二级时效工艺对6061铝合金力学性能和组织的影响.pdf

新技术新工艺 2 0 2 3年 第1 0期 6 6 新技术新工艺 试验与研究二级时效工艺对6 0 6 1铝合金力学性能和组织的影响唐嘉强,刘学刚,周 新,乔明伟,胡 兴(重庆通用工业(集团)有限责任公司,重庆 4 0 1 3 3 6)摘 要:通过采用金相观察、单向拉伸试验和S EM电镜分析等试验方法,分析了二级时效温度和时效时间对6 0 6 1-T 6铝合金组织和力学性能的影响。结果表明:随着二级时效温度与时效时间的增加,板材内的溶质原子在晶体内与晶界处不断析出并逐渐长大,形成弥散分布的强化相,使晶粒更细化,但进一步升高时效温度和延长时效时间后,铝合金晶粒粗化。6 0 6 1铝合金抗拉强度与硬度随二级时效温度和时效时间延长都呈现先增大后减小的趋势,在双级时效制度为1 8 0 2 h+1 9 0 2 h时最佳,抗拉强度为3 3 7.5 MP a,硬度为1 1 9.7 HV。关键词:双级时效工艺;6 0 6 1铝合金;力学性能;微观组织中图分类号:T G 2 9 2 文献标志码:AE f f e c t s o f T w o-p o l e A g i n g P r o c e s s o n M e c h a n i c a l P r o p e r t i e s a n d M i c r o s t r u c t u r e o f 6 0 6 1 A l u m i n u m A l l o yT ANG J i a q i a n g,L I U X u e g a n g,Z HOU X i n,Q I AO M i n g w e i,HU X i n g(C h o n g q i n g G e n e r a l I n d u s t r i a l(G r o u p)C o.,L t d.,C h o n g q i n g 4 0 1 3 3 6,C h i n a)A b s t r a c t:T h e e f f e c t s o f s e c o n d a r y a g i n g t e m p e r a t u r e a n d a g i n g t i m e o n t h e m e t a l l o g r a p h i c s t r u c t u r e a n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f 6 0 6 1-T 6 a l u m i n u m a l l o y p l a t e w e r e o b t a i n e d b y u s i n g t e s t m e t h o d i n c l u d i n g m e t a l l o g r a p h i c o b s e r v a t i o n,u n i d i-r e c t i o n a l t e n s i l e t e s t i n g a n d S EM e l e c t r o n m i c r o s c o p y a n a l y s i s.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t w i t h t h e i n c r e a s i n g o f t h e s e c o n d a r y a g i n g t e m p e r a t u r e a n d a g i n g t i m e,t h e s o l u t e a t o m s w i t h i n t h e p l a t e p r e c i p i t a t e d a n d g r e w u p i n t h e c r y s t a l a n d a t t h e g r a i n b o u n d a r i e s,a n d f o r m e d a d i f f u s e d i s t r i b u t i o n