变形热处理对6082铝合金组织性能影响的研究

第33卷第2期上海金属Vol．33，No．2102011年3月SHANGHAIMETALSMarch，2011作者简介:王飞，男，主要从事铝合金形变热处理强化的研究，电话:[phone]，Email:[e-mail]变形热处理对6082铝合金组织性能影响的研究王飞张恒华龙伟(上海大学材料科学与工程学院，上海200072)【摘要】对6082铝合金施以不同的压缩变形量，并进行530℃固溶1h及175℃时效7h的热处理，再用光学和力学性能测试设备对6082铝合金形变及热处理后的组织和力学性能进行了研究。实验结果表明，形变热处理可以有效地提高6082铝合金的力学性能并在一定程度上改善组织。变形量为30%时，材料的抗拉强度达到最大值。【关键词】6082铝合金形变热处理组织EFFECTSOFDEFORMATIONONTHEMICROSTRUCTUREANDPROPERTIESOF6082ALUMINUMALLOYWangFeiZhangHenghuaLongWei(SchoolofMaterialsScienceandEngineering，ShanghaiUniversity)【Abstract】The6082aluminumalloywascompressedwithdifferentcompressiondeformationrate，solutiontreatedat530℃for1h，andagedat175℃for7h．Themetallurgicalmicroscopeandmechanicaltestingmachinewasusedtostudythemicrostructureandmechanicalpropertiesof6082a-luminumalloyafterthethermomechanicaltreatment．Itwasshowedthatthethermomechanicaltreat-mentcouldenhancethemechanicalpropertiesandimprovethemicrostructureofthe6082aluminumalloy．Thetensilestrengthof6082aluminumalloyreachedthemaximumwhenthedeformationratewas30%．【KeyWords】6082AluminumAlloy，Deformation，HeatTreatment，Structure6082铝合金属于Al-Mg-Si系，是一种可热处理强化的变形铝合金，具有良好的可成形性，耐腐蚀性好，强度中等［1］。人们常采用热处理的方式提高材料的性能指标［2］，但材料经热处理后，其抗应力腐蚀和抗剥落性能并不理想。形变热处理是将形变强化与热处理强化相结合，使成形工艺与获得最终性能统一起来的一种综合方法［3-4］。高曙等人［5］认为，时效强化塑性较好但强化效果较差，形变强化的强化效果好但塑性较差。形变热处理可增加位错密度，降低时效析出相的尺寸，从而显著提高铝合金的强度［6-7］。王建华等人［8］认为冷变形可以使显微组织不均匀，增加位错密度，时效处理时在位错线上析出大量细小的强化相，而这些细小的强化相又阻碍位错线的运动，从而显著提高合金的强度。何立子［9］认为时效强化可使质点在基体中分布均匀以改善形变所导致的组织不均匀性。目前，铝合金轮毂更多的用于卡车，对轮毂的力学性能提出了更高的要求，生产方式逐渐由A356压铸成型向6061锻压成型转变，可是现今对于锻压工艺改善力学性能的研究还比较少，设计本试验以模拟铝合金轮毂锻压的制备方法，进行先形变再时效处理的强化工艺，以了解锻压工艺的优势。1实验材料及方法1．1实验材料实验采用6082变形铝合金铸棒，加工试样形第2期王飞等:变形热处理对6082铝合金组织性能影响的研究11状、尺寸以及力学性能取样位置如图1所示，拉伸试样尺寸大小如图2所示。