鋁合金組織性能的研究進(jìn)展

鋁合金組織性能的研究進(jìn)展

1產(chǎn)品的開發(fā)將成為制約因素汽車租賃是汽車的一個發(fā)展方向之一，汽車的鋁合金化是其重要的手段。近年來,汽車車身鋁合金板的開發(fā)一直是國外研究的重點(diǎn),其主要集中在Al-Cu-Mg(2000系)、Al-Mg(5000系)和Al-Mg-Si(6000系)三大系列。但目前發(fā)展趨勢是開發(fā)6000系鋁合金。該系合金以T4(固溶淬火+自然時效)狀態(tài)供貨,具有較低的屈服強(qiáng)度(<150MPa),從而可提供良好的成形性,產(chǎn)品在最后的烤漆過程中通過時效強(qiáng)化獲得強(qiáng)度和抗凹陷性的良好組合。與鋼板相比,6000系T4態(tài)板材的屈強(qiáng)比和n值高。因此6000系鋁合金作為外車身板正在逐步得到應(yīng)用。導(dǎo)師:左良教授在歐洲廣泛使用的是6016合金,而在北美由于更注重強(qiáng)度,主要用6111合金,最近還開發(fā)了抗蝕性更好的6022合金。上述三種合金模擬烤漆硬化性能見表1。2al-mg-si合金的統(tǒng)計(jì)特性T4狀態(tài)的6000系鋁合金沖壓成車身構(gòu)件時,其強(qiáng)度并不高,需要涂裝烘烤獲得強(qiáng)化。但涂裝過程的加熱溫度不高(<180℃),保溫時間較短(<30min),抑制了合金的時效硬化能力。因而充分利用涂裝加熱工藝使合金強(qiáng)化,開發(fā)時效動力學(xué)較快的合金越來越引起汽車工業(yè)的重視。目前對6000系鋁合金時效析出序列的研究已取得了初步結(jié)果。一般認(rèn)為平衡的Al-Mg-Si合金(Mg、Si原子比為2)的時效析出過程為:α過飽和固溶體→GP(Ⅰ)區(qū)→GP(Ⅱ)區(qū)(β″針)→β′桿→β片(平衡Mg2Si相)。所形成的GP(Ⅰ)區(qū)為無獨(dú)立晶格結(jié)構(gòu)的球狀物,β″針為有序結(jié)構(gòu),β′桿為半共格的平衡的β相,失去共格性。三種強(qiáng)化相中,β″相的強(qiáng)化效果最好,它是沿〈100〉A(chǔ)l方向的細(xì)針狀析出物,具有單斜晶格。其次為β′相,它是沿〈100〉A(chǔ)l方向析出的具有六方晶體結(jié)構(gòu)的桿狀物。較弱的是β相,為立方結(jié)構(gòu),通常以片狀形式在{100}Al上形成。鋁合金車身板是在欠時效狀態(tài)下使用,因而在烤漆處另時很難形成平衡的β相,起強(qiáng)化作用的主要是亞穩(wěn)析出物β″相。一般β″相的體積分?jǐn)?shù)隨著合金的化學(xué)成分和時效條件而改變。對于合適的成分和時效條件,合金中可以只析出β″相。如果Al-Mg-Si合金含有過量的Si(Mg、Si原子比小于2),則析出過程更為復(fù)雜,即:α過飽和固溶體→GP區(qū)→β″→[β′+Q′(板條狀)]→[β+Si]。與平衡的Al-Mg-Si合金相比,析出序列的第一和第二階段沒有變化。由Mg、Si原子和空位聚集形成的GP區(qū)和β″相所含的Si比平衡合金中的Si含量多得多。值得注意的在析出的第三階段,不僅析出β′相,而且還有板條狀的Q′相。通常Q是作為含Cu的Al-Mg-Si合金中穩(wěn)定的四元相,而Q′相是一種亞穩(wěn)相,具有與Q相相同的六方晶體結(jié)構(gòu)和板條形態(tài),故將其記為Q′相。