热处理工艺对Al-Mg-Si铝合金组织与力学性能的影响

（陕西铁路工程职业技术学院，陕西省渭南市，714000） 张灵晓 郑永涛 徐立青 李 娜

Al-Mg-Si 合金为6 系铝合金，是一种具有良好耐腐蚀性和机械性能的可成形合金。此外，这类合金易于挤压、焊接和加工，可通过时效等热处理方式来提高其机械性能。因此，6xxx 系铝合金是汽车、电气、航空航天、船舶和军工行业最常用的铝合金之一[1-5]。然而，这类合金的改善工艺研究仍在进行中，其中一种最具潜力的工艺为深冷处理，即零度以下热处理，该技术已经被成功应用于各类钢材料上[6-8]。对于有色合金，如上述铝合金，深冷处理技术仍处于起步阶段。本文选取了一种Al-Mg-Si铝合金，对其进行深冷处理，并进行人工时效。该研究的目的是研究深冷处理对人工时效Al-Mg-Si铝合金性能的影响，并考虑了不同的均匀化温度对人工时效后性能的影响。

1 试验材料及方法

1.1 试验用铝合金材料

所用Al-Mg-Si铝棒型材化学成分如表1所示。

表1 Al-Mg-Si铝合金的化学成分（质量分数/%）

1.2 热处理制度

将试验用的铝合金分成4组，按照如图1所示的热处理制度图进行4 种热处理，详细的工艺参数见表2所示，变量分别为均匀化处理温度与深冷处理。如图1所示，均匀化处理后进行水淬处理，而深冷处理采用零下196℃的液氮进行。如图2 所示为两种均匀化处理温度在处理过程中的温度采集曲线。

表2 试验热处理制度

图1 热处理制度曲线图

图2 不同温度下均匀化处理试样温度随着时间的变化曲线

1.3 试验方法

拉伸试验采用WAW-B系列微机控制电液伺服万能试验机，按国标要求加工拉伸试样，试验标准执行GB／T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》，测试铝合金的抗拉强度、屈服强度以及延伸率，每个热处理制度下分别加工3个相同的平行试棒，然后取平均值。铝合金的微观组织采用OP-50M 型金相显微镜和Jeol JSM-6500 F 型扫描电镜下进行组织观察，而透射电镜（TEM）在JEOL JEM-2100HR 显微镜在200kV 下测定形态。

接头低温冲击性能检验，执行GB/T 229《金属夏比缺口冲击试验方法》和GB/T 12778《金属夏比冲击断口测定方法》标准，而布氏硬度检验采用HB-3000 布氏硬度计，每个试样分别测3 个点进行取平均值。

2 试验结果与分析

2.1 微观组织

两种均匀化处理后的典型显微结构特征和相分布的光学显微图显示：不同温度下的均匀化处理对金相组织影响并不大，尤其是Al-Fe-Mn-Si 相的形貌几乎没有任何变化；不论均匀化处理的温度在540℃还是570℃，深冷处理的试样与未深冷处理的试样，分散体的数量都有所增加，可以证明人工时效前不同处理样品的金属间相和析出相的分布和尺寸是相似的。在均匀化温度较低的样品组，深冷处理会增加组织中额外的析出相；深冷处理对人工时效的分散体变化有明显的调节作用。同时，深冷处理也可以促进人工时效过程中小型β 相颗粒的形成，采用深冷处理的β″相密度的增加也是材料收缩和位错密度增加的结果，有效地降低了析出相的形核功△G*，而该结论已经被Huang等人在铝合金自然时效过程采用差示扫描量热法验证过。从图中可以看出不同均匀化处理温度对β″和β′颗粒的析出没有明显的影响。

2.2 硬度试验

图3 为4 种不同热处理制度下的布氏硬度图。图3中可以看出，在均质化温度较低的情况下，深冷处理具有较高的硬度（图3 中A 与B 比较），这可能是β″析出较多的结果。然而，对于较高均质化温度的情况（图3中C与D比较），硬度略有增加，这是原因可能在于Mg 和Si 的消耗，导致析出相的尺寸减小或网状减少。添加较多的合金元素如Fe、Mn、Cr和Zr 的额外存在可能会诱导低熔点复杂析出相的形成，并与Al-Si结构相结合，这可能会潜在地改变这些析出相的硬化效果。最近的研究表明，在铝合金的特定合金化过程中，可以形成新的低熔点的Al-Si 相，从而有可能改变整个体系的析出动力学。

图3 四种样品的布氏硬度图

2.3 拉伸试验

如表3 所示为不同热处理制度试样的力学性能。当均匀化处理温度为540℃的试样进行人工时效时（表中A 与B），深冷处理的作用对其拉伸性能（抗拉强度、屈服强度和延伸率）的影响较小。而对于均匀化处理温度为570℃时（表中C与D），深冷处理提高了其抗拉强度和屈服强度，并相应地降低了伸长率。这些基本力学性能表明，均匀化温度对两组试样人工时效的深冷处理效应也有影响。深冷处理提高了位错的钉扎，从而提高抗拉强度和屈服强度。

表3 不同热处理制度试样的力学性能

2.4 冲击韧性

如图4 所示的冲击韧性测量结果表明，在均匀化处理温度较低的情况下（A 与B 比较），深冷处理的B的平均值略有增加，而在均匀化处理温度较高的情况下（C 与D），经过深冷处理的试样D 性能略有降低。而对于四组试样，如果考虑到结果的分散性，深冷处理对冲击韧性的影响可以忽略不计。

图4 不同热处理制度试样的冲击韧性

3 结语

在实验的4 种热处理制度中，均匀化处理温度对微观组织影响不大，对其硬度和拉伸试验结果影响也不大。深冷处理对人工时效的分散体变化有明显的调节作用，也可以促进人工时效过程中小型β 相颗粒的形成。深冷处理可以提高析出相的形成，增加位错密度，从而提高了硬度、抗拉强度和屈服强度。