1．2实验方法将图1所示尺寸的10份试样平均分为两组，一组为冷变形，一组为热变形，在2000kN液压式万能试验机上进行压缩变形，变形量均为0%、5%、15%、20%、30%。冷变形的温度为室温;热变形的温度为470℃。冷变形压缩时速度为5mm/min，热变形压缩时速度为10mm/min。根据柏振海、黎文献等人所研究结果的做法［9］，将变形后的两组试样进行530℃固溶处理1h，并在室温水中淬火，随后放入烘箱中在170℃时效7h。将时效后的10份试样分别切取如图2所示的拉伸试样，每份材料切取3份做拉伸试验。拉伸速率为3mm/min。由于冷变形30%时试样表面在压缩试验中已经产生龟裂，故选取的拉伸试样面为没有龟裂的一面。然后切取试样在HB-3000型布氏硬度计上进行测试。每个试样测量3组数据，结果取平均值。最后制备金相并用金相显微镜观察组织形貌，并记录拍摄照片。2试验结果及讨论2．1变形对6082铝合金力学性能的影响力学性能测试结果见图3，从图中可以看出，冷变形和热变形的抗拉强度的总体趋势都是随着变形量的增加而增大。变形量较小时，抗拉强度相对未变形的材料增大幅度比较大。当变形量达到5%～20%时，抗拉强度的增长幅度变缓，尤其是进行热变形的材料，变形量在15%～20%时，有较小的下降趋势。然后变形量在20%～30%时，冷变形和热变形的抗拉强度增大幅度变大。图3变形对6082铝合金抗拉强度和延伸率的影响Fig．3Influenceofdeformationonthetensilepropertiesof6082alloy冷变形过程中，由于基体组织产生加工硬化，出现大量位错，试样在随后的时效处理时，位错线上会析出大量细小的强化相，而这细小的强化相又会对位错运动产生钉扎阻碍作用，从而在冷变形的过程中抗拉强度逐渐增大。热变形过程中，金属材料由于变形所导致的加工硬化过程与动态回复引起的动态软化过程同时进行，这两个相互矛盾的因素决定材料经变形后的性能变化。材料的强化和软化作用是同时存在的，在变形的初期，金属材料内部位错密度不断增加，阻碍变形过程，产生加工硬化，变形抗力迅速上升，同样位错缺陷在变形过程中通过滑移移动。当变形到一定值时，可能会导致再结晶产生的晶粒比较粗大，即发生临界变形，这会导致强化过程变得不理想，抗拉12上海金属第33卷强度开始迅速下降，这可能是如图3所示热变形20%时产生抗拉强度下降的原因。由图3所示的延伸率的曲线变化可以看出，随着变形量从0%到20%变化过程中，冷变形的延伸率逐渐下降，这与其抗拉强度的变化趋势刚好对应，而当变形量从20%到30%变化时，延伸率突然呈较大幅度上升趋势，这是因为当变形量达到30%时，发生再结晶，晶粒得到细化，从而产生细晶强化效果，致使延伸率也异常增大。热变形过程中，变形量从0%到5%变化时，延伸率下降较快，而在变形量从15%到20%变化时，延伸率稍有上升趋势，到30%时又呈下降趋势，这与热变形抗拉强度的变化相对应。总的来说，在较大程度变形后，延伸率的降低程度比较小，说明时效过程中析出的硬质点强化相是比较细小和弥散的，这析出相的细小弥散程度会削弱其本身硬而脆所引起的延伸率的下降，这对6082铝合金在一定程度上保留塑性来提高强度的问题上有一定的指导作用。2．2变形对6082铝合金硬度的影响据图4所示冷热变形的硬度值随变形量的增大而变化关系可见，在变形的初始阶段，冷热变形的硬度均随着变形量的增加而大幅增加，这是由于变形产生的位错强化效应对硬度的提高起主要作用，并且相对未变形的材料来说，变形初始阶段材料内部产生大量的位错，在随后时效处理时，会在位错上析出大量细小弥散的强化相，从而致使硬度值大幅度提高。随着变形量的继续增大，试样组织会伴随着动态回复导致的软化，所以冷变形的硬度值基本分布在一个稳定值上下小幅度波动，而发生热变形的材料的硬度值明显下降，然后又有上升趋势。图4变形对6082铝合金硬度的影响Fig．