断裂。在韧性断裂时,韧窝的大小、深浅和数量取决于材料断裂时夹杂物或第二相粒子的大小、间距、数量及材料的塑性和试验温度[10]。对比图4a～图4c可以看出,当时效时间为2 h、时效温度从150 ℃上升至230 ℃时,由于β-Mg2Si强化相的弥散析出,导致韧窝数量明显增多,韧窝尺寸变小,晶粒得到细化,使得铝合金的强度提升,这与金相观察到的结果基本吻合。当温度上升至230 ℃时,韧窝尺寸增大,深度变浅,结合图1可知,此时晶粒长大,第二相粒子的尺寸与数量呈现出不均匀的分布,进而造成铝合金强度下降;对比图4d与图4e,当二级时效温度为190 ℃时,随着保温时间的增加,大尺寸的韧窝数量减少,韧窝分布更均匀、密集。随着二级时效时间延长至4 h,晶粒长大粗化,由晶粒长大引起的负面效果开始凸显并逐渐占据主要地位,故造成材料的大尺寸韧窝明显增多,材料均匀性下降,此时材料的抗拉强度最差。