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本科毕业论文开题报告题目：热处理对6061铝合金组织与性能的影响学生姓名 学号教学院系材料科学与工程学院专业年级材料成型及控制与工程2011级指导教师张德芬职称副教授单位西南石油大学2015年3月日目录1 选题背景及意义- 1 -1.1 选题背景- 1 -1.2 研究目的及意义- 2 -2 国内外研究现状- 2 -3 研究内容- 2 -3.1 主要研究内容- 2 -3.2 Al-Mg-Si三元系平衡状态图- 2 -3.3 6000系铝合金的热处理工艺- 2 -3.3.1 固溶处理- 2 -3.3.2 时效处理- 2 -4 研究方案- 2 -4.1 试验材料- 2 -4.2 试验方法- 2 -4.2.1 热处理试验- 2 -4.2.2 金相组织观察- 2 -4.2.3 X射线衍射分析- 2 -4.2.4 硬度测试- 2 -4.2.5 冲击试验- 2 -4.3 技术路线- 2 -5 可行性分析- 2 -6 工作进度安排- 2 -7 预期结果- 2 -1 选题背景及意义1.1 选题背景当前时代，汽车、航空航天、舰船等领域的主体技术正步入转型换代的新时期，能源、环保、安全是整个领域当前所面临的越来越严峻的三大课题。轻量化、智能化、安全和节能环保是当今汽车技术的重要发展方向。而材料技术是整个行业发展创新的重要内容和物质基础，这必然对生产材料提出了更高的要求。然而轻量化是汽车发展的一个重要趋势，通过使用轻质材料来代替传统的钢铁材料，可以减轻汽车的质量，以达到节省燃料的目的。据文献 韩巧荣. 对我国工业用铝型材发展的几点建议J.有色金属加工, 2007, Vol.36, No.5.介绍，汽车整体质量减少10%，不但可使燃烧有效率提高5%；而且每消耗1L燃料，还能较少2.5KgCO2的排放量。由此可见，为有效的解决能源和污染问题，限制车辆消耗是非常重要的。同时，人们对汽车的安全性要求也越来越高，越来越多的轻质或高比强度材料受到汽车设计者的关注。2010年4月，全新一代的Audi A81在北京国际车展正式亮相后一直备受关注，铝挤压型材、铝真空压铸件及铝合金板是奥迪铝车身的三大基本元素。奥迪ASF的核心设计思想及时提高车身的安全性能以及抗震冲击性能。得益于铝制结构同重量更强的优点，奥迪在车身的重要部位采用与原来用钢相同重量的铝来制造，将其车身刚度在传统车身的基础上提高了60%。刚度的提高既有利于对车外风噪以及路噪的隔绝性能以及对隔绝悬挂运动的冲击性的提高，同时也能在发生碰撞时更好的保护车内成员。因此，铝合金便成为研究者们所亲睐的材料之一，它密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，同时具有比强度高、耐腐蚀、加工性好、易于回收等特点，成为现代社会所追求的、最有希望的金属材料。为此也成为制造轻量化不可或缺的金属材料。然而，中国的铝挤压工业起步于上世纪50年代初，产品绝大多数应用在军工领域。上世纪80年代初，建筑铝型材的生产在中国的南、北方同时起步。其后的近30年，中国铝挤压工业发展进入快速发展期，产品以建筑铝型材为主。其中6XXX系铝合金是最重要的变形合金，现已广泛的应用于工业生产、机械制造、电器生产。据博士论文 刘宏, Al-Mg-Si-Cu-Mn汽车车身用铝合金板材的研究D. 东北大学博士学位论文, 2005年.介绍：日前，国家教育部重点项目“汽车车身用铝合金板材研制”和国家“863”计划项目“高精密深冲铝合金板材及相关技术开发”的宗旨都是开发出一种用于汽车车身板的新型铝合金材料及其相关的热处理工艺。因此，对6XXX系铝合金的研究应用是各领域发展的工作重点，也是发展的必然趋势。以6061为代表的6000系铝合金中主要合金元素为镁和硅，是一种热处理可强化合金，具有中等强度、良好的抗腐蚀性、可焊接性、氧化效果好等特点。广泛的应用于对强度和抗腐蚀性具有一定要求的各种工业构件，如制造卡车、塔式建筑、船舶、电车、铁道车辆等。代表用途包括航天固定装置、电器固定装置、通讯领域，同时也广泛应用于自动化机械零件、精密加工、模具制造、电子及精密仪器、SMT、PC板焊锡载具等。随着现代化工业的高速发展，特别是航空航天、汽车、建筑等领域的飞速发展，铝合金在各行业中的应用将更加广泛；一些特殊条件、极端条件的特殊性要求，使得对铝合金的表面处理有更高的要求，迫使人们对铝合金的性能研究越来越高。一些成本低、污染少、多元素、多层次的表面复合技术必将成为未来发展的主要方向。1.2 研究目的及意义汽车产业在世界各地蓬勃发展的同时，加剧了环境和能源短缺两大严重的社会问题。这促使汽车产业将持续发展的核心放在能源和环保上，同时为了应对来自汽车轻量化材料的挑战，企业将开发的重点放在了合金材料上 敖炳秋. 轻量化汽车材料技术的最新动态J, 汽车工艺与材料, 2002, (8-9): 1-21.- 张少华. 铝合金在汽车上应用的进展J, 汽车工业研究, 2003, (3): 36-39. Miller W S, Zhuang L, Bottema J et al. Recent development in aluminium alloys for the automotive IndustryJ, Material Science and Engineering A, 2000, 280: 37-49. 