隨著時效溫度的升高和時間的延長,Q′析出物幾乎全部溶解,或者說被β相和Si所替代,而不是形成平衡的Q相,所以最后階段只觀察到Si粒子和β相。在過剩Si合金中,烤漆硬化性的提高主要?dú)w因于第二階段形成更大體積分?jǐn)?shù)的β″相。如果在過剩Si的合金中同時含有Cu,則析出過程為:α過飽和固溶體→GP區(qū)→β″→Q′→[Q(板條狀)+Si]。在析出等一階段形成的GP區(qū)的化學(xué)成分不受Cu的影響。對于高Cu合金,Cu原子溶入到針狀的β″析出物中,β″和Q′都是含有Al、Mg、Si、Cu的四元強(qiáng)化相,但Cu含量和Mg、Si原子比值可能影響β″相的晶格參數(shù)。Cu對析出的第三階段影響最為顯著,因?yàn)閷τ谄胶獾腁l-Mg-Si合金在同一析出階段,出現(xiàn)桿狀的β′相,而不是板條狀的Q′相。由于Cu的加入對形成Q′相有利,所以從β′相轉(zhuǎn)變成Q′相或者說Q′相替代了β′相。合金中Q′相析出的數(shù)量隨Cu含量的增加而增加。Q′相與Q相具有相同的晶體結(jié)構(gòu)及相近的晶格參數(shù)但尺寸較小。MMurayama等報道在達(dá)到峰值硬度時沒有發(fā)現(xiàn)Q′和Q相存在的跡象,Q′和Q相是在過時效條件下形成的,由于Cu溶入β″相,長期時效之后,β″相最終發(fā)展成Q相,其化學(xué)組成為Al5Cu2Mg8Si6和Al4CuMg5Si4。含Cu的6000系鋁合金在烤漆條件下的強(qiáng)化是通過由時效形成Q相的亞穩(wěn)初始物進(jìn)而產(chǎn)生一種復(fù)雜的顯微組織實(shí)現(xiàn)的。由于Q和Q′相需經(jīng)較高溫度或較長時間時效才能析出,難以在烤漆條件下形成,對烤漆強(qiáng)度的提高沒有貢獻(xiàn)?？酒釛l件下的時效強(qiáng)化主要?dú)w因于形成更多、更細(xì)化的β″相。鋁合金中的析出過程是受擴(kuò)散控制的。在較低的時效溫度下,平衡相在過飽和固溶體中的直接形核是相當(dāng)困難的,一般需要先形成過渡的亞穩(wěn)相。在合金中所形成的不同相的析出類型和范圍主要取決于Si、Mg、Cu含量以及時效條件。Si和Mg是6000系合金中的主加元素。含有過量Si的Al-Mg-Si合金,不僅相的析出序列發(fā)生了改變,而且使Si析出物及β相的析出溫度降低。研究表明,增大Si含量能提高Si析出物及β相的析出密度導(dǎo)致更高水平的強(qiáng)化,而對促進(jìn)人工時效動力學(xué)作用不大,主要是通過影響合金時效的初始硬度進(jìn)而提高合金的烤漆硬化性。Mg具有一些與Si類似的作用。合金的初始硬度與Mg-Si溶質(zhì)原子集團(tuán)的硬化作用有關(guān)。這就是說合金中不僅需要較高的Si含量,同時必須要有足夠的Mg。Mg與合金中過量的Si形成大量的溶質(zhì)原子集團(tuán)而使初始硬度提高。因此,并不是Al-Mg-Si合金中的過量Si越多,人工時效后的強(qiáng)度或硬度越好。Cu是通過改變析出序列而提高時效動力學(xué)的有效元素。Cu的添加主要是促進(jìn)烤漆過程中β″相的形成,提高烤漆硬化性能。含Cu量較高合金的顯微組織更細(xì)密,而且較高的Cu含量總是導(dǎo)致較高的硬度。3熱變形對織構(gòu)的影響6000系鋁合金作為車身板應(yīng)用需要滿足成形性的要求。