热处理工艺对6082铝合金性能的影响

冯呈庠 朱德珑 张 梅 孙 灿

(1.省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室，上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室和上海大学材料科学与工程学院，上海 200072；2.上海汇众汽车制造有限公司, 上海 200122)

热处理工艺对6082铝合金性能的影响

冯呈庠1朱德珑1张 梅1孙 灿2

(1.省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室，上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室和上海大学材料科学与工程学院，上海 200072；2.上海汇众汽车制造有限公司, 上海 200122)

研究了热处理工艺对6082铝合金力学性能的影响。结果表明，随着固溶温度的升高，合金的抗拉强度、硬度也随之升高，然后趋于平缓；断后伸长率先下降，随后升高。固溶时间对合金的抗拉强度、硬度以及断后伸长率影响较小。此外，随着时效温度的上升，合金的抗拉强度、硬度先上升至峰值，再略微下降；断后伸长率先下降至较低值，然后略微上升。合金在170 ℃时效后，其抗拉强度达到最高，为368 MPa，硬度达到115 HB。随着时效时间的延长，合金的抗拉强度、硬度以及断后伸长率变化较小。最后得出，6082铝合金在530～570 ℃固溶处理2～4 h，冷水冷却后，在170～190 ℃时效6～8 h，可获得最佳的综合力学性能，其抗拉强度可达360 MPa以上，断后伸长率大于12%。

6082铝合金 固溶处理 时效 Mg2Si相

为应对交通运输领域对减重和节能减排的要求，轻量化汽车车身的应用越来越多。铝合金因其密度低，已成为一种理想的轻质材料[1]。在汽车结构中大量采用铝合金是实现汽车轻量化的重要途径。Al- Mg- Si系铝合金具有强度高、塑性好、耐腐蚀以及冲压性能好等特点，一直是汽车轻量化研究的热点[2]。Al- Mg- Si系铝合金是一种可热处理强化的合金，其主要合金元素是Mg和Si。Mg和Si原子在Al基体中的固溶度会随着温度而变化，一般需要对其进行固溶处理，得到Mg、Si的过饱和固溶体，随后进行时效，使Mg、Si原子从基体中脱溶，形成强化相。6082合金是Al- Mg- Si系铝合金的一种，广泛应用于汽车领域。6082合金挤压件的最终性能决定于热处理工艺。

6082合金的常规热处理强化主要为固溶处理和时效析出强化。β"相是Al- Mg- Si系铝合金的主要析出相，其数量、大小是影响6082合金性能的主要因素[3]。一般认为，Al- Mg- Si合金的时效析出过程为[4]：α过饱和固溶体→G.P.(Ⅰ)区→G.P.(Ⅱ)区(β″针) →β′杆→β片(稳态Mg2Si相)。6082合金的强度、硬度决定于析出相的大小和分布。极细的G.P. Ι 区和β″共格析出可使Al- Mg- Si合金获得最高的强度[5]。G.P.区是用Mg和Si原子取代Al原子而得到的一种铝晶格，通常认为G.P.区是β″相的预析出相。β″相与基体呈共格关系，可使基体产生很大的畸变能。而β′相是由β″相转变而来的，与基体呈半共格关系，使基体产生的畸变程度较低。因此，β′相产生的强化效果不如β″相。β相即Mg2Si，由β′相转变而来，与基体非共格，其强化效果最差。

本文通过力学性能和硬度试验研究热处理工艺对6082铝合金性能的影响，以使其获得最佳的综合力学性能。

1 试验材料与方法

1.1 热处理

6082铝合金热处理工艺主要为固溶处理和时效。本文研究用6082铝合金为进口工业用原料，其成分如表1所示。在4个热处理工艺参数中，3个保持不变，仅改变一个，从而得到合金在相应热处理状态下的力学性能。热处理试验方案如表2所示。

表1 6082铝合金的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the 6082 aluminum alloy (mass fraction) %

表2 热处理工艺试验方案Table 2 Trial heat treatment processes

1.2 性能检测

力学性能检测项目主要为常温静态拉伸性能和布氏硬度。布氏硬度试验压头为直径5 mm的淬火钢球，压入时间30 s。

常温静态拉伸试样按GB/T 228.1—2010金属材料拉伸试验的规定加工，试样标距部分宽度12.5 mm，标距50 mm。拉伸速率3 mm/min。

2 固溶工艺对力学性能的影响

2.1 固溶温度

6082铝合金在不同温度固溶2 h，冷水冷却，然后在170 ℃时效6 h。固溶温度对合金的强度、断后伸长率及硬度的影响如图1所示。

图1(a)表明，随着固溶温度的升高，合金的抗拉强度和屈服强度先增加后趋于平缓，最终略有降低。合金在550 ℃固溶，其抗拉强度达到峰值，为380 MPa，屈服强度为320 MPa。此外，在520～570 ℃固溶的合金，抗拉强度总体上都保持在320 MPa以上，说明合金在此温度范围固溶可以保证具有较高的强度。

