铝合金组织性能的研究进展

铝合金组织性能的研究进展

1产品的开发将成为制约因素汽车租赁是汽车的一个发展方向之一，汽车的铝合金化是其重要的手段。近年来,汽车车身铝合金板的开发一直是国外研究的重点,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。但目前发展趋势是开发6000系铝合金。该系合金以T4(固溶淬火+自然时效)状态供货,具有较低的屈服强度(<150MPa),从而可提供良好的成形性,产品在最后的烤漆过程中通过时效强化获得强度和抗凹陷性的良好组合。与钢板相比,6000系T4态板材的屈强比和n值高。因此6000系铝合金作为外车身板正在逐步得到应用。导师:左良教授在欧洲广泛使用的是6016合金,而在北美由于更注重强度,主要用6111合金,最近还开发了抗蚀性更好的6022合金。上述三种合金模拟烤漆硬化性能见表1。2al-mg-si合金的统计特性T4状态的6000系铝合金冲压成车身构件时,其强度并不高,需要涂装烘烤获得强化。但涂装过程的加热温度不高(<180℃),保温时间较短(<30min),抑制了合金的时效硬化能力。因而充分利用涂装加热工艺使合金强化,开发时效动力学较快的合金越来越引起汽车工业的重视。目前对6000系铝合金时效析出序列的研究已取得了初步结果。一般认为平衡的Al-Mg-Si合金(Mg、Si原子比为2)的时效析出过程为:α过饱和固溶体→GP(Ⅰ)区→GP(Ⅱ)区(β″针)→β′杆→β片(平衡Mg2Si相)。所形成的GP(Ⅰ)区为无独立晶格结构的球状物,β″针为有序结构,β′杆为半共格的平衡的β相,失去共格性。三种强化相中,β″相的强化效果最好,它是沿〈100〉Al方向的细针状析出物,具有单斜晶格。其次为β′相,它是沿〈100〉Al方向析出的具有六方晶体结构的杆状物。较弱的是β相,为立方结构,通常以片状形式在{100}Al上形成。铝合金车身板是在欠时效状态下使用,因而在烤漆处另时很难形成平衡的β相,起强化作用的主要是亚稳析出物β″相。一般β″相的体积分数随着合金的化学成分和时效条件而改变。对于合适的成分和时效条件,合金中可以只析出β″相。如果Al-Mg-Si合金含有过量的Si(Mg、Si原子比小于2),则析出过程更为复杂,即:α过饱和固溶体→GP区→β″→[β′+Q′(板条状)]→[β+Si]。与平衡的Al-Mg-Si合金相比,析出序列的第一和第二阶段没有变化。由Mg、Si原子和空位聚集形成的GP区和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阶段,不仅析出β′相,而且还有板条状的Q′相。通常Q是作为含Cu的Al-Mg-Si合金中稳定的四元相,而Q′相是一种亚稳相,具有与Q相相同的六方晶体结构和板条形态,故将其记为Q′相。随着时效温度的升高和时间的延长,Q′析出物几乎全部溶解,或者说被β相和Si所替代,而不是形成平衡的Q相,所以最后阶段只观察到Si粒子和β相。在过剩Si合金中,烤漆硬化性的提高主要归因于第二阶段形成更大体积分数的β″相。如果在过剩Si的合金中同时含有Cu,则析出过程为:α过饱和固溶体→GP区→β″→Q′→[Q(板条状)+Si]。在析出等一阶段形成的GP区的化学成分不受Cu的影响。对于高Cu合金,Cu原子溶入到针状的β″析出物中,β″和Q′都是含有Al、Mg、Si、Cu的四元强化相,但Cu含量和Mg、Si原子比值可能影响β″相的晶格参数。Cu对析出的第三阶段影响最为显著,因为对于平衡的Al-Mg-Si合金在同一析出阶段,出现杆状的β′相,而不是板条状的Q′相。