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超大預(yù)拉伸變形對(duì)6061鋁合金板材組織和性能的影響

2022-06-15 09:06張新宇陳金生祖立成
有色金屬加工 2022年3期
關(guān)鍵詞:淬火電導(dǎo)率板材

張新宇 ,陳金生,祖立成,張 偉

(1.天津忠旺科技有限公司,天津 301700;2.遼寧忠旺集團(tuán)有限公司,遼寧 遼陽(yáng) 111003)

6061鋁合金作為Al-Mg-Si合金系的一種,由于具有密度小、比強(qiáng)度高、良好的加工性能與可熱處理強(qiáng)化等優(yōu)點(diǎn),而被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、半導(dǎo)體精密設(shè)備等領(lǐng)域[1-3]。對(duì)比鍛造擠壓等普通成型方式,軋制具有金屬塑性高能耗低、大壓下量改善鑄錠內(nèi)部缺陷等優(yōu)點(diǎn)[4]。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,6061鋁合金板材主要通過(guò)輥底爐高溫固溶處理后水冷淬火來(lái)獲得過(guò)飽和固溶體,進(jìn)而在后續(xù)時(shí)效過(guò)程中析出大量彌散強(qiáng)化相以提高板材綜合性能。但在水淬冷卻過(guò)程中,板材表層向心部方向會(huì)存在一定的溫度梯度,產(chǎn)生淬火殘余應(yīng)力,在后續(xù)加工過(guò)程中存在發(fā)生開(kāi)裂進(jìn)而影響其加工與疲勞腐蝕等性能的風(fēng)險(xiǎn)[5]。因此在淬火工序完成后,一般會(huì)對(duì)板材進(jìn)行一定量的預(yù)拉伸或振動(dòng)時(shí)效等工藝消除淬火殘余應(yīng)力[6]。

范寧等[7]人研究發(fā)現(xiàn)預(yù)拉伸工藝的加入可協(xié)調(diào)7055鋁合金厚板各部分塑性變形的行為從而達(dá)到消除淬火殘余應(yīng)力的效果;王淑慧等[8]人研究發(fā)現(xiàn)7A55鋁合金在固溶淬火后施加2%的預(yù)拉伸應(yīng)變后表面殘余應(yīng)力基本消除;王東輝等[9]人研究發(fā)現(xiàn)在6101B鋁合金中添加適當(dāng)?shù)念A(yù)拉伸可促進(jìn)第二相的析出,從而增強(qiáng)合金的強(qiáng)度與電導(dǎo)率。

目前,較多預(yù)拉伸研究主要針對(duì)于變形量為5%以內(nèi),對(duì)于超大預(yù)拉伸變形的研究極少。本文以6061鋁合金中厚板為研究對(duì)象,系統(tǒng)分析不同預(yù)拉伸變形量下板材時(shí)效強(qiáng)化性能及組織變化情況,為實(shí)際生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)所用材料為5.7mm厚6061鋁合金冷軋板材,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為,Si 0.66,F(xiàn)e 0.48,Cu 0.24,Mn 0.10,Mg 1.11,Cr 0.25,Ti 0.02,Al余量。對(duì)板材進(jìn)行580℃/40min固溶處理,室溫水冷淬火,之后于室溫條件下放置144h;然后按照,第一組預(yù)拉伸量變形量0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%;第二組預(yù)拉伸量變形量6.0%、8.0%、10.0%、12.0%、14.0%、16.0%、18.0%、20.0%,對(duì)板材進(jìn)行處理;最后經(jīng)170℃/12h人工時(shí)效處理后對(duì)板材的各項(xiàng)性能進(jìn)行分析測(cè)試。

參照GB/T 16865-2013標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)拉伸試驗(yàn)及室溫力學(xué)性能測(cè)試試樣制備,設(shè)備選用ZWICK Z100型萬(wàn)能測(cè)試機(jī),拉伸速率選擇2.5mm/min,取2根平行試樣的力學(xué)性能結(jié)果平均值作為試驗(yàn)有效結(jié)果。電導(dǎo)率測(cè)試采用德國(guó)菲希爾SMP10型渦流電導(dǎo)率儀,測(cè)試溫度為25.7℃。金相觀察采用Zeiss Axio Vert.A1型光學(xué)顯微鏡,對(duì)板材縱截面取樣并制備金相試樣,經(jīng)陽(yáng)極覆膜處理后在偏振光模式下觀察晶粒尺寸。采用Zeiss EVO- 18- BU型鎢燈絲掃描電子顯微鏡,對(duì)板材拉伸前后的第二相分布情況進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 常溫力學(xué)性能

