嚴(yán)衛(wèi)才，王洪卓，董劉穎，李海洋，邵倩男

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

汽車保險(xiǎn)杠位于汽車前部，是前部碰撞事故中首先接觸的部位，在人車碰撞中降低對(duì)行人的傷害和車車碰撞中減小對(duì)車輛的損壞方面起著重要作用，轎車前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)一般由保險(xiǎn)杠加強(qiáng)橫梁、吸能盒、托架、內(nèi)襯等[1-3]。當(dāng)汽車發(fā)生輕微碰撞接觸時(shí)，吸能盒的作用不僅僅是吸能，需要在撞擊發(fā)生后，通過(guò)自身對(duì)能量進(jìn)行一定的吸收，進(jìn)而降低撞擊應(yīng)力，之后將自身吸收剩余的大部分撞擊能量通過(guò)自身按照設(shè)計(jì)好的吸能系統(tǒng)傳遞到汽車縱梁、骨架等相容區(qū)[4,5]。防撞梁和吸能盒等都是為了在低速情況下進(jìn)行吸能，良好的結(jié)構(gòu)耐撞性要求結(jié)構(gòu)變形壓縮過(guò)程有序、穩(wěn)定、規(guī)則，既提高了汽車的被動(dòng)安全性，又降低了撞擊帶來(lái)的維修成本。本文以6008鋁合金為研究對(duì)象，研究不同熱處理狀態(tài)下材料的力學(xué)性能及吸能性能，為工業(yè)上Al-Mg-Si合金型材熱處理工藝的制定和熱加工時(shí)的微觀組織調(diào)控提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本文采用6008鋁合金擠壓型材，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為，Si 0.6～0.8，Mg 0.5～0.7，F(xiàn)e 0.35，Cu 0.3，Mn 0.3，Cr 0.2，Ti 0.1，Zn 0.2，V 0.15。本試驗(yàn)采用2750MN正擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓，鑄錠溫度為480℃～530℃，擠壓速度為2.5m/min～3.1m/min，淬火方式為水霧+穿水。

對(duì)經(jīng)過(guò)在線淬火的6008合金型材進(jìn)行取樣、時(shí)效、測(cè)試等處理。(1)沿?cái)D壓方向截取200mm的型材用于壓縮實(shí)驗(yàn)，另取180mm的型材用于拉伸、金相等測(cè)試；(2)對(duì)截取的試樣進(jìn)行不同制度的時(shí)效處理，時(shí)效溫度為175℃，保溫時(shí)間為0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、5h、7h、9h；(3)采用AG-X 250KN萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，采用AG-X 100KN萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，采用AX10型光學(xué)顯微鏡(OM)進(jìn)行光學(xué)顯微組織觀察。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)檢測(cè)

圖1為6008料樣力學(xué)性能在175℃下不同時(shí)效保溫時(shí)間的變化趨勢(shì)，可以看出隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)，強(qiáng)度值、屈強(qiáng)比整體呈上升再趨于平緩的趨勢(shì)，延伸率呈降低再升高的趨勢(shì)；在7h時(shí)，達(dá)到峰值強(qiáng)度，且延伸率最低。相關(guān)文獻(xiàn)表明，時(shí)效過(guò)程中形成溶質(zhì)原子團(tuán)簇和各種亞穩(wěn)析出相，這些析出相本身和其所引起的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的主要障礙，導(dǎo)致合金的強(qiáng)度隨之提高。合金的強(qiáng)度隨著時(shí)效階段基體組織與沉淀析出相的變化而變化[6]。在0.5h～2.5h內(nèi)屈強(qiáng)比線性增加，2.5h后屈強(qiáng)比上升幅度趨于平緩。

2.2 顯微組織

根據(jù)力學(xué)變化趨勢(shì)，選用時(shí)效保溫時(shí)間為0.5h、2.5h、5h、7h，進(jìn)行顯微組織觀察，如圖2所示。隨著時(shí)效時(shí)間的增加，合金中的灰色析出相逐漸增多，保溫時(shí)間為7h時(shí)，析出相最多。一般認(rèn)為6xxx鋁合金時(shí)效強(qiáng)化主要的析出順序?yàn)?，過(guò)飽和固溶體(SSSS)→(Mg+Si)團(tuán)族/GP區(qū)→亞穩(wěn)的β″相→亞穩(wěn)的β′相→平衡β相。(Mg+Si)團(tuán)簇和GP區(qū)一般在時(shí)效初期就已從基體中析出，并對(duì)基體起到一定的強(qiáng)化作用[7]。該合金析出過(guò)程與圖1所示強(qiáng)度變化規(guī)律相同。時(shí)效初期(圖2(a))，晶內(nèi)析出相較少，主要是靠(Mg+Si)團(tuán)簇和GP區(qū)進(jìn)行強(qiáng)化；隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，2.5h和5h時(shí)，強(qiáng)度增加，該過(guò)程合金中已經(jīng)析出了部分GP區(qū)和少量β″強(qiáng)化相，7h時(shí)強(qiáng)度最高，該過(guò)程為峰值時(shí)效，β″強(qiáng)化相析出基本完成。

