单级时效处理对6082铝合金型材微观组织的影响

王宏明，杨广林，李桂荣，潘亚明

(1.江苏大学 材料科学与工程学院，江苏 镇江 212013；2.江苏祯和祥新材料科技有限公司，江苏 常州 213011)

6082铝合金属于Al-Mg-Si系可热处理强化、具有中等强度的铝合金，因具有良好加工性能以及耐腐蚀性能，被广泛应用于汽车、高铁等交通运输业.通过对6082铝合金铸锭进行后续的挤压变形处理，铸锭中原有的疏松、气孔、微观内部缺陷被明显消除，可使材料的综合性能显著提高，但仍需要通过变形后的热处理来进一步提高材料的性能.研究[1-2]表明：时效热处理使原本固溶产生的过饱和固溶体发生沉淀生成共格或半共格的亚稳相质点，此状态主要强化相是GP区和少量的β相，这些质点弥散分布在基体中，能起到很好的弥散强化效果，因此，时效热处理对6082铝合金性能的影响极大[3].目前不同牌号和不同具体成分的铝合金型材热处理制度又有细微差别，而这对于材料的性能又具有重要影响，因此，优化铝合金的时效处理参数，探索时效处理对材料强韧化影响机制具有重要意义.

文中通过对6082铝合金进行挤压后时效热处理，探讨时效处理对6082铝合金型材微观组织的影响，以期为6082铝合金型材工业生产提供试验参考.

1 试验材料与方法

试验用6082铝合金挤压型材试样成分见表1，w为质量分数.先将Φ178 mm的6082铝合金棒材挤压成35 mm×15 mm×3 mm的方管型材，挤压后立刻进行水淬处理，72 h后再进行微观组织观察.

表1 6082铝合金各成分质量分数 %

挤压成型过程工艺参数如下：铝棒温度，(510±10)℃；模具温度，(470±10)℃；模筒温度，(410±10)℃；型材出口温度(520±20)℃；水温≤30 ℃；挤压速度，2.5～4.0 mm·s-1；挤压压力，110 MPa.

试样制备：利用线切割设备将铝合金材料沿挤压方向(ED)从中部截断，切割成10 mm×10 mm×2 mm的微观组织观察试样，组织观察方向垂直于挤压方向，具体取样位置如图1所示.

图1 取样位置示意图

试样分2组，第1组试样作为空白样，不进行时效处理；第2组试样为时效样，在箱式电阻炉中进行单级时效处理，根据前期对不同参数下材料力学性能测试，选取综合性能最佳的参数即175 ℃×8 h条件下进行时效处理，待处理时间结束后将试样取出置于室温下回温.试验中采用的仪器设备包括(JEOL)JSM-7001F扫描电镜、D/MAX-RCX射线衍射仪以及S3400场发射SEM与牛津探头组成的电子背散射衍射系统.

2 结果与讨论

2.1 时效处理对微观结构影响的SEM分析

图2所示为6082铝合金挤压型材时效前后的SEM照片.

图2 时效前后6082铝合金SEM结果

由图2可见，2种状态的试样晶粒都比较细小，晶粒尺寸在微米级，通过Image-Pro Plus软件测得时效前后晶粒平均尺寸分别为7.02，9.80 μm.时效过后晶粒出现细微长大，分析认为在材料挤压成型及水淬过程中材料内部存在较多残余内应力，时效过程中可以使得部分残余应力释放，残余应力驱动再结晶晶核的形核和长大.Al-Mg-Si系合金的时效析出序列通常为α(Al)→GP区→棒状β″相→杆状β′相→片状β-Mg2Si相；在120～250 ℃温度范围，以析出β″/β′相为主，随着时间的延长，相最终由β″/β′转变长大成β相.β相弥散分布在基体中有效阻碍了金属晶体的变形，会有效提高金属的强度.

2.2 时效处理对微观结构影响的XRD分析

图3为空白样与时效处理后6082铝合金挤压型材的XRD与半高宽图谱.

由图3a，3c可见，挤压时效处理后6082铝合金并没有生成新的物相，但与原始样相比，不同晶面对应的衍射峰强度却发生了明显的变化，其中(111)，(200)，(220)以及(311)这4个晶面对应的衍射峰较为明显.

图3 6082铝合金的XRD与半高宽图

为了进一步对时效处理条件下6082铝合金的晶体结构变化进行分析，采用下式计算这几个峰的织构系数[4]：

(1)

式中：TC(hkl)为织构系数；Ii(hkl)和I0(hkl)分别为试验测定的试样晶面峰强以及JCPDS卡中的标准晶面峰强；n为衍射峰个数.

本次模拟主要针对废水污染物浓度最高的老化装置进行，老化压缩液中主要污染物为硝酸盐，占13.127%，浓度为151.68 g/l。假设设备非正常运行发生泄漏，污水已穿透第四系黏土层，进入含水层中。共设置3种情景，假设老化装置发生滴漏(点源污染)，老化压缩液泄漏量分别为污水总量的1%、5%、10%，对应流量为0.608 8 m3/d、3.044 m3/d、6.088 m3/d，连续泄露120 d后切断污染源，此时对应的污染羽中心浓度为94.554 mg/l、472.541 mg/l、944.51 mg/l。切断污染源后，模拟残留污染羽在地下水中运移情况(表3)。

计算结果见表2.

表2 时效处理条件下不同晶面的织构系数 %

由表2可知，经时效处理后各晶面的织构系数发生了明显的变化，其中(200)和(220)变化最为显著：(200)晶面的织构系数从80.13%降为5.46%，(220)晶面的织构系数从8.14%增长为72.78%.因此，时效处理能够强化(111)，(220)，(311)方向的织构，弱化(200)方向的织构.