不同預(yù)拉伸變形量下6061鋁合金板材力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如圖1所示。當(dāng)預(yù)拉伸變形量為0.5%~2.5%時(shí),6061鋁合金板抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度隨著預(yù)拉伸變形量的增加呈不斷下降的趨勢(shì);當(dāng)預(yù)拉伸變形量為2.5%~16%時(shí),6061鋁合金板抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度隨預(yù)拉伸變形量的增加呈線性上升趨勢(shì),其抗拉強(qiáng)度線性擬合方程為,σ=3.34ε+307.88;式中,σ為抗拉強(qiáng)度,MPa;ε為預(yù)拉伸變形量,%。

圖1 不同預(yù)拉伸變形量下6061鋁合金板材力學(xué)性能Fig.1 Mechanical properties of 6061 aluminum alloy sheets under different pre-stretching deformation

6061作為Al-Mg-Si系時(shí)效強(qiáng)化型鋁合金的一種,在變形過(guò)程中,合金強(qiáng)度的高低主要取決于Mg、Si相的存在形式、體積分?jǐn)?shù)與粒徑尺寸等。在本試驗(yàn)過(guò)程中,隨著預(yù)拉伸變形量的增加,基體中不斷引入了大量位錯(cuò),當(dāng)預(yù)拉伸變形量為16%時(shí),力學(xué)性能達(dá)到峰值,此時(shí)抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度與延伸率分別為359.76MPa、346.73MPa與12.74%。板材中位錯(cuò)的存在可加速6061鋁合金中Mg、Si、Cu等溶質(zhì)原子的擴(kuò)散,一般Al-Mg-Si系鋁合金時(shí)效析出順序?yàn)椋吝^(guò)飽和固溶體- GP區(qū)- β″- β′- β(Mg2Si),位錯(cuò)的引入可促進(jìn)基體內(nèi)部大量時(shí)效強(qiáng)化相的析出與長(zhǎng)大。由圖1可知,當(dāng)預(yù)拉伸變形量為0.5%~2.5%時(shí),板材內(nèi)部位錯(cuò)增加的同時(shí)造成析出相不斷粗化,即析出相粒徑尺寸增大,所以此時(shí)力學(xué)性能會(huì)有所降低[10];但隨著預(yù)拉伸變形量的不斷增加,合金的變形儲(chǔ)能增加,組織轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)力也在增大,析出相體積分?jǐn)?shù)不斷增加,則會(huì)導(dǎo)致力學(xué)性能呈線性上升。

2.2 電導(dǎo)率

圖2為不同預(yù)拉伸變形量下6061鋁合金板材電導(dǎo)率變化情況。由圖可知,隨預(yù)拉伸變形量的增加,電導(dǎo)率呈波動(dòng)式上升。鋁合金板材電導(dǎo)率的高低與其第二相的析出狀態(tài)、溶質(zhì)濃度及晶界析出相的尺寸與分布密切相關(guān)。在本試驗(yàn)過(guò)程中,隨著預(yù)拉伸變形量的不斷增加,電導(dǎo)率不斷上升。與原始6061板材相比,預(yù)拉伸變形量為16%時(shí),電導(dǎo)率提高1.41%IACS。這是因?yàn)樵陬A(yù)拉伸過(guò)程中基體內(nèi)引入大量位錯(cuò)的同時(shí)會(huì)伴隨著時(shí)效強(qiáng)化相析出,此時(shí)需要吸收大量的溶質(zhì)原子,在性能提高的同時(shí)也伴隨著基體固溶度的降低,導(dǎo)致基體內(nèi)部溶質(zhì)原子濃度降低,晶格畸變程度不斷減小,電子散射源數(shù)量減少,對(duì)自由電子的散射減弱[9],因此6061板材電導(dǎo)率呈波動(dòng)式上升態(tài)勢(shì)。