(a) 0.5h；(b) 2.5h；(c) 5h；(d) 7h圖2 單級(jí)時(shí)效下顯微組織隨時(shí)效保溫時(shí)間的變化Fig.2 Changes of microstructure with time-effect holding time under single-stage aging

2.3 壓縮檢測(cè)

根據(jù)壓縮結(jié)果可知，在時(shí)效0.5h～2h內(nèi)壓縮后試樣中部形成3個(gè)褶皺，對(duì)應(yīng)加載曲線呈現(xiàn)第一峰值后為小幅度波動(dòng)曲線；時(shí)效2.5h后，每個(gè)褶皺的致密性高，褶皺完成即完全壓縮狀態(tài)，對(duì)應(yīng)載荷曲線波動(dòng)幅度最大，周期性最強(qiáng)；3h波形與2.5h接近，具有較強(qiáng)的周期性，壓縮試樣邊部的褶皺處出現(xiàn)橫向裂痕(約7mm)；時(shí)效5h后，試樣開始出現(xiàn)大裂紋，加載曲線的規(guī)律性破壞。屈強(qiáng)比是直接體現(xiàn)材料塑性的一種表征方法，2.5h后屈強(qiáng)比最高且趨于平緩，屈強(qiáng)比越大，抵抗材料變形程度越大，材料越容易被破壞。因此，取時(shí)效時(shí)間為0.5h、2.5h、5h、7h為例，進(jìn)行宏觀形貌觀察，如圖3所示。這種壓縮模式的變化主要與材料的機(jī)械性能有關(guān)，屈服強(qiáng)度增加，抵抗微小塑性變形能力提高，第一峰值載荷增加，屈強(qiáng)比增加，材料抗塑性變形能力增強(qiáng)，且試樣在不破壞的前提下壓縮褶皺的致密性提高。

(a)0.5h；(b)2.5h；(c)5h；(d)7h圖3 單級(jí)時(shí)效下壓縮形貌隨時(shí)效保溫時(shí)間的變化Fig. 3 Changes of compression morphology with time-effect holding time under single-stage aging

圖4為準(zhǔn)靜態(tài)壓縮的載荷位移曲線、吸能位移曲線。以未破壞試樣褶皺為例。開始試驗(yàn)時(shí)，試樣承受載荷迅速增加，由彈性階段進(jìn)入塑性階段，進(jìn)入塑性階段后某一位置開始失穩(wěn)變形，達(dá)到峰值載荷后開始下降，經(jīng)過(guò)一段位移之后下降至最低點(diǎn)，此時(shí)第一個(gè)褶皺形成完畢；繼續(xù)下壓，未變形區(qū)開始變形，形成下一個(gè)褶皺。由圖4(a)可以看出，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，峰值載荷增長(zhǎng)，在時(shí)效1.5h～2.5h階段，第一峰值載荷增長(zhǎng)較快，第一峰值位置左移，寬度減少，尤其在2.5h時(shí)增長(zhǎng)速度最快，每個(gè)褶皺完成對(duì)應(yīng)加載曲線呈現(xiàn)第一峰值后周期性的波峰與波谷，且每一個(gè)中間大褶皺完成對(duì)應(yīng)加載曲線上一個(gè)大波峰與波谷，邊部小褶皺完成則對(duì)應(yīng)一個(gè)小波峰與波谷。根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮的載荷-位移曲線，通過(guò)公式(1)計(jì)算得出試樣在試驗(yàn)過(guò)程中的吸收功(U)，公式如下[8,9]：

(1)

式中，S為試驗(yàn)過(guò)程中試樣的瞬時(shí)位移。根據(jù)圖4(b)可知，同一位移處，試樣的吸能性能呈線性增加。當(dāng)壓縮行程為120mm、時(shí)效2.5h時(shí)，試樣的吸收能量為12897.7J，相比時(shí)效2h試樣的吸收能量12412.0J，提升了500J。且隨著時(shí)效時(shí)間的增加，吸收能量也增加。2.5h吸收能量最大，0.5h最小，即時(shí)效時(shí)間越短為0.5h，合金內(nèi)只有CP(Mg+Si)團(tuán)族/GP區(qū)從晶體中析出，會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度較低。即在不破壞褶皺的前提下，吸收能量越大，強(qiáng)度越大，屈強(qiáng)比越高。

(a)加載載荷；(b)吸收能量圖4 單級(jí)時(shí)效下加載載荷、吸能性能隨著位移的變化曲線Fig. 4 Variation curve of loading load and energy absorption performance with displacement under single-stage aging

3 結(jié)論

(1)隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，6008鋁合金時(shí)效溫度為7h時(shí)，達(dá)到峰值強(qiáng)度，延伸率最低；在0.5h～2.5h內(nèi)屈強(qiáng)比線性增加，2.5h后屈強(qiáng)比趨于平緩；

(2)隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，壓縮變形方式發(fā)生變化，時(shí)效2.5h后，加載曲線呈周期變化，變形褶皺均勻，材料利用率高。時(shí)效5h后彎曲壓縮裂紋較嚴(yán)重，時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)，壓縮破壞較大。在未破壞褶皺的前提下，隨著時(shí)效時(shí)間的增加，吸能性能逐漸增加。