《Acta Materialia》一种新工艺！减轻自然时效对6系铝合金不利影响

2021-01-05 11:00:01 作者：本网整理来源：材料科学与工程分享至：

编辑推荐：本文设计了一种新颖的热力工艺，该工艺能够减轻自然时效对烤漆硬化的负面影响，并提供强度和延展性的出色组合。该工艺步骤简单，实用性较强，能够将低铜AA6016合金性能提升至接近含铜6xxx合金，本文为后续铝合金汽车板材开发提供了研究思路，对生产具有一定实际意义。

Al-Mg-Si（6xxx系列铝合金）合金由于具有较高的比强度，在汽车行业中的受关注度居高不下。在欧洲，Al被广泛用于汽车的覆盖件。6xxx铝合金可热处理强化，可以进行多种时效处理以优化其强度和硬度。6xxx铝合金的时效序列很复杂，并且会随合金成分和热处理工艺而变化，但通常遵循SSSS→溶质团簇→GP区→亚稳β‘’→亚稳β‘，U1，U2和β’→β和Si。用于汽车的铝合金板通常需要进行烤漆硬化，而自然时效的存在将减少烤漆过程中车身板的性能提升，所以设计一种热力工艺，减弱自然时效的影响具有巨大的工业意义。

澳大利亚悉尼大学的研究人员设计了一种新的工艺减轻自然时效的负面影响，在烤漆硬化后表现出良好的强度（屈服强度223MPa，抗拉强度291MPa）和延展性（总伸长率＞20%）组合，使低铜AA6016性能接近含铜6xxx铝合金。相关论文以题为“Design of solute clustering during thermomechanical processing of AA6016 Al-Mg-Si alloy”发表在金属材料顶级期刊Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.10.074

640?wx_fmt=jpeg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

本研究选择商用1mm厚的6016轧制板，首先进行570℃×40s固溶处理（水淬），然后一部分自然时效多余20小时（T4态，简称NA），另一部分进行预时效（T4P态，简称PA），PA处理是淬火后立即开始，将材料在20s内升温至100℃并时效小于30s，而后以3.5℃/h的速率冷却至30℃，自然时效或预时效后对材料施加2%的拉伸塑性应变，油浴环境下在10s内加热至170℃保持20min以模拟烤漆过程（PB）。本研究的四个样本分别为：NA；NA+PB；PA；PA+PB。

图1 热力处理过程

研究发现在预时效处理（PA+PB）后进行烤漆处理的样品拉伸性能显着提高，使屈服强度几乎提高了一倍，并保持了良好的延展性，均匀伸长率为18％，总伸长率为23％。相比之下，自然时效之后进行烤漆处理（NA+PB）的样品屈服强度增加提升较小（16％）。PA样品的屈服强度明显低于NA样品（降低15%），同时具有出色的延展性，总伸长率为28％。

图2 （a）不同条件下合金的拉伸曲线和拉伸性能表；（b）不同6xxx合金的屈服强度相对于总伸长率的分布；（c）不同时效处理下各6xxx合金屈服强度对比

图3 6016合金的3D APT映射，Mg（绿），Si（红）

经过预时效处理，可以形成稳定的团簇分散体，这种在烤漆之前稳定的团簇分散的属性是优化最终强化效应的关键。这种预处理可以保证最低水平的溶质原子团簇结合，从而在烘烤期间为后续的团簇形成保留了巨大的潜力。在烤漆过程中形成的团簇具有以下属性：密度大，包含≥20个原子的Mg-Si共聚簇，以及较少种类的单一物种Si-Si和Mg-Mg团簇。通过离散傅里叶变换（DFT）计算进一步强调了空位在影响稳定性方面的关键作用。它表明空位对硅原子具有很强的亲和力，空位可以稳定单物种的Si-Si团簇。（文：破风）