自然時效及Cu對6061型鋁合金塑性的影響

紀艷麗，陳 林，郭世杰，李虎田

(中鋁材料應用研究院有限公司 蘇州分公司，江蘇 蘇州 215026)

6×××系鋁合金由于具有輕質、較好的塑性和較高強度，被認為是替代鋼制汽車車身外面板的較佳材料[1]。車身用6×××系鋁合金先在鋁廠軋制及固溶處理，再經過一段時間存儲和運輸后在汽車部件廠沖制成面板部件[2]。6×××系鋁合金在存儲及運輸過程中將發生自然時效，自然時效降低材料后續烤漆硬化能力。自然時效過程中的組織演變及其對后續烤漆過程的影響已有較多研究[3-4]，但自然時效對材料的力學性能，尤其是加工硬化以及應變速率硬化能力的影響鮮有報道，這對材料的成型性能影響至關重要。此外6×××系鋁合金的主合金元素為Mg、Si元素，形成Mg2Si亞穩相。同時，在6×××系鋁合金中添加Cu元素，可提高強化相的析出動力學以及形成新的含Cu強化相，進一步提高材料的強度[5]。Cu對6×××系鋁合金塑性的影響規律也有必要進一步的研究。

本試驗研究了Cu及自然時效對6061型鋁合金拉伸性能尤其是拉伸塑性的影響規律，以期為汽車車身用6×××鋁合金的成分調整及性能控制提供依據。

1 試驗方法

試驗合金的化學成分如表1所示。按照該成分進行熔鑄及鑄錠均勻化處理，然后對鑄錠進行熱軋及冷軋，對冷軋板進行550 ℃0.5 h固溶處理、水淬、自然時效。

表1 試驗合金的化學成分 (質量分數/%)Table 1 Compositions of the alloys for testing(wt/%)

2 試驗結果與分析

2.1 材料的晶粒組織

圖1為1#及2#合金自然時效態的組織。由圖1可見，添加Cu后晶粒大小無顯著的變化。

圖1 試驗合金的組織Fig.1 Structure of the alloys for testing

2.2 自然時效硬度曲線

試驗合金的自然時效硬度曲線見圖2。由圖2可見，不含Cu的1#合金，在自然時效的初始10 min內硬度基本不發生變化；10 min后硬度出現明顯的上升，直到自然時效7 d后，硬度才趨于穩定。添加Cu的2#合金，初始硬度由于Cu元素固溶強化的原因而高于1#合金的，但由于Cu元素對自然時效的抑制作用，自然時效1h后，2#合金的硬度方與1#合金的一致。在接下來的自然時效過程中，2#合金的硬度比1#合金的略低，這充分表明了Cu元素對自然時效的抑制作用。

圖2 試驗合金的自然時效曲線Fig.2 Natural ageing curves of the alloys for testing

2.3 自然時效對不含Cu的1#合金力學性能的影響

圖3為1#合金的力學性能隨自然時效時間變化規律。如圖3示，強度性能表現出的變化規律與硬度的一致；而伸長率則隨著自然時效的進行持續下降，直到自然時效1 d后，才趨于穩定。

圖3 自然時效對不含Cu的1#合金力學性能的影響Fig.3 Influence of natural ageing time on mechanical properties of alloy 1# without Cu

圖4為材料的Kocks-Mecking曲線。根據Kocks-Mecking模型[6]，在材料的加工硬化率(work hardening rate)與流變應力(應力與屈服應力之間的差值)曲線中，有一段線性區域代表了材料加工硬化的第三個階段，即動態回復階段，在這個階段內發生位錯的增殖和湮滅。這一線性階段與縱軸的交點即為初始加工硬化率(initial work hardening rate，IWHR)。材料內基體溶質含量越高，初始加工硬化率越大，則加工硬化能力越高[7]。而這一線性階段的斜率即為動態回復率(dynamic recovery rate，DRR)，基體中溶質含量越高，斜率越小，動態回復率越低[8]。

圖4 1#合金的Kocks-Mecking曲線Fig.4 Kocks-Mecking plots for alloy 1#

從圖4中Kocks-Mecking曲線獲得的合金初始加工硬化率以及動態回復率數據見圖5。從圖5可看出，隨著自然時效的進行，由于基體中溶質原子含量的降低而造成合金初始加工硬化率不斷地下降。在自然時效7 d后，初始加工硬化率的變化趨于穩定；另一方面，隨著自然時效過程中溶質的析出，動態回復率也隨之下降，自然時效7 d后，動態回復率趨于穩定，即淬火態的動態回復率高于時效態的，這與Kocks-Mecking理論及文獻的報道不相符[8]。但Zolotorevsky et al[9]也報道了類似的現象。這可能是由于在自然時效態合金拉伸過程中發生了更加明顯的動態析出現象，從而降低了合金的動態回復率[10]。