o f s t r e n g t h e n e d p h a s e s a n d r e f i n e d t h e g r a i n,b u t a f t e r f u r t h e r i n c r e a s i n g t h e a g i n g t e m p e r a t u r e a n d p r o l o n g i n g t h e a g i n g t i m e,t h e a l u m i n u m a l l o y g r a i n c o a r s e n e d.T h e s t r e n g t h a n d h a r d n e s s o f 6 0 6 1 a-l u m i n u m a l l o y t e n s i l e s h o w e d a t r e n d o f f i r s t i n c r e a s i n g a n d t h e n d e c r e a s i n g w i t h t h e s e c o n d a r y a g i n g t e m p e r a t u r e a n d a g i n g t i m e p r o l o n g a t i o n.I n t h e t w o-s t a g e a g i n g s y s t e m o f 1 8 0 2 h+1 9 0 2 h,i t r e a c h e d t h e b e s t w i t h t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f 3 3 7.5 MP a a n d t h e h a r d n e s s o f 1 1 9.7 HV.K e y w o r d s:t w o-s t a g e a g i n g p r o c e s s,6 0 6 1 a l u m i n u m a l l o y,m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s,m i c r o s t r u c t u r e 6 0 6 1铝合金属于可热处理、可强化的变形铝合金,因其具有中等的强度、良好的可焊接性、耐蚀性、优良的成型性和良好的塑性而被广泛应用1-2。目前有学者对6 0 6 1铝合金的热处理工艺进行了研究,6 0 6 1铝合金时效处理时相的析出顺序为:过饱和固溶体原子团簇G P区 过渡相平衡相3-4。6 0 6 1铝合金通过固溶时效处理可以有效提高合金的综合力学性能,在增强材料强度的同时,保证材料的塑性不再降低5。人工时效后的6 0 6 1铝合金基体中弥散分布着大量的板条状析出相(-M g2S i)和溶质富集区(G P区),此时6 0 6 1铝合金的强度较高,伸长率较低6-7。传统的6 0 6 1铝合金采用T 6峰值时效制度时(1 8 0 8 h)能达到良好的力学性能(抗拉强度约3 0 0 MP a,硬度约1 0 5 HV),但时效时间长,能耗高,生产效率较低8-9。鉴于上述情况,本文将采用双级时效工艺对6 0 6 1铝合金板进行试验研究,对比不同双级时效制度下材料力学性能和组织的变化情况,在保证材料性能的前提下探索能耗低、生产周期短的时效工艺方案,以期为后续的应用提供参考。1 试验材料及方案试验采用厚度为2 mm的6 0 6 1-T 6铝合金冷轧板,化学成分见表1。表1 6 0 6 1-T 6铝合金冷轧板材化学成分(质量分数)(%)S iF eC uM nM gC rZ nT i其他A l0.40.80.70.1 50.40.1 50.81.20.0 40.3 50.2 50.1 50.1 5余量 首先对试样进行固溶处理,使用S X 2-4-1 0箱式电阻炉将铝合金板加热到5 3 0 保温0.5 h后室温水淬,随后进行温度1 8 0 保温2 h的一级预时效,最后按照表2所示的工艺方案按组分别进行1 5 02 3 0 的二级终时效14 h。