4Influenceofdeformationonthehardnessof6082alloy产生上述现象的原因可能是由于冷变形过程中位错强化对硬度提高起到主要作用，而热变形时，既有加工硬化，又有动态回复软化，加工硬化大于动态回复软化时表现为强度和硬度上升，加工硬化小于动态回复软化时表现为强度和硬度下降，这有可能是随后热变形时硬度有下降的原因。又由于热变形是塑性变形和热处理同时作用于合金的工艺，通过形变强化和相变强化，将两者有机地结合起来，利用材料在形变过程中组织织构的改变，影响相变过程和相变产物，通过这样的方式从而导致6082铝合金在热变形后硬度又有所提升。2．3显微组织与变形程度2．3．1冷变形金相组织图5是6082铝合金在不同变形量下的冷变形组织，可见，随冷变形量的提高，晶粒拉长的趋势越来越明显，并且当变形量达到30%的时候，发生再结晶，晶粒整体上显得较前几种变形更为细小。图56082铝合金冷变形组织金相照片Fig．5Opticalmicrographofmicrostructureof6082alloyunderdifferentcooldeformationcompression第2期王飞等:变形热处理对6082铝合金组织性能影响的研究132．3．2热变形金相组织6082铝合金热变形的组织变化，与冷变形趋势相似(见图6)。晶粒在横向上变得扁长，随着变形量的增大，晶粒更为细小均匀。而当变形量为20%时，组织中出现如图6(d)右上角所示的大晶粒，这可能是导致热变形20%的抗拉强度有所下降的原因。由此可见，随着变形量的增大，晶粒被拉长的程度越来越明显。当变形程度较小时，冷变形和热变形导致的晶粒变化情况基本一致，而当变形程度较大时，冷变形的组织相对变得较为扁长和细小。图66082铝合金热变形组织金相照片Fig．6Opticalmicrographofmicrostructureof6082alloyunderdifferenthotdeformationcompression3结论(1)形变热处理可以有效地提高6082变形铝合金的力学性能，并在一定程度上改善组织。(2)该合金经热变形后，其抗拉强度和硬度在小变形量时均高于经冷变形后的值。当变形量达到30%时，冷热变形的抗拉强度均达最大值333MPa。(3)该合金无论是经过热变形还是冷变形，其强度均随变形量的增大而增大;延伸率随着变形量增大呈先减小后增大的趋势，当变形量达到30%时，冷变形试样延伸率达最大值13．3%，而热变形试样延伸率却再次减小。(4)变形后，合金组织较变形前变得更为均匀，晶粒变得比较细小。尤其是冷变形量为30%时，合金的组织变得最为细小，这也与其延伸率的增大相一致。参考文献［1］李雪松，陈军，张鸿冰．6082铝合金热变形的本构模型［J］．中国有色金属学报，2008，18(10):1769-1774．［2］许珞萍，邵光杰，李麟，等．汽车轻量化用金属材料及其发展动态［J］．上海金属，2002，24(3):1-3．［3］林启权，张辉．形变热处理对2519铝合金性能的影响［J］．矿冶工程，2004，24(1):92-99．［4］田荣璋，王祝堂．铝合金及其加工手册［M］．长沙:中南大学出版社，2000:103-104．［5］高曙，许明华，蒋为吉．铝合金形变热处理的电镜组织分析［J］．宇航材料工艺，1995，(4):44-51．［6］余琨，李松瑞．含Sc和Zr的2618铝合金冷轧板材退火时组织性能的变化［J］．金属热处理，1999，(11):14．［7］SinghS，GoelDB．Influenceofthermomechanicalagingontensilepropertiesof2014aluminumalloy［J］．J．Mater．Sci．，1990，25:3894-3900．［8］王建华，易丹青，陈康华．形变热处理对2618铝合金性能的影响［J］．热加工工艺，2000，(2):13-14．［9］何立子．Al-Mg-Si系合金组织性能［J］．东北大学学