6xxx系铝合金型材时效方式对组织性能影响

王丽萍，孙 巍，黄 健，徐靖淳，苗承义

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

6xxx系铝合金是以Mg和Si为主要合金元素并以Mg2Si相为强化相的铝合金材料，属于热处理可强化铝合金。铝合金固溶处理后获得的过饱和固溶体处于不平衡状态，有发生分解和析出过剩溶质原子的自发趋势，常温下完成析出的处理称为“自然时效”，高于常温的特定温度下保持一段时间完成析出的处理称为“人工时效”。时效引起材料内部组织发生变化，进而改变材料的性能[1]。本文对6xxx系铝合金进行自然时效及人工时效处理，观测组织及性能的变化，分析不同时效方式对材料组织性能的影响。

1 试验材料与方法

试验材料为汽车用6xxx系铝合金挤压型材，其热处理状态为淬火态(T4)；化学成分(质量分数，%)为，Si 0.688，Mg 0.576，Fe 0.195，Cu 0.147，Mn 0.243，Cr 0.168，Ti 0.029，Zn 0.020。制定两种时效制度：人工时效(T6)为175℃保温8h；自然时效为在温度21℃±1℃、湿度40%±2%环境下放置90d。

2 试验结果及分析

2.1 力学性能

分别对淬火态、自然时效状态及人工时效状态三种热处理状态试验材料进行力学拉伸试验，每种状态取5个平行试样力学性能平均值(表1)。 试验样品经自然时效后抗拉强度及屈服强度分别提高21MPa及19MPa，延伸率与淬火态相比提高1.18%；试验样品经人工时效后抗拉强度及屈服强度分别提高69MPa及137MPa，屈强比增大，延伸率与淬火态相比降低6.32%。

表1 试验样品力学性能

2.2 电导率

本实验使用SMP-10涡流电导仪(60kHz)检测试验样品的电导率，试验时样品温度为21℃±1℃，每种状态样品检测6点计算平均值，得到三种状态样品电导率值。可知，淬火态试验样品电导率为26.56ms/m，经自然时效后电导率为26.45ms/m，无明显变化，人工时效后电导率升高到28.84ms/m。

2.3 微观组织

取三种状态试验样品进行金相样品制备，在材料显微镜下观察内部显微组织中第二相分布情况如图1所示。由图可知，淬火状态下样品内部残留有较大结晶相，且均匀分布大量弥散相；自然时效处理后结晶相与弥散相尺寸及含量无明显变化；人工时效处理后结晶相无明显变化，而弥散相含量明显减少。

图1 不同状态下型材组织中第二相分布Fig.1 Distribution of second phase in profile structure under different conditions

使用扫描电子显微镜观察不同状态下型材组织中第二相形貌，并进行EDS分析，第二相形貌如图2所示，图2中第二相位置标记各点的成分见表2。可知，三种状态下均可见较大残余结晶相，淬火态及自然时效状态基体中均匀分布着大量弥散相，人工时效后弥散相明显减少。三种状态结晶相中均含有Al、Mg、Si、Fe、Mn及Cr元素，由这些元素组成的结晶相为难溶相，在时效处理过程中不能将其溶解；弥散相与基体中均含有Al、Mg、Si；淬火态、自然时效状态、人工时效状态弥散相中Mg、Si含量依次略有减少，基体中Mg、Si含量依次增多。

图2 不同状态下型材组织中的第二相形貌Fig.2 Morphology of second phase in the profile structure under different conditions

表2 各点成分(质量分数，%)

分析可知，时效处理改变了样品内部组织状态，从而改变其综合性能。试验样品显微组织中存在难溶的残留结晶相，时效前后这些结晶相的含量和化学成分未发生变化，可知时效处理未能消除难溶的残留结晶相。成分的变化说明自然时效处理后弥散相变化不明显，少量含有Mg、Si元素的弥散相被溶解到基体中，而人工时效使原子活动能力增大，大量含有Mg、Si元素的弥散相被溶解，淬火得到的过饱和固溶体逐步析出溶质原子(形成G.P区)，在基体中形成强化相Mg2Si，这些强化相阻碍位错运动使材料强度提高。由于溶质原子的不断析出使材料的晶格畸变程度减少，内应力降低，从而使电子运动变得容易，材料的电导率逐步增大[2]。

2.4 断口分析

不同状态下型材试样的拉伸断口微观形貌如图3所示。可知，淬火态及自然时效状态样品拉伸断口韧窝尺寸较大，其中大尺寸韧窝深度较浅，韧窝中可见平行的滑移线，形成较平坦的滑移带，滑移线较密集且扩展较长；人工时效状态试验样品拉伸断口韧窝尺寸较小，大尺寸韧窝深度较深，滑移线较稀疏且扩展较短。

图3 拉伸断口形貌Fig.3 Tensile fracture morphology

分析可知，拉伸变形过程中，在剪应力的作用下，晶格沿一定的晶面和晶向产生移动形成滑移[3]。多条平行的滑移线形成滑移带。滑移带是晶体发生塑性变形的重要特征，材料塑性变形越严重的区域，滑移带越密，扩展越长。淬火态及自然时效处理后拉伸断口中滑移线较密集且扩展较长，发生较大的塑性变形，获得较高的延伸率；人工时效处理后，析出的强化相阻碍了滑移线的运动，使拉伸断口滑移线变得稀疏且扩展缩短，塑性变形量减小，延伸率降低。

3 结论

(1)时效处理未能消除难溶的残留结晶相；

(2)自然时效处理后弥散相的含量及成分变化不明显，强度、延伸率及电导率变化较小；

(3)人工时效处理后弥散相大量减少，基体中析出强化相Mg2Si阻碍位错及滑移线的运动，强度与电导率明显提高，延伸率明显降低。