如图1(b)所示，随着固溶温度的升高，合金的断后伸长率变化明显。在470 ℃以上温度固溶的合金，断后伸长率下降明显，并保持较低值。而当固溶温度达到550 ℃以上时，合金的断后伸长率略微升高。固溶温度进一步升高，合金的断后伸长率再次下降。

固溶温度对合金硬度的影响如图1(c)所示。合金的硬度随着固溶温度的升高而增加。在470～520 ℃固溶的合金，其硬度快速增加，在530 ℃以上趋于平缓，保持在110 HB以上。

图1 固溶温度对6082合金时效后性能的影响Fig.1 Effect of solution temperatures on properties of the 6082 alloy after aging

2.2 固溶时间

固溶时间对6082铝合金的强度、断后伸长率以及硬度的影响如图2所示。合金在530 ℃固溶、冷水冷却后，在170 ℃时效6 h。如图2(a)所示，合金的抗拉强度随着固溶时间的延长变化不明显，始终为350～370 MPa；而屈服强度随着固溶时间的延长变化则较明显，在530 ℃固溶2～6 h的合金，屈服强度从330 MPa下降至290 MPa后又上升。

固溶时间对合金断后伸长率的影响如图2(b)所示。固溶处理1 h的合金断后伸长率最低，随着固溶时间的延长，其断后伸长率逐渐上升。此外，在试验时间内，合金的断后伸长率保持在14%以上。

图2(c)表示固溶时间对6082合金硬度的影响。随着固溶时间的延长，试样的硬度在105～115 HB之间波动，但总体上均高于105 HB，说明固溶时间对合金硬度的影响较小。

图2 固溶时间对6082合金时效后性能的影响Fig.2 Effect of solution time on properties of the 6082 alloy after aging

3 时效工艺对力学性能的影响

3.1 时效温度

时效温度对6082铝合金抗拉强度、屈服强度的影响如图3(a)和3(b)所示。由图可知，530 ℃固溶2 h冷水冷却后，随着时效温度从90 ℃升高至170 ℃，合金的抗拉强度和屈服强度也逐渐上升。当时效温度升高至190 ℃时，合金的抗拉强度开始下降，而屈服强度则趋于平缓。

由图3(c)可见，合金的断后伸长率随着时效温度的升高而逐渐降低。当时效温度为170～190 ℃时，断后伸长率达到最低值。时效温度升高至210 ℃，合金的断后伸长率增大。

如图3(d)所示，合金的硬度随时效温度的升高而升高，在170 ℃时效的合金硬度达到峰值。时效温度继续升高，合金的硬度变化不大，保持在100 HB左右。

图3 时效温度对6082合金固溶后合金性能的影响Fig.3 Effect of aging temperatures on properties of the 6082 alloy after solution treating

3.2 时效时间

6082铝合金在530 ℃固溶2 h冷水冷却后时效，时效时间对合金抗拉强度和屈服强度的影响如图4(a)和4(b)所示。分别在170、190和210 ℃时效，随着时效时间的延长，时效后合金的抗拉强度变化不大，均保持较高的强度。在530 ℃固溶2 h，随后在140 ℃时效，合金的抗拉强度随着时效时间的延长而增加，且增幅较大，从250 MPa升高至360 MPa。在90 ℃时效时，合金的抗拉强度也随着时效时间的延长，从240 MPa增加至260 MPa。

时效时间对6082合金断后伸长率的影响如图4(c)所示。合金在90 和140 ℃时效时，断后伸长率随时效时间的延长而降低，时效6 h的合金的断后伸长率最小，进一步延长时效时间，断后伸长率略有上升。合金在90 ℃时效后的断后伸长率达到24%以上，在140 ℃时效后的断后伸长率为18%～24%。合金分别在170、190和210 ℃时效后的断后伸长率为10%～16%，总体上保持平稳。

时效时间对合金硬度的影响如图4(d)所示。合金在170、190和210 ℃时效后，其硬度随时效时间的延长，保持在100～115 HB。合金在140 ℃时效后，其硬度随着时间的延长而显著提高，即从65 HB升高至115 HB。合金在90 ℃时效后，硬度也随着时间的延长而增加，但变化幅度不大，仅从62 HB升高至70 HB。

4 分析与讨论

在6082铝合金的热处理强化中，过饱和度和析出相的大小和分布会影响其力学性能。固溶强化是提高金属强度的一种途径，6082合金在时效前须进行固溶处理，得到过饱和Mg和Si的固溶体，在时效阶段产生析出强化效应[6]。

