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车用铝合金微结构演变与性能研究

2021-04-10 65 上传者：管理员

摘要：自21世纪以来，汽车行业得以快速发展，我国汽车保有量更是逐年增长。与此同时，铝合金也成为汽车领域中的重要原材料，并在汽车制造中大量使用。对于铝合金来说，其自身的力学性能将对汽车的运行性能及安全性产生直接的影响。因此，对车用铝合金的微结构演变进行深入研究，以此分析其力学性能变化，对于提高汽车安全性能及可靠性具有重要的现实意义。鉴于此，本文便对车用铝合金微结构演变及其性能开展深入的研究。

关键词：
微结构
性能
演变
车用铝合金
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一、试验材料及方法

在本文中将6061铝合金作为试验材料，按照560℃、16h的试验条件来进行均匀化处理，获得铸锭，然后利用8MN卧式挤压机来开展挤压试验，以此获得相应的铝合金棒材，并以5mm/s的速度进行挤压，将挤压比的值设定为25，型材在经过挤压后到达出口时的温度则达到550℃，以获得相应的纤维组织。通过DWK-702型温控仪与SRJ-45箱式电阻炉来对获得的铝合金棒才进行固溶处理，处理时间设置为1h，处理温度则按照505℃、515℃、525℃、535℃、545℃与555℃进行分档，经固溶处理以后进行水冷至室温，以使其组织形貌不发生变化。将180℃设定成人工时效温度，时效时间则按照每两小时的间隔进行设置，分别是2h、4h、6h、8h、10h，时效后空冷至室温。

在试验过程中，通过数控线沿着其挤压方向进行切割，以便于获得相应的压缩式样，该试样为圆柱体，尺寸为8mm×4mm，并采取分离式霍普金森压杆来测试铝合金材料在不同热处理条件下的动态强度。在实验过程中，需要确保挤压方向与冲击方向相同，然后对应变速率进行不同设置，以便于开展动态压缩试验，并采取应变环来对试样应变量进行控制。在对不同处理状态下的样品开展力学性能测试时，则通过HV-1000显微硬度计来完成，将5组值中的平均值作为标准硬度值，并采用500#至2000#的水磨砂纸，对待观察金相的试样进行预磨，然后实施机械抛光，并采取阳极覆膜。利用POLYVERMET偏光显微镜来观察试验样品的金相组织。在观察实验样品物相时，则采取透射电镜来完成，通过机械预减薄以后获得的薄膜样品，还要采取双喷电解减薄，然后对获得的样品进行显微组织观察，可采取TECNAIG2F20电镜来进行透射观察

二、试验结果与分析

(一)不同固溶温度条件下铝合金微观结构演变及其性能变化

通过观察不同固溶温度下，固溶态合金在硬度方面所产生的变化，可以了解到，固溶温度越高，则固溶合金硬度也会随之提升，但是当固溶温度达到535℃时，则固溶钛合金硬度面保持在70HV的峰值，此时即使固溶温度继续升高，固溶态合金的硬度变化幅度几乎可以忽略不计。究其原因在于当固溶温度达到535℃时，绝大多数的合金元素均已进入基体，此时铝合金呈现出比较稳定的过饱和度。

将固溶处理时间设定为1h，并对不同固溶处理温度下的铝合金挤压棒材显微组织进行观察。观察结果表明，当固溶温度不断提升，使铝合金挤压棒材中的晶内粗大相粒子与晶界粗大相粒子的数量不断减少，这些相粒子纷纷融入至基体中。当固溶温度达到515℃时，因此时的固溶温度是比较低的，此时铝合金中的原子在迁移扩散过程中产生的速度也相对较慢，此时铝合金中并未溶解的第二相有着大量的残留，这也造成机体中有着较低浓度的强化相。在后续时效中，也很少能从基体组织内析出强化相，因此时效强化效果较差，此时的铝合金具有较高的塑性，但其强度却偏低。当固溶温度不断提升时，则铝合金中的原子会产生更快的扩散速度，此时基体内融入的可溶第二相粒子数量也不断增加，这时时效析出的强化相数量会不断增加，这时铝合金材料的强度也会持续提高。固溶温度达到535℃时，则基体内融入的第二相已基本饱和，此时如果固溶温度继续增加，即使固溶温度达到545℃，则铝合金棒材的微观组织也不会出现较为明显的变化。通过上述实验可以了解到，固溶温度在535℃时，6061铝合金挤压棒材在经过一个小时的固溶处理以后，其固溶效果达到最佳的。

通过对固溶温度不同条件下的6061铝合金挤压棒材进行流变应力曲线分析，可以了解到应变速率在2000s-15500s-1的情况下，该铝合金随着固溶温度的改变，其表面硬度的变化也是趋于一致的，并且铝合金的抗变形能力会因固溶温度的提升而增强，并在固溶温度达到535℃时，铝合金的抗变形能力达到最强。当固溶温度继续提升时，铝合金不会出现较大幅度的动态流变应力变化。