由于Cu的加入对形成Q′相有利,所以从β′相转变成Q′相或者说Q′相替代了β′相。合金中Q′相析出的数量随Cu含量的增加而增加。Q′相与Q相具有相同的晶体结构及相近的晶格参数但尺寸较小。MMurayama等报道在达到峰值硬度时没有发现Q′和Q相存在的迹象,Q′和Q相是在过时效条件下形成的,由于Cu溶入β″相,长期时效之后,β″相最终发展成Q相,其化学组成为Al5Cu2Mg8Si6和Al4CuMg5Si4。含Cu的6000系铝合金在烤漆条件下的强化是通过由时效形成Q相的亚稳初始物进而产生一种复杂的显微组织实现的。由于Q和Q′相需经较高温度或较长时间时效才能析出,难以在烤漆条件下形成,对烤漆强度的提高没有贡献。烤漆条件下的时效强化主要归因于形成更多、更细化的β″相。铝合金中的析出过程是受扩散控制的。在较低的时效温度下,平衡相在过饱和固溶体中的直接形核是相当困难的,一般需要先形成过渡的亚稳相。在合金中所形成的不同相的析出类型和范围主要取决于Si、Mg、Cu含量以及时效条件。Si和Mg是6000系合金中的主加元素。含有过量Si的Al-Mg-Si合金,不仅相的析出序列发生了改变,而且使Si析出物及β相的析出温度降低。研究表明,增大Si含量能提高Si析出物及β相的析出密度导致更高水平的强化,而对促进人工时效动力学作用不大,主要是通过影响合金时效的初始硬度进而提高合金的烤漆硬化性。Mg具有一些与Si类似的作用。合金的初始硬度与Mg-Si溶质原子集团的硬化作用有关。这就是说合金中不仅需要较高的Si含量,同时必须要有足够的Mg。Mg与合金中过量的Si形成大量的溶质原子集团而使初始硬度提高。因此,并不是Al-Mg-Si合金中的过量Si越多,人工时效后的强度或硬度越好。Cu是通过改变析出序列而提高时效动力学的有效元素。Cu的添加主要是促进烤漆过程中β″相的形成,提高烤漆硬化性能。含Cu量较高合金的显微组织更细密,而且较高的Cu含量总是导致较高的硬度。3热变形对织构的影响6000系铝合金作为车身板应用需要满足成形性的要求。而冷轧板的变形晶粒在固溶处理过程中会发生再结晶,其晶粒的尺寸、形态和分布以及织构对于T4条件下板材的成形性起主导作用。6000系铝合金成品板材中的织构是由最终固溶处理再结晶过程决定的。所形成的再结晶织构组分为Cube{011}〈100〉、RotatedCube{001}〈310〉、Goss{011}〈100〉和用Rx表示的{011}〈81111〉。值得注意的是固溶处理再结晶时,冷轧板中的Brass、S和Cu形变织构随着加热温度的升高而减弱,而在这一过程中所形成的再结晶织构却相对较弱,其中以Cube织构为主导。一般来说,铝合金的再结晶织构是由Cube带形核的晶粒和由PSN(particlestimulatednucleation)形核的晶粒之间的作用产生的。Cube织构组态的形核是通过Cube晶粒的变形形成的Cube带产生的,而PSN产生很弱的织构。然而最近的研究表明,Cube晶粒的形核与存在与热变形组织中小体积的Cube晶粒有关,局部变形的不均匀性可能导致产生小的Cube体积,因而Cube再结晶织构的出现就意味着材料在变形前后有Cube晶粒存在。由于变形前的Cube取向晶粒很少,所以Cube取向晶粒的形核不会只限于Cube带。从Cube带上产生新的Cube晶粒似乎并不是形成Cube再结晶织构的唯一机制。Cube取向晶粒有可能会在取向分布范围较大的非Cube取向晶粒的Cube亚晶内形成。这是关于热变形后形成Cube再结晶织构的一种新观点。在再结晶过程中形成的再结晶织构组分Cube、RotatedCube、Goss和Rx尽管较弱,但在其后的深冲操作中,板中的再结晶织构对塑性各相异性具有强烈影响。