高性能6061铝合金的热变形行为研究

刘思佳，龙春光，董佩冉，彭 鹰，彭 鑫

（长沙理工大学 汽车与机械工程学院,湖南 长沙 410114；2. 长沙理工大学 轻量化新材料研究所，湖南 长沙 410114）

铝材相比于钢铁，铜等金属材料，更加轻量化；相比于陶瓷，玻璃等无机材料，更易加工；相比于塑料、橡胶等高分子材料，更加环保。因此，铝材属于综合性能优异的实用化基础材料，铝材的使用，有助于保护环境、节约成本、降低能耗，提高经济效益和社会效益[1，2]。

6000系铝合金为中高强度铝合金，硅、镁为其主要合金元素，铁、锌、钛、锰、铬等为微量元素，含有少量铜，以增强合金的强度[3]。该种铝合金拥有良好的热变形能力，广泛应用于建筑、汽车、船舶等诸多领域[4]。在发展迅猛的汽车行业，采用铝材零部件可以替代传统的钢材，用于汽车车轮、电机壳、盖板、发动机外壳、底盘、车身等部位，能够减少车身重量，降低能耗[5，6]。在部分发达国家，双层巴士、货运及客运汽车、铁路列车、地铁等公共交通领域都已经采用了新型的6000铝合金板型材[7]。

1 实验

1.1 实验材料

选取6061锻造铝合金为试验材料，一共切取30个6061锻造铝合金铸锭，大小形状为Φ10 mm×15 mm的圆柱形试样。为了减少摩擦，需要填充润滑剂。

1.2 实验方案

本试验装置采用自导电的加热方式，热电偶连接示意图如下图1所示。在实验进行的过程中，Gleeble-3500热模拟机的计算机系统会实时采集并存储位移、压力、应变、应力等试样的各项参数，在经由处理器分析计算之后，输出应力-应变曲线。本试验设置的热模拟实验升温速率为10℃/s，并在最高温度保温3min。之后进行热变形实验，使得变形量达到最大50%，随后迅速水淬至室温，详细的热模拟工艺工程如下图2所示。

图1 压缩试样装置示意图

图2 热模拟工艺图

本次热模拟实验参数设置如下表示为：

变形温度 ：375 ℃、400 ℃、425 ℃、450 ℃、475 ℃、500 ℃ ；应变速率 ：0.001 s-1、0.01 s-1、0.1 s-1、1 s-1、10 s-1；冷却方式：水冷；随后在蔡司Axiovert 200 MAT金相显微镜上进行金相显微组织观察。

2 结果与分析

6061铝合金在不同热变形条件下的应力-应变曲线如下图3所示。

图3 6061铝合金在不同热变形条件下的应力-应变曲线

6061 铝合金的高温热变形行为具有以下基本规律：①在热变形开始阶段，热变形应力随应变呈线性急速上升，随后幅度减小，逐渐趋近平缓，这是合金表现出加工硬化后逐渐被回复软化抵消，但硬化效果仍强于软化。在最后阶段，热变形应力稳定在某一常数值，即热加工进入稳态阶段；②在应变速率保持恒定时，最大真应力随热变形温度的升高而降低；③在热变形温度保持恒定时，最大真应力随热变形速率的升高而增大；④在应变速率保持恒定时，热变形应力在不同温度下的变化趋势基本保持一致，达到某一应变临界值后，热变形应力变为某一恒定常数；⑤对于热变形速率为10 s-1的情况，在热变形应力达到最大值之后并没有进入常规意义上的稳态阶段，而是表现为不平滑的微小波动，同时应变采集区间相对缩小。

通过对以上数据进行分析，可将造成这些变化的内在原因总结如下：在整个热变形加工过程中，合金在外应力作用下发生塑性变形，动态软化和加工硬化两种机制共同存在并相互竞争。在热变形开始阶段，较小的应力不足以提供合金内部位错滑移所需的驱动力，随着应力的增大，位错密度逐渐上升，但较小的应变量仅能提供少量的能量，致使动态回复软化难以开展。在热变形应变逐渐增大时，加工硬化的效果越发显著，此时应力随应变的增加呈线性急速上升，同时合金内部的储存能也逐渐升高，动态回复软化得以顺利进行，并逐渐抵消掉一部分加工硬化效果，宏观表现为应力随应变的变化趋近平缓，热变形过程也进入相对平稳阶段。

在6061铝合金的热变形过程中，合金内部的显微组织也出现明显的变化。在合金的原始组织和经应变量为 0.5的热变形处理之后的微观组织图中可以看出，合金的原始组织为分布均匀的等轴晶粒；而经过应变量为 0.5的热变形处理之后，晶粒在压缩变形的作用下被拉长，沿压缩方向的晶界靠拢，使得晶粒呈现出典型动态回复的纤维状组织。

图4 6061铝合金在不同热变形条件下的显微组织

3 结语

6061 铝合金在热变形应变速率为0.001-10 s-1，热变形温度为 375℃～500℃时是典型的动态回复型软化机制；6061 铝合金在热变形过程中，其流变应力随应变速率的升高而增大，却随着热变形温度的升高而减小，是典型的正应变速率敏感材料。