试验研究 新技术新工艺 试验与研究6 7 表2 6 0 6 1-T 6铝合金二级时效试验方案二级时效温度/二级时效时间/h冷却方式1 5 0、1 7 0、1 9 0、2 1 0、2 3 02水冷最佳时效温度1、2、4水冷 对不同时效工艺下的试样进行检验分析,具体操作如下:将制好的试样经腐蚀后放在光学蔡司显微镜下观察。按照标准尺寸使用线切割方式裁取试样后,对不同铝合金试样进行拉伸试验,每组拉伸试验重复3次,拉伸速度为1 mm/m i n。采用MH-5型维式显微硬度计检测试样硬度。使用扫描电镜完成拉伸断口形貌观察。2 试验结果分析2.1 金相分析不同二级时效工艺下铝合金的金相组织如图1所示。不同二级时效温度下相同保温时间的金相组织对比如图1 a 图1 c所示,从图1 a中可以看出,铝合金基体上分布着拉长的等轴晶粒,晶粒内部和晶界处都有颗粒状和长条状第二相即-M g2S i强化相析出,但分布不够均匀;当二级时效温度为1 9 0 时,由图1 b可以看出,等轴晶粒更细化,强化相更多,析出更均匀,弥散程度相应增大,这种弥散分布的强化相均匀分布于合金基体内,对位错滑动起到钉扎阻碍作用,从而提高合金强度。随着二级时效温度升高至2 3 0,由图1 c可以看出,晶粒长大,第二相粒子的尺寸与数量呈现出不均匀分布。a)1 8 0 2 h+1 5 0 2 hb)1 8 0 2 h+1 9 0 2 hc)1 8 0 2 h+2 3 0 2 hd)1 8 0 2 h+1 9 0 1 he)1 8 0 2 h+1 9 0 4 h图1 不同二级时效工艺下6 0 6 1铝合金的金相组织当二级时效温度为1 9 0 时,二级时效时间对6 0 6 1-T 6铝合金显微组织的影响如图1 b、图1 d和图1 e所示。图1 d为二级时效时间为1 h的状态,出现了较大的等轴晶晶粒,铝合金基体存在较多溶质富集区以及部分板条状的-M g2S i,但析出相不够均匀。当时效时间延长至4 h(见图1 e)时,板条状的-M g2S i析出相颗粒数量明显增多,尺寸明显长大,合金基本处于过时效状态,影响了合金的力学性能。上述检测结果表明,在二级时效温度较低或二级时效时长不足时,铝合金基体内弥散强化作用较弱;二级时效温度过高或二级时效时间过长,晶粒长大,均匀性降低。2.2 力学性能检测结果分析2.2.1 不同二级时效工艺对力学性能的影响通过单向拉伸试验检测出材料的抗拉强度、断后伸长率等性能参数,结果如图2所示。随时效温 新技术新工艺 2 0 2 3年 第1 0期 6 8 新技术新工艺 试验与研究度升高、时效时间延长,材料抗拉强度呈现先增大后减小的趋势。当二级时效制度为1 9 0 2 h时,铝合金的抗拉强度最大,为3 3 5.7 MP a,此时的断后伸长率最低为1 3.0 1%。当二级 时效温度 为1 9 0、时效时间为4 h时,铝合金的抗拉强度达到最小值2 9 5.3 MP a,断后伸长率为1 4.5 9%。结合图1分析可知,这是因为-M g2S i强化相在时效过程中弥散析出,对材料起到强化作用,并且使晶粒得到一定细化。但随着二级时效的时间延长,晶粒长大粗化,由晶粒长大引起的负面效果开始凸显并逐渐占据主要地位,故造成材料的强度开始下降。a)不同二级时效温度下的拉伸性能(时效时间2 h)b)不同二级时效时间下的拉伸性能(时效温度1 7 0)图2 不同二级时效工艺下6 0 6 1铝合金的拉伸性能2.2.2 不同二级时效工艺对材料硬度的影响采用维氏硬度计测量不同二级时效工艺制度下材料的硬度,结果如图3所示。从图3 a中可以看出,在相同的二级时效时间下,随着二级时效温度的升高,材料的硬度达到峰值后又继续下降。当二级时效温度从1 5 0 上升至1 9 0 时,6 0 6 1铝合金的硬度值从1 0 2.5 HV上升至峰值1 1 9.7 HV。通过二级时效处理,板材内的溶质原子在晶体内与晶界处不断析出并逐渐长大,形成弥散分布的-M g2S i强化相,使等轴晶粒更细化,从而提高了材料硬度。a)不同二级时效温度下材料的硬度(时效时间2 h)b)不同二级时效时间下材料的硬度(时效温度1 9 0)图3 不同二级时效工艺下6 0 6 1铝合金的维氏硬度当二级时效温度为1 9 0 时,不同的二级时效时间下6 0 6 1铝合金的维氏硬度同样呈现先增大后减少的趋势。