图4 固溶后时效时间对6082合金性能的影响Fig.4 Effect of aging time on properties of the 6082 alloy after solution treating

由于固溶处理后，合金的状态在热力学上很不稳定，时效处理后，固溶原子从晶格中脱溶，以稳定的析出相存在于基体中。析出的β"相能产生较大的强化效果。为得到更多析出相而获得更高的强度，合金要在固溶阶段获得高的固溶度。固溶温度和时间决定了合金的固溶度[7]。温度越高，溶质原子的活性越大，固溶度越高。时效时析出的相越多，合金的强度越高。因此，如图1(a)所示，合金的强度随着固溶温度的升高而升高。而固溶时间越长，也能使合金的固溶度增大，时效后达到更好的强化效果[8]。但固溶时间过长，晶粒易长大，将降低合金的强度。本文的固溶试验结果表明，合金在530～570 ℃固溶处理，可获得较好的固溶效果，固溶时间对强度和硬度的影响较小。因此，对于6082铝合金，合理的固溶处理时间为2～4 h。

时效处理使Mg、Si原子从过饱和固溶体中析出，形成原子富集区，使强化相形核长大[9]。提高时效温度，原子的扩散能力增强，更易脱溶形成强化相。控制时效工艺是一个控制6082铝合金析出相长大的过程。亚稳态的β"相与Al基体保持共格，其产生的畸变应变能最大，可使合金获得最好的强化效果[10]。β′相与基体半共格，其产生的畸变应变能较小，β″相向β′相转变时，合金强度略微降低。由于强化相使基体产生畸变，在合金变形时，这种畸变会阻碍位错的运动，降低合金的塑性[11]，所以时效后的合金断后伸长率降低。从时效试验结果看，合金在170～190 ℃时效能达到较高的强度，而且断后伸长率依然能保持在10%以上，具有良好的综合力学性能。时效时间以6～8 h为宜。

5 结论

(1)随着固溶温度的升高，6082铝合金的抗拉强度和屈服强度先增加，然后趋于平稳，最终略有降低。在530～570 ℃固溶处理的合金强度较高，抗拉强度达到360 MPa以上，屈服强度达到320 MPa以上，在550 ℃固溶的合金抗拉强度最高。同时合金的断后伸长率A50均能达到12%以上。

(2)固溶处理时间对该合金强度、硬度的影响较小， 经2～4 h固溶处理后合金即可达到高的强度和硬度。

(3)在530 ℃固溶处理2 h冷水冷却后，在170 ℃时效，合金可以达到最佳的强化效果，抗拉强度达360 MPa以上。

(4)时效时间对合金强度和硬度的影响较小，在530 ℃固溶2 h后，在170 ℃时效6～8 h的合金具有良好的综合力学性能。

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收修改稿日期：2017- 01- 14

EffectofHeatTreatmentonPropertiesof6082AluminumAlloy

Feng Chengxiang1Zhu Delong1Zhang Mei1Sun Can2
(1. State Key Laboratory of Advanced Special Steel & Shanghai Key Laboratory of Advanced Ferrometallurgy & School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072,China; 2. Technical Center, Shanghai Huizhong Automotive manufacturing Co.,Ltd. ,Shanghai 200122, China)

The influence of heat treatment processes on mechanical properties of 6082 aluminum alloy has been studied. The results showed that with the increase of solution temperature, the tensile strength and hardness increased, and then tended to stability, and the elongation firstly decreased, then increased for the alloy. The effect of solution treatment time on the tensile strength, hardness and elongation of the 6082 alloy was less. In addition, with the increase of aging temperature, the tensile strength and hardness of the alloy increased up to the peak value, and then slightly decreased, and the elongation decreased to a relatively low value, subsequently rose slightly. The alloy aged at 170 ℃ exhibited as maximum tensile strength as 368 MPa and as high hardness as 115 HB. Finally, it was determined that the 6082 aluminum alloy should be solution treated by heating at 530 ℃ to 570 ℃ for 2 h to 4 h and then cooling in cold water, and aged at 170 ℃ to 190 ℃ for 6 h to 8 h, so that it exhibited the best mechanical properties, i.e., tensile strength as high as 360 MPa or higher and elongation higher than 12% .

6082 aluminum alloy，solution treatment，aging，Mg2Si phase

冯呈庠，男，主要从事铝合金在汽车底盘中应用方面的研究，Email: ryansampson@163.com

张梅，女，博士，高级工程师，主要从事轻量化金属材料开发和应用研究，Email：zhangmei3721@i.shu.edu.cn