当应变速率为2000s-1时，固溶温度的不同时，6061铝合金挤压棒材试样的应变率保持不变，应变率的值为0.2。由此可以了解到，如果固溶温度比较低，因为获得高溶质原子浓度，使得位错运动不会受到较大阻碍，这也使得材料具备较差的变形抗力，此时会观察到少量的位错组织。固溶温度提升时，则对试样的固溶强化有着明显的效果，此时位错运动会受到明显的阻力，这也使得位错呈现出均匀分布变化，并形成了许多为错胞，这也使得试样在变形过程中会产生更加明显的流变应力。

(二)不同人工时效时间条件下铝合金微观结构演变及其性能变化

通过上述实验并分析实验结果，可以确定铝合金的最佳固溶温度为535℃，最佳固溶时间为1h，通过对铝合金试样实施固溶处理以后，将温度设定在180℃，并对保温时间进行不同设置，以此对试验样品实施人工时效处理。通过观察人工时效处理效果，可以了解到6061铝合金的时效强化效果非常明显，铝合金的时效硬度在前期快速上升，随后则出现略微下降，当保温时间为8h时，铝合金的时效硬度峰值可达到104HV，而当时效时间继续增长时，铝合金的时效硬度则呈现出缓慢下降趋势。通过对时效处理时间不同下的样品进行动态压缩曲线观察，可以了解到冲击荷载中应变速率达到2000s-1与5500s-1时，此时的铝合金有着很明显的应变强化与应变率强化效应，并且实效时间的持续增加，会使铝合金的动态强度越来越强，当人工实效时间达到8h时，铝合金的动态强度达到了力学性能峰值，应变率的不断提高，也使得铝合金材料出现了较小幅度的流变应力增加。

保温时间不同情况下，通过观察6061铝合金棒材在人工时效处理以后的显微组织变化，可以发现α(SSSS)沉淀相最先析出，随后析出的是GP区，然后是β’’与β’，最后析出的沉淀相为β。在时效处理初期，可以发现Si原子在铝合金基体晶面上大量聚集，进而产生了溶质原子偏聚区，并和基体形成了共格关系，所以叫做GP区共格应变区，其是由大量聚合体组成的，因共格应变区具有抗变形能力，所以铝合金的硬度及强度有所提高。当实效时间有所增加时，GP区会转化成强化相β’’，而β’’则是和基本共格的单斜晶系，β’’进一步转化成杆状β’，对于β’来说，其属于六方结构，和基体局部具有共格关系，相比于β’’来说，其强化效果不如前者，而β’最终会向着β相进行转化，β是相沿基体面中析出的盘状平衡相。时效时间为4h时，通过电子显微镜进行透射观察，可以发现铝合金中会析出和β’’强化相，该强化相和基体共格，并且是沿着AI基体的<100>方向进行析出的，β’’强化相属于纳米级。共格边界是原子是两相共有，而对于基体来说，其之所以会产生弹性应变，其目的是为了对两相原子排列进行有效适应，但其弹性畸变则会严重阻碍位错运动，这样铝合金的强度便会有所提升。如果β’’相的尺寸不断增加，则基体内的应力场也会随之遍布其中，并由此使合金强度不断提高，直至达到峰值为止。在时效初期，之所以6061铝合金棒材会具有更高的强度，究其原因还是在于GP区的形成，并且当人工时效时间变得更长时，β’’在固溶体内的析出相也会越来越多，通过8h的时效处理以后，沿铝合金基体<100>方向进行析出的针状β’’析出相数量也会大量增加，这些针状β’’析出相弥散于整个固溶体内。

当应变速率为2000s-1时，6061铝合金试样在进行人工时效处理后，可以观察到其微观组织图像，通过观察2h的人工时效处理所获得的6061铝合金试样微观组织图像可发现，其析出相以GP区为主，这会阻碍变形中的对位错，因析出相有着较小的粒子尺寸，所以并不会给位错运动造成明显的钉扎作用，大量位错仍旧能自由运动，其位错密度并不高。而通过观察4h的人工时效处理所获得的6061铝合金试样微观组织图像可以发现，一些析出相已经从GP区转化成了β’’，因β’’会很大程度上阻碍位错运动，这也使材料在变形过程中产生较大阻力，进而引发位错堆积现象，这时的位错密度有了明显的提高。通过观察8h的人工时效处理所获得的6061铝合金试样微观组织图像可以发现，时效处理效果此时达到峰值，并且析出强化作用最大，大量的β’’密度使其能够充分发挥出钉扎位错的作用，进而使铝合金在此时的变形抗力达到最大，由于位错大量堆积，使得位错密度大幅增加，这也使位错在微观结构中呈现出网状均匀分布状态，并形成了大量的位错胞，所以铝合金在此时是具有最大动态流变应力的。

三、结语

总而言之，铝合金材料作为汽车制造领域中的重要原材料，其材料力学性能对汽车安全性、可靠性等产生着直接的影响，所以对车用铝合金材料的微观结构演变及性能开展研究非常重要，本文便分析了固溶时效处理过程中6061铝合金材料在微观结构上出现的演变及其性能变化情况，从而为冲击载荷下铝合金的合理运用提供了重要的试验依据。

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