而冷軋板的變形晶粒在固溶處理過程中會發(fā)生再結(jié)晶,其晶粒的尺寸、形態(tài)和分布以及織構(gòu)對于T4條件下板材的成形性起主導(dǎo)作用。6000系鋁合金成品板材中的織構(gòu)是由最終固溶處理再結(jié)晶過程決定的。所形成的再結(jié)晶織構(gòu)組分為Cube{011}〈100〉、RotatedCube{001}〈310〉、Goss{011}〈100〉和用Rx表示的{011}〈81111〉。值得注意的是固溶處理再結(jié)晶時,冷軋板中的Brass、S和Cu形變織構(gòu)隨著加熱溫度的升高而減弱,而在這一過程中所形成的再結(jié)晶織構(gòu)卻相對較弱,其中以Cube織構(gòu)為主導(dǎo)。一般來說,鋁合金的再結(jié)晶織構(gòu)是由Cube帶形核的晶粒和由PSN(particlestimulatednucleation)形核的晶粒之間的作用產(chǎn)生的。Cube織構(gòu)組態(tài)的形核是通過Cube晶粒的變形形成的Cube帶產(chǎn)生的,而PSN產(chǎn)生很弱的織構(gòu)。然而最近的研究表明,Cube晶粒的形核與存在與熱變形組織中小體積的Cube晶粒有關(guān),局部變形的不均勻性可能導(dǎo)致產(chǎn)生小的Cube體積,因而Cube再結(jié)晶織構(gòu)的出現(xiàn)就意味著材料在變形前后有Cube晶粒存在。由于變形前的Cube取向晶粒很少,所以Cube取向晶粒的形核不會只限于Cube帶。從Cube帶上產(chǎn)生新的Cube晶粒似乎并不是形成Cube再結(jié)晶織構(gòu)的唯一機(jī)制。Cube取向晶粒有可能會在取向分布范圍較大的非Cube取向晶粒的Cube亞晶內(nèi)形成。這是關(guān)于熱變形后形成Cube再結(jié)晶織構(gòu)的一種新觀點(diǎn)。在再結(jié)晶過程中形成的再結(jié)晶織構(gòu)組分Cube、RotatedCube、Goss和Rx盡管較弱,但在其后的深沖操作中,板中的再結(jié)晶織構(gòu)對塑性各相異性具有強(qiáng)烈影響。在由拉伸試驗(yàn)測定的厚向異性系數(shù)r值以及由杯突試驗(yàn)測定的杯突值m表明,不同組分的再結(jié)晶織構(gòu)在與軋向成0°、45°、90°的方向上顯示出很大的差異。如果能有效地控制再結(jié)晶織構(gòu)進(jìn)而獲得所希望的r值和m值,就能控制塑性各向異性以及制耳行為。研究還證實(shí),形成彌散相的Cr、Mn、Zr、Ti等微量元素對6000系合金板材中的織構(gòu)也有一定的影響。無彌散相的合金具有更高的Cube(RD)、Goss織構(gòu)組分,較少的再結(jié)晶織構(gòu)組分以及保留下來的軋制織構(gòu)組分。但在含有彌散相的合金中,隨著彌散相含量的增大,當(dāng)保留下來的軋制織構(gòu)和再結(jié)晶織構(gòu)組分增加時,Cube(RD)和Goss織構(gòu)組分就會減少。合金中不同的織構(gòu)組分影響其成形性。但目前用微量元素控制織構(gòu)組分的研究還較少。4模擬烘烤硬化性T4狀態(tài)的6000系鋁合金板沖壓成車身構(gòu)件后,在烤漆過程中產(chǎn)生的強(qiáng)化比T6狀態(tài)強(qiáng)化小得多。