对比图3b，3d可见，热处理后材料XRD分析的峰半高宽值变化明显，说明材料内部的位错密度发生变化，即发生了位错强化.位错对强度的贡献(σρ)与位错密度之间的关系式[5]为

σρ=MαGbρ1/2，

(2)

式中：M为泰勒因子，取值3.07；常数α=0.24；G为剪切模量，铝合金的G取值26 GPa；b为Burgers矢量，铝合金的b取值为0.286 nm；ρ为位错密度，按照Dunn公式[6]计算：

(3)

式中L为峰半高宽值(弧度).

通过式(2)-(3)可以得出位错密度与位错强化，其值列于表3.

表3 时效条件下6082铝合金型材位错密度与位错强化

由表3可知，经时效处理后6082铝合金位错密度及位错强化都略微增加.

2.3 时效处理对微观结构影响的EBSD分析

图4为6082铝合金晶粒分布EBSD图及晶粒尺寸分布柱状图.6082铝合金发生挤压变形时，在平行于挤压方向的纵截面上，可以清晰地看到挤压后所形成的细小晶粒呈现带状组织特征.图4中黑色边界为晶粒边界，绿色边界为亚晶界即小角度晶界.

图4 6082铝合金的晶粒特征与晶粒统计

由图4a，4b可见，空白试样的最大、最小晶粒尺寸分别为68.25，1.25 μm，而平均晶粒尺寸为7.02 μm，试样中尺寸小于10 μm的晶粒占了81.04%，低角度晶界所占比例为47.91%，平均晶界角度为25.51°；由图4c,4d可见，经时效处理后试样的最大、最小晶粒尺寸分别为64.25，1.25 μm，平均晶粒尺寸为9.80 μm，试样中尺寸小于10 μm的晶粒占了62.75%，低角度晶界所占比例为67.47%，平均晶界角度为16.06°.晶粒尺寸与SEM观察分析结果基本一致.

由于晶界上原子排列不规则，点阵畸变严重，加之晶界两侧的晶粒取向不同，滑移方向和滑移面彼此不一致，使滑移从一个晶粒直接延续到下一个晶粒变得更为困难，挤压后晶粒破碎有利于合金强度的提高.由图4可见时效处理后晶粒尺寸有了细微长大，原因为6082铝合金在挤压成型过程中有残余应力出现，其在挤压成型的过程中受到的挤压力有的部位大有的部位小，是不均匀的，而最终的型材是一个整体，这样就会产生残余应力.晶粒在挤压变形的过程中破碎形成细小的亚晶带，这些带状区域夹在变形储能较高的亚晶中.随着时效处理的进行，型材中的残余应力得到释放，驱动再结晶晶核的形核和长大，从而导致晶粒细微长大.时效处理使得未再结晶的细长晶粒发生再次再结晶，形成一批细小再结晶晶粒，同时，时效前存在着的细小再结晶晶粒会发生动态回复长大，大角度结晶的比例上升.二者的作用会使得平均晶界降低及提高低角度晶界的比例.晶界平均角度从25.51°降到16.06°，低角度晶界所占比例从47.91%提高至67.47%，有利于材料强度的提高.

表4为EBSD分析计算得到6082铝合金高角度晶界分数fH、低角度晶界角度θL与高角度晶界尺寸dH.

表4 EBSD分析计算结果

低角度晶界强化σL与高角度晶界强化σH对屈服强度的贡献由下式[7-9]计算：

(4)

σH=kdg-1/2，

(5)

式中：k为Hall-Pech系数，取值0.04 MPa·m-1/2；dg为平均晶界尺寸.

位错强化与晶界强化对屈服强度的贡献值列于表5.

表5 时效条件下6082铝合金型材晶界强化与位错强化

由表5可知，时效处理后与时效处理前位错强化相差不大，但时效处理后的合金晶界强化与位错强化的总强化比未进行时效的提高了12.1 MPa(由87.87 MPa提高到99.97 MPa).

图5为6082铝合金挤压型材时效处理前后应力分布EBSD图.

由图5可见，时效处理前6082铝合金型材内部存在大量的残余应力，经过时效处理后残余应力显著减少，同时晶粒尺寸略微变大，时效处理释放了合金内部的残余应力，晶粒发生长大现象原因得到验证.残余应力的存在会降低型材的实际强度、降低疲劳极限，造成应力腐蚀和脆性断裂[10]，时效处理能够有效去除残余应力，使型材强度得到提高.

图5 6082铝合金的应力分布图

图6为6082铝合金挤压型材时效处理前后的极图.

由图6可见{100}，{110}，{111}方向晶粒均呈小块区域的离散型分布，织构也发生了变化.图6a表明试样在{110}方向并未存在一定的基面织构，存在着2个方向的晶粒择优取向.图6b表明试样在{100}，{110}方向存在一定的基面织构，基面{100}，{110}与挤压方向近似平行；{100}，{110}，{111}方向晶粒均呈小块区域的离散型分布.时效处理明显增强了试样在{100}，{110}方向的织构.受不同织构方向的影响，分析认为时效处理后晶粒的偏转方向有利于材料的改性.

图6 6082铝合金的极图

3 结 论

1)时效处理后6082铝合金挤压型材晶粒发生细微长大，晶粒平均尺寸由7.02 μm增长为9.80 μm.

2)时效处理后晶粒平均晶界角度降低，从25.51°降到16.06°，低角度晶界比例显著提高，从47.91%提高至67.47%；同时，6082铝合金挤压成型过程中储存的残余应力得到有效地去除.

3)时效处理后晶粒{100}，{110}方向的晶粒分布发生明显的变化，明显增强了试样在{100}，{110}方向的织构.