圖5 自然時效時間對1#合金初始加工硬化率與動態回復率的影響Fig.5 Effect of natural ageing time on the initial work hardening rate and dynamic recovery rate of alloy 1#

總的說來，淬火態或者短時間(如1 h)自然時效的樣品基體中含有更多的溶質，因此具有較高的加工硬化能力(均勻伸長率)。隨著自然時效的不斷進行，溶質從基體中析出，因而加工硬化能力(均勻伸長率)隨之下降。

應變速率硬化反映了材料抵抗由于應變速率升高而強度下降的能力。應變速率硬化能力越高，總伸長率和均勻伸長率的差值(post-uniform elongation后均勻塑性)越大[11]。通常應變速率硬化能力可用應變速率敏感性系數(strain rate sensitivity，SRS)來表征。溶質原子與移動位錯將產生交互作用，形成動態應變時效(dynamic strain ageing)，將會降低SRS。通常增加基體中溶質及空位含量皆降低SRS[12]。

不同時效狀態下的SRS如圖6所示。從圖6可看，自然時效1 h的SRS明顯低于自然時效1 d及其后續的時效時間的SRS，因此隨著自然時效的進行后均勻塑性出現增大的趨勢(如圖3)。這是由于隨著自然時效的進行，基體中溶質原子及空位濃度下降，因而SRS也隨之升高，后均勻塑性增加。

圖6 1#合金不同熱處理狀態下SRS與真應變的關系曲線Fig.6 The dependence of SRS on true strain for alloy 1# under different tempers

2.3 Cu對拉伸性能的影響

如表2示，2#合金與1#合金相比，自然時效30 d后，其屈服強度并無顯著的區別，但含Cu的2#合金的抗拉強度明顯高于不含Cu的1#合金的。與此同時，含Cu的2#合金的均勻塑性略高于不含Cu的1#合金的，而2#的總伸長率略比1#的低。這表明添加Cu后，可提高材料的加工硬化能力(屈服和抗拉強度的差值越大，加工硬化能越大)，但降低應變速率硬化能力(總伸長率和均勻伸長率的差值越大，應變速率硬化能力越大)。

表2 1#和2#合金自然時效30 d后力學性能Table 2 Mechanical properties of alloys 1# and 2# after 30 d of natural ageing

試驗合金的Kocks-Mecking曲線如圖7示。Cu元素的添加并不改變Kocks-Mecking曲線線性部分的斜率，而顯著的增加線性部分與Y軸的截距(見表3)。這意味著，Cu對加工硬化的影響主要為增大了位錯增值速率，而并非降低了動態回復速率。因此Cu的添加可增大合金的均勻塑性。

圖7 1#合金和2#合金自然時效30 d后的Kocks-Mecking曲線Fig.7 Kocks-Mecking plots for alloys 1# and 2# naturally aged for 1 month

表3 試驗合金自然時效30 d后的初始加工硬化率與動態回復率Table 3 Initial work hardening rate and dynamic recovery rate of alloys 1# and 2# naturally aged for 30 d

此外，試驗合金自然時效30 d后的應變敏感性系數如圖8示。在接近均勻應變0.20附近處，含Cu合金的應變敏感系數低于不含Cu合金的應變敏感性系數，因此2#合金體現出略微低于1#合金的后均勻塑性。這是因為增加溶質原子(Cu)后，造成動態應變時效(dynamic strain ageing)增加，從而對合金應變速率硬化能力不利。

圖8 1#合金和2#合金自然時效30 d后的SRSFig.8 Dependence of SRS on the true strain for alloys 1# and 2# naturally aged for 30 d

3 結 論

6×××鋁合金隨著自然時效的進行，由于基體中溶質原子的減少，造成合金加工硬化能力的下降，從而造成均勻塑性及總塑性的下降。溶質原子的減少，也減少了動態應變時效對應變速率硬化的不利影響，從而造成后均勻塑性的逐步上升。此外，添加Cu之后，由于提高了加工硬化能力，因此含Cu合金具有更高的均勻伸長率。但是增加溶質原子(Cu)促進了動態應變時效的發生，因此降低了合金材料的后均勻塑性。