在由拉伸试验测定的厚向异性系数r值以及由杯突试验测定的杯突值m表明,不同组分的再结晶织构在与轧向成0°、45°、90°的方向上显示出很大的差异。如果能有效地控制再结晶织构进而获得所希望的r值和m值,就能控制塑性各向异性以及制耳行为。研究还证实,形成弥散相的Cr、Mn、Zr、Ti等微量元素对6000系合金板材中的织构也有一定的影响。无弥散相的合金具有更高的Cube(RD)、Goss织构组分,较少的再结晶织构组分以及保留下来的轧制织构组分。但在含有弥散相的合金中,随着弥散相含量的增大,当保留下来的轧制织构和再结晶织构组分增加时,Cube(RD)和Goss织构组分就会减少。合金中不同的织构组分影响其成形性。但目前用微量元素控制织构组分的研究还较少。4模拟烘烤硬化性T4状态的6000系铝合金板冲压成车身构件后,在烤漆过程中产生的强化比T6状态强化小得多。典型的AA6111合金的模拟烤漆强度(2%预应变+177℃×30min)仅为230MPa,而该合金在T6(固溶淬火+峰值时效)或T8(固溶淬火+形变时效)状态下的强度可高达330~390MPa,因而对6000系铝合金烘烤硬化性的改善引起特别关注。4.1第三,温度对合金硬度的影响6000系铝合金固溶处理之后立即进行人工时效,才能充分发挥其时效硬化能力,但在实际操作中,对汽车板却难以实现。通常板材淬火后需要在板料生产厂存放一段时间,然后才在汽车制造厂进行弯曲、冲压或其它塑性变形。而板材在室温下滞留(自然时效)会降低6000系铝合金时效强化效果,对烘烤硬化性有不利影响。合金固溶淬火后,基体中的溶质和空位因高度过饱和而处于不稳定状态,析出物的类型、大小和分布是由后面的热处理决定的。如果合金淬火后自然时效,硬度随时间延长而增大。但随后的人工时效过程开始使硬度出现下降趋势。很明显合金在取得显著硬化效果之前,需要更长时间的保温。研究表明,适当的预时效能减轻自然时效的这种有害作用。如果固溶处理后立即人工时效(预时效),抑制了以后的自然时效过程,减轻了对烤漆条件下析出的不利影响。而合金存在某一临界时效温度,该温度被定义为产生稳定预时效结构的临界温度。如果合金在这一温度以下预时效,预时效往往对烘烤硬化性产生不利影响,自然时效就属于这种情况。而将不同的元素添加到合金中可能会影响这一过程。过去的工作证明,预时效对于加快低温短时间时效硬化速度是一种有效的手段。预时效不仅能提高烤漆硬化性能,而且重要的是预时效的T4P(固溶淬火+预时效+自然时效)材料在大多数情况下与常见的T4材料的相比,在同样交付条件下显示出较低的强度,改善了材料的成形性。这是因为自然时效强化被大大削弱了。4.2时效初始阶段6000系铝合金在固溶处理之后引入预应变,会形成一种取向不同拉长的亚晶粒组织,这种不稳定的组织产生的滑移位错可为以后的时效析出提供大量的形核地点。在时效初始阶段,溶质原子偏聚到滑移位错中,在位错周围形成柯氏气团,这种在位错上形成的析出物,随着预应变的增大而增多,因而硬度的升高归因于预应变产生的位错即加工硬化,提高了合金的时效强化能力;此外,大多数结果表明,预应变对合金析出过程的影响是GP区的形成被大大地抑制了,而中间相的形核和长大被大大地加速了。预应变的增加会使时效析出转向更低的温度。固溶处理后进行预应变可充分发挥6000系铝合金车身板的烘烤硬化效应。5研究开发铝合金材料国外用铝合金替代钢作为车身板虽已成功,但铝合金本身的性能特点使其在应用中还存在一些问题。例如,铝板的强度、冲压成形性及焊接性总体不如钢板,加之价格比钢高(约为钢的两倍),因而使其应用受到限制。为了促进铝合金车身板的大规模应用,