图3 b中,当二级时效时间从1 h增加至2 h时,试样的维氏硬度值从1 0 9.6 HV提升至1 1 9.7 HV,但延长保温时间至4 h后,试样的硬度减小至1 0 5.1 HV,结合图1可知,这是由于材料发生了过时效所导致的。2.3 不同二级时效工艺对断口形貌的影响在拉伸试验后,使用扫描电镜观察不同双级时效工艺下6 0 6 1铝合金冷扎板的试样断口形貌,结果如图4所示。可以看出6 0 6 1铝合金在不同双级时效制度下的拉伸试样均有明显的韧窝,属于韧性断裂。在韧性断裂时,韧窝的大小、深浅和数量取决于材料断裂时夹杂物或第二相粒子的大小、间距、数量及材料的塑性和试验温度1 0。对比图4 a 图4 c可以看出,当时效时间为2 h、时效温度从1 5 0 上升至2 3 0 时,由于-M g2S i强化相的弥散析出,导致韧窝数量明显增多,韧窝尺寸变小,晶粒得到细化,使得铝合金的强度提升,这与金相观察到的结果基本吻合。当温度上升至2 3 0 时,韧窝尺寸增大,深度变浅,结合图1可知,此时晶粒长大,第二相粒子的尺寸与数量呈现出不均匀的分布,进而造成铝合金强度下降;对比图4 d与图4 e,当二级时效温度为 试验研究 新技术新工艺 试验与研究6 9 1 9 0 时,随着保温时间的增加,大尺寸的韧窝数量减少,韧窝分布更均匀、密集。随着二级时效时间延长至4 h,晶粒长大粗化,由晶粒长大引起的负面效果开始凸显并逐渐占据主要地位,故造成材料的大尺寸韧窝明显增多,材料均匀性下降,此时材料的抗拉强度最差。a)1 8 0 2 h+1 5 0 2 hb)1 8 0 2 h+1 9 0 2 hc)1 8 0 2 h+2 3 0 2 hd)1 8 0 2 h+1 9 0 1 he)1 8 0 2 h+1 9 0 4 h图4 不同二级时效工艺下6 0 6 1铝合金的拉伸断口S E M形貌3 结语固溶处理后的6 0 6 1-T 6铝合金冷轧板在1 8 0 保温2 h的一级预时效情况下,随二级时效工艺参数的变化,可以得出如下结论。1)随着二级时效温度的升高与时效时间的增加,板材内的溶质原子在晶体内与晶界处不断析出并逐渐长大,形成弥散分布的-M g 2 S i强化相,使晶粒更细化,但进一步升高时效温度和延长时效时间后,铝合金晶粒粗化。2)合金的抗拉强度与硬度随着二级时效温度的升高与时效时间的增加均呈先升后降的趋势,当二级时效制度为1 9 0 2 h时最佳,抗拉强度为3 3 7.5 MP a,硬度为1 1 9.7 HV。3)6 0 6 1-T 6铝合金通过双级时效处理可以达到比T 6峰值时效更优的性能,在提高材料性能的同时可以减少能耗,缩短生产周期。对于2 mm厚的6 0 6 1-T 6铝合金冷轧板,其双级时效工艺以1 8 0 2 h+1 9 0 2 h为宜。参考文献1 邓云飞,李兵,张鹏,等.时效处理对6 0 6 1-T 6铝合金板组织和力学性能的影响J.热加工工艺,2 0 2 3,5 2(1 0):1 3 4-1 3 7,1 4 4.2 陈剑虹,李明娥,余江瑞,等.热处理工艺对6 0 6 1铝合金显微组织及力学性能的影响J.兰 州理 工 大学 学报,2 0 1 0,3 6(2):1 5-1 7.3 孙跃军,仲丽,李伟,等.时效处理对液态模锻6 0 6 1铝合金组织及拉伸性能的影响J/O L.热加工工艺:1-52 0 2 3-1 0-0 4.h t t p s:/d o i.o r g/1 0.1 4 1 5 8/j.c n k i.1 0 0 1-3 8 1 4.2 0 2 1 1 5 9 3.4 O z t u r k F,S i s m a n A,T o r o s S,e t a l.I n f l u e n c e o f a g i n g t r e a t m e n t o n m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f 6 0 6 1 a l u m i n u m a l l o yJ.M a t e r i a l s&D e s i g n,2 0 1 0,3 1(2):9 7 2-9 7 5.5 菅晓君,张明山,王俊升.