典型的AA6111合金的模擬烤漆強(qiáng)度(2%預(yù)應(yīng)變+177℃×30min)僅為230MPa,而該合金在T6(固溶淬火+峰值時效)或T8(固溶淬火+形變時效)狀態(tài)下的強(qiáng)度可高達(dá)330~390MPa,因而對6000系鋁合金烘烤硬化性的改善引起特別關(guān)注。4.1第三,溫度對合金硬度的影響6000系鋁合金固溶處理之后立即進(jìn)行人工時效,才能充分發(fā)揮其時效硬化能力,但在實(shí)際操作中,對汽車板卻難以實(shí)現(xiàn)。通常板材淬火后需要在板料生產(chǎn)廠存放一段時間,然后才在汽車制造廠進(jìn)行彎曲、沖壓或其它塑性變形。而板材在室溫下滯留(自然時效)會降低6000系鋁合金時效強(qiáng)化效果,對烘烤硬化性有不利影響。合金固溶淬火后,基體中的溶質(zhì)和空位因高度過飽和而處于不穩(wěn)定狀態(tài),析出物的類型、大小和分布是由后面的熱處理決定的。如果合金淬火后自然時效,硬度隨時間延長而增大。但隨后的人工時效過程開始使硬度出現(xiàn)下降趨勢。很明顯合金在取得顯著硬化效果之前,需要更長時間的保溫。研究表明,適當(dāng)?shù)念A(yù)時效能減輕自然時效的這種有害作用。如果固溶處理后立即人工時效(預(yù)時效),抑制了以后的自然時效過程,減輕了對烤漆條件下析出的不利影響。而合金存在某一臨界時效溫度,該溫度被定義為產(chǎn)生穩(wěn)定預(yù)時效結(jié)構(gòu)的臨界溫度。如果合金在這一溫度以下預(yù)時效,預(yù)時效往往對烘烤硬化性產(chǎn)生不利影響,自然時效就屬于這種情況。而將不同的元素添加到合金中可能會影響這一過程。過去的工作證明,預(yù)時效對于加快低溫短時間時效硬化速度是一種有效的手段。預(yù)時效不僅能提高烤漆硬化性能,而且重要的是預(yù)時效的T4P(固溶淬火+預(yù)時效+自然時效)材料在大多數(shù)情況下與常見的T4材料的相比,在同樣交付條件下顯示出較低的強(qiáng)度,改善了材料的成形性。這是因?yàn)樽匀粫r效強(qiáng)化被大大削弱了。4.2時效初始階段6000系鋁合金在固溶處理之后引入預(yù)應(yīng)變,會形成一種取向不同拉長的亞晶粒組織,這種不穩(wěn)定的組織產(chǎn)生的滑移位錯可為以后的時效析出提供大量的形核地點(diǎn)。在時效初始階段,溶質(zhì)原子偏聚到滑移位錯中,在位錯周圍形成柯氏氣團(tuán),這種在位錯上形成的析出物,隨著預(yù)應(yīng)變的增大而增多,因而硬度的升高歸因于預(yù)應(yīng)變產(chǎn)生的位錯即加工硬化,提高了合金的時效強(qiáng)化能力;此外,大多數(shù)結(jié)果表明,預(yù)應(yīng)變對合金析出過程的影響是GP區(qū)的形成被大大地抑制了,而中間相的形核和長大被大大地加速了。預(yù)應(yīng)變的增加會使時效析出轉(zhuǎn)向更低的溫度。固溶處理后進(jìn)行預(yù)應(yīng)變可充分發(fā)揮6000系鋁合金車身板的烘烤硬化效應(yīng)。5研究開發(fā)鋁合金材料國外用鋁合金替代鋼作為車身板雖已成功,但鋁合金本身的性能特點(diǎn)使其在應(yīng)用中還存在一些問題。例如,鋁板的強(qiáng)度、沖壓成形性及焊接性總體不如鋼板,加之價格比鋼高(約為鋼的兩倍),因而使其應(yīng)用受到限制。為了促進(jìn)鋁合金車身板的大規(guī)模應(yīng)用,