二次时效对铝合金气瓶性能的影响

邵逸馨,刘扬涛*,王大为,孙万利,宫 兵,刘 凯,杜志强

(1. 沈阳中复科金压力容器有限公司,辽宁 沈阳 110141; 2. 沈阳鼓风机集团有限公司,辽宁 沈阳 110027)

0 引 言

近20 a来,铝加工产业发展十分迅猛,成为许多国家和地区的支柱产业之一[1]。新时代对节能、环保、安全提出了新要求,发展铝工业是解决三大问题的重要途径。铝材也是航空航天和现代交通运输轻量化、高速化的关键材料。

6061铝合金是一种中等强度热处理可强化铝合金,通过固溶使强化相尽可能多的溶解,形成均匀的高温固溶体,通过人工时效使强化相均匀析出,以达到提高强度的目的。6061铝合金时效时强化相的析出顺序是:过饱和固溶体→镁硅原子团簇→GP区→β″→β′→β[2-3]。其中β″被认为是主要强化相[4-6]。

常规的固溶时效(T6)处理对性能的提升有限,为了获得更高性能的铝合金气瓶,研究人员进行了多级时效热处理,主要包括预时效+再时效、预时效+拉伸+再时效、二次时效等[7]。

本文通过对二次时效后的铝合金气瓶的金相组织、力学性能和拉伸断口的研究,探索二次时效对铝合金气瓶性能的影响。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料采用6061铝合金气瓶试料,化学成分符合国际标准ISO 7866: 2012《气瓶-可重复充装铝合金无缝气瓶-设计、结构和试验》[8],具体化学成分见表1。

表1 6061铝合金的化学成分

1.2 试验方法

试验材料制作:第一组对铝合金气瓶试料进行T6热处理,第二组对铝合金气瓶试料进行固溶+时效+二次时效处理(180℃,2 h)。热处理后对两组试样在同样的位置取样并根据相应标准进行SEM和EDS分析、金相试验、力学性能试验和断口分析。

2 试验结果和讨论

2.1 二次时效对微观组织的影响

图1是铝合金气瓶试料析出相的SEM(a、b)和EDS(c)分析,试料的合金组织的析出相主要为圆球状的Mg2Si。经过热处理的铝合金气瓶试料的金相组织如图2所示,a为第一组T6金相组织,b为第二组T616金相组织。

a. 扫描电子显微照片;b. 扫描电子显微照片;c. EDS谱图

a. 第一组T6金相组织;b. 第二组T616金相组织

从图1和图2可知,铝合金气瓶试料经过2次时效后强化相更细小均匀。在时效强化型铝合金中,对强度贡献最大的是析出相,析出相越细小密集,分布的越均匀弥散,其强度也越高[9-10]。

2.2 二次时效对力学性能的影响

经过T6和T616热处理的铝合金气瓶试料的力学性能及硬度如表2所示。

表2 铝合金气瓶试料的机械性能及硬度

从表2可知,第二组试料的抗拉强度、屈服强度均比第一组高。力学性能的实验数据与金相组织互相印证。实验结果表明,二次时效后材料的屈服强度和抗拉强度均有所提升,即二次时效能有效提升铝合金气瓶试料的力学性能。

2.3 二次时效对拉伸断口形貌的影响

经过T6和T616热处理的铝合金气瓶试料的拉伸断口形貌如图3所示,a为第一组500倍断口形貌,b为第一组2000倍断口形貌;c为第二组500倍断口形貌,d为第二组2000倍断口形貌。从拉伸断口形貌图可以看出,铝合金气瓶试料的拉伸断裂类型为韧窝-微孔聚集性断裂,在韧窝里可以清晰地看到析出相颗粒。韧窝的深浅、大小、数量取决于材料断裂时第二相粒子的大小、间距和数量[11]。因此,可以通过韧窝来分析析出相的变化规律。从高倍扫描图片上看,T6热处理后的拉伸断口韧窝大小、深浅不一,分布不均匀;二次时效(T616)热处理后的拉伸断口韧窝尺寸小、数量多,分布更均匀。这说明二次时效细化了析出相,使铝合金气瓶试料的强度得到了提升。

a. 第一组500倍断口形貌;b. 第一组2000倍断口形貌;c. 第二组500倍断口形貌;d. 2000倍断口形貌

3 结 论

1. 经过二次时效(T616)热处理与经过T6热处理的铝合金气瓶试料相比:析出相更细小密集,分布更均匀弥散;拉伸断口形貌韧窝尺寸更小,数量更多,分布更均匀。

2. 经过二次时效(T616)的6061铝合金气瓶试料的屈服强度和抗拉强度得到了有效提升。