热处理工艺对6 0 6 1铝合金硬度和导电率的影响J.材料热处理学报,2 0 1 9,4 0(1):8 3-新技术新工艺 2 0 2 3年 第1 0期 7 0 新技术新工艺 试验与研究9 0.6 冯银成,李落星,刘杰,等.自然时效对6 0 6 1铝合金显微组织和力学性能的影响J.机 械 工程 材料,2 0 1 1,3 5(3):1 8-2 1.7 李慎兰,黄志其,蒋福利,等.固溶温度对6 0 6 1铝合金组织和性能的影响J.材料热处理学报,2 0 1 3,3 4(5):1 3 1-1 3 6.8 周明琢,温柏杨,丁立鹏,等.M g/S i比对6 0 0 0系铝合金自然时效和析出强化的影响J.材料热处理学报,2 0 1 5,3 6(4):6 8-7 2.9 丁凤娟,贾向东,洪腾蛟,等.不同热处理工艺对6 0 6 1铝合金塑性和硬度的影响J.材料导 报,2 0 2 1,3 5(8):8 1 0 8-8 1 1 5,8 1 2 0.1 0 马冬威,张春,张元好,等.固溶工艺对6 0 6 1铝合金组织和拉伸性能的影响J.金属热处理,2 0 2 0,4 5(5):7 4-7 7.作者简介:唐嘉强(1 9 9 6-),男,硕士,工程师,主要从事材料加工工艺及金属学热处理等方面的研究。收稿日期:2 0 2 3-0 8-2 5责任编辑 郑练(上接第6 5页)(3)经过模型试验比对,自由面破碎区最大波峰处波高测量偏差不超过2 0%。成果形式:测试系统设计方案、研究报告、论文(不少于2篇)、专利、软件资助经费:3 0万 研究周期:2年本指南联系人:刘工 1 5 9 6 1 7 6 5 8 9 12.基于分布式压力数据的水下无人潜航器发射窗口识别方法(编号NK LH 2 0 2 3 K F 0 2)研究目标:水下无人潜航器平台发射高速雷弹是未来海战装备发展的重要方向,发射过程对小质量平台的初始攻角、姿态角等运动参数范围要求严苛。在真实海洋环境下水下航行体实时攻角无法通过惯组直接获得,攻角的准确测量成为发射窗口识别关键因素。针对航深35 m、航速23 m/s发射高速雷弹的水下无人潜航器攻角精准测量需求,开展计及水流运动影响的新型运动参数测量方法研究,探索水下无人潜航器压力分布与运动参数变化规律,突破基于压力传感器阵列的运动参数建模、实时攻角精准识别等关键技术,形成水下无人潜航器发射窗口识别系统原理样机,通过水池环境模型试验验证,提升水下航行体感知流场信息的能力,为无人平台水下发射控制技术的发展奠定基础。研究内容:(1)基于压力传感器阵列的水下无人潜航器攻角识别方法研究(2)水下无人潜航器发射窗口识别实时算法研究(3)水下无人潜航器发射窗口识别试验验证考核指标:(1)基于压力传感器阵列,建立适用于水下无人潜航器的运动参数测量方法,传感器数量不少于5个;(2)针对航速23 m/s条件建立的运动参数测量方法,其计算结果与水池环境试验测量相比的精度为:攻角预报误差3(-3 03 0);主方向相对水流运动速度1 5%。成果形式:原理样机、研究报告、论文(不少于2篇)、软件、专利资助经费:3 0万 研究周期:2年本项目联系人:许工 1 5 9 6 1 8 3 0 7 5 23.基于智能算法的潜艇操纵运动预报方法研究(编号NK LH 2 0 2 3 K F 0 3)研究目标针对潜艇智能控制与辅助决策发展需求,开展基于智能算法的潜艇操纵运动预报方法研究。重点围绕人工智能算法与潜艇操纵运动预报智能化模型、潜艇自由自航仿真试验设计、潜艇操纵运动智能预报验证等开展研究。实现供智能算法学习的操纵运动数据的合理优化设计,解决智能算法盲目学习运动数据问题,开发潜艇操纵运动预报智能算法,通过与数值仿真数据或试验数据对比,充分验证智能模型的泛化能力与准确性,为潜艇的智能操控与辅助决策提供支撑。主要内容:(1)人工智能算法与潜艇运动预报智能化模型研究;(2)潜艇自由自航仿真试验设计研究;(3)潜艇操纵运动智能预报验证研究。考核指标:(1)形成潜艇自由自航仿真试验设计方法及程序,试验设计的操舵过程时间序列结果满足智能算法对学习数据的需求。(下转第7 5页)