圖2 不同預(yù)拉伸變形量下6061鋁合金板材電導(dǎo)率Fig.2 Conductivity of 6061 aluminum alloy sheets under different pre-stretching deformation

2.3 金相組織

圖3為不同預(yù)拉伸變形量下6061鋁合金板材縱截面陽(yáng)極覆膜圖像。由圖可知,6061鋁合金板材經(jīng)預(yù)拉伸時(shí)效后縱截面晶粒主要沿軋制方向呈纖維狀分布。通過(guò)對(duì)比晶粒度可知,縱向晶粒平均截距從36.72μm降至32.99μm。

圖3 不同預(yù)拉伸變形量下6061鋁合金板縱截面陽(yáng)極覆膜圖像Fig.3 Longitudinal cross-sectional anode film images of 6061 aluminum alloy sheets under different pre-stretching deformation

圖4為不同預(yù)拉伸變形量下6061鋁合金板材厚度變化規(guī)律情況。隨預(yù)拉伸變形量的增加,板材試樣長(zhǎng)度變長(zhǎng),厚度減小,當(dāng)預(yù)拉伸量為16%時(shí)板材發(fā)生頭部局部斷裂,拉伸試樣厚度值與預(yù)拉伸變形量呈線性關(guān)系,T=-2.99ε+5.74;式中,T為試樣厚度,mm;ε為預(yù)拉伸變形量,%。從厚度變化曲線可知本次試驗(yàn)樣品相當(dāng)于冷軋最大加工率為8.41%,因其整體加工率相對(duì)較小,所以晶粒呈遞減變化規(guī)律現(xiàn)象不太明顯。

圖4 不同預(yù)拉伸變形量下6061鋁合金板厚度變化規(guī)律Fig.4 Thickness variation of 6061 aluminum alloy sheets under different pre-stretching deformation

2.4 第二相分析

圖5為不同預(yù)拉伸變形量下6061鋁合金板材富鐵相分布情況。由圖可知,當(dāng)預(yù)拉伸變形量低于4.0%時(shí),沿軋制方向分布少量塊狀α-AlFe(MnCr)Si相與點(diǎn)狀的α-AlFeSi(Cr)相。這是因?yàn)樵贏l-Mg-Si系鋁合金中由于雜質(zhì)元素Fe的存在,鑄錠內(nèi)部沿晶界析出大量β-Al5FeSi相。當(dāng)6061板材經(jīng)過(guò)軋制固溶后,伴隨著β-Fe相發(fā)生相轉(zhuǎn)變與破碎,沿晶界會(huì)出現(xiàn)大量點(diǎn)狀的α-Fe相。當(dāng)預(yù)拉伸變形量大于8.0%時(shí),基體內(nèi)存在較多的α-Fe相釘扎在晶界處,可有效抑制熱處理后晶粒長(zhǎng)大并提高其板材力學(xué)性能。

圖5 不同預(yù)拉伸變形量下6061鋁合金板材富鐵相分布情況Fig.5 Distribution of iron-rich phases in 6061 aluminum alloy sheets under different pre-stretching deformation

3 結(jié)論

(1)5.7mm 6061鋁合金冷軋板材最佳熱處理加工工藝為,560℃/40min固溶+4%預(yù)拉伸+170℃/12h人工時(shí)效,可在保持其力學(xué)性能情況下改善板型。

(2)當(dāng)預(yù)拉伸變形量大于2.5%時(shí),6061鋁合金板材抗拉強(qiáng)度隨預(yù)拉伸變形量的增加呈線性關(guān)系,σ=3.34ε+307.88;當(dāng)預(yù)拉伸變形量為16%時(shí),力學(xué)性能達(dá)到峰值,此時(shí)抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度與延伸率分別為359.76MPa、346.73MPa與12.74%。

(3)6061鋁合金板材厚度與預(yù)拉伸變形量呈線性關(guān)系:T=-2.99ε+5.74;隨預(yù)拉伸變形量的增加,縱向晶粒平均截距從36.72μm降至32.99μm,遞減變化規(guī)律現(xiàn)象不太明顯。

(4)6061鋁合金板材固溶淬火后經(jīng)適當(dāng)?shù)念A(yù)拉伸可促進(jìn)板材時(shí)效過(guò)程強(qiáng)化相的析出,從而提高其電導(dǎo)率與力學(xué)性能。

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