刘祚时, 谢旭红. 轿车工业中铝材的应用与开发J, 江西冶金, 1999, 19(1): 29-32.。汽车材料是影响汽车重量的重要因素，对节省能源及改善污染都有相当程度的影响。在新能源技术发展尚未成熟，汽车减重无疑是降低能耗及污染的最佳途径。近些年来，铝合金在车辆上的使用受到广泛的重视，替代其他材料（如钢、塑料等）用作汽车零部件，成为地铁、列车、轻轨、高速列车等轻量化、现代化的有效途径。世界发达国家已经率先一步成功用6000系合金替代钢作为车身板，对汽车车身板的基本要求是尽可能高的冲压变形能力和使用中的抗凹陷性。而T4态的6000系合金冲压成车身构件时，其强度并不高，而且涂装过程的加热温度较低，保温时间较短，抑制了6000系合金的时效硬化能力，使其不能在常规额烤漆操作中获得显著地硬化效果。而目前应用的6016和6111合金，其使用强度并不理想。因此关于合金组织的优化研究仍在继续。我国汽车产业的正处于快速发展时期，对原材料的消耗量越来越大，因此，可持续应用材料便成为研究者们所亲睐的材料。6061铝合金是经热处理预拉伸工艺生产的高品质铝合金产品，其强度虽不能与2XXX系或7XXX系相比，但其镁、硅合金特性多，具有加工性能极佳、优良的焊接特点及电镀性、良好的抗腐蚀性、韧性高及加工后不变形、材料致密无缺陷及易于抛光、上色膜容易、氧化效果极佳，可持续应用等优良特点，已成为了汽车行业研究的重点材料。我国是铝资源丰富的国家，应用铝及铝合金无疑是汽车可持续发展的重要保证，因此研究和开发汽车车身板铝合金据有重要意义。与国外相比，尽管国内对6000系铝合金材料的研究刚起步，但为了赶上世界汽车工业的发展水平，国家高技术发展委员会及国家教育部分别设立了关于6000系车身板的研究项目，旨在研制出一种具有我国自主知识产权的适用于汽车外身板的铝合金制造工艺技术。汽车零部件的轻量化，特别是一些关键零部件材料，如发动机活塞、连杆、转子和叶片等运动部件的轻量化，对提高发动机效率、减轻汽车自重和降低能耗、减少尾气排放及噪音污染是有显著提高的3-4。零部件材料轻量化的一项重要措施就是以铝代钢。铝合金具有比重轻、易成型、比强度高、耐腐蚀性好等特点，作为轻金属广泛应用于汽车零部件上。铝合金在汽车上的应用优势主要有以下几点：（1）汽车轻量化，节约降耗，有利环保。汽车铝合金零件可回收再利用。铝合金的熔点低，便于重熔回收。（2）减少工序，提高装配效率。铝合金汽车整体构架焊点少，减少了加工工序，同时相对于钢铁，无需防锈处理。（3）安全舒适。铝合金材料在减轻汽车自重的情况下，车身重心也降低，汽车行驶更稳定、舒适。同时，铝合金材料的性能以及车身的构造，能充分吸收撞击时的能量，故而更加安全。（4）提高燃油效率，加大载重能力。铝合金材料在汽车上的应用在减轻汽车自重的同时提高汽车的载重，增大汽车的运输效率，降低运输成本。为使铝合金获得一定的性能要求，人们做了许多研究工作，其中铝合金的第二相强化（又称热处理强化）是铝合金的主要强化方法 林钢, 林慧国, 赵玉涛. 铝合金加工手册M. 北京: 机械工业出版社, 2006.，因为合金中强化相的数量、大小、形状和分布是影响合金强度的关键因素，因此，增加合金中的强化相数量可以明显提高合金的力学性能 第一机械工业部机械科学研究院材料研究所. 金相图谱M. 北京: 机械工业出版社, 1946., 王建华. 形变热处理对2618铝合金性能的影响J. 热加工艺, 2001, 16(2): 13-14.。热处理不仅可以改变铝合金的加工工艺性能，更重要的是可以改善其使用性能，显著地提高铝合金的机械性能。经过热处理强化后的Al-Mg-Si合金具有中等强度，冲击韧性高，对缺口不敏感，有极好的热塑性，可以高速挤压成结构复杂、薄壁、中空的各种型材或锻造成结构复杂的锻件，其淬火温度范围宽，淬火敏感性低，焊接性能和抗腐蚀性优良，无应力腐蚀开裂倾向，是热处理可强化合金中唯一没有应力腐蚀开裂现象的合金。由于铝没有同素异构转变，故铝合金的热处理强化方法与钢不同，铝合金的热处理一般多采用固溶+时效处理，通过固溶处理，使合金元素和第二相固溶于基体，并在随后的时效处理中均匀析出细小的强化相，达到强化的效果。目前应用中6061铝合金多采用人工时效热处理 KIM H H, CHO S H, KANG CG. Evaluation of microstructure and mechanical properties by using nano/ micro-indentation and nanoscrath during aging treatment of reho-forged Al6061 alloyJ. Materials Science and Engineering A , 2008, 485: 272-281.，此工艺可获得较高的强度，但塑性不佳，在碰撞过程中变形不够充分，碰撞能量吸收有限。因此必须对其热处理工艺进行改进以提高塑性。随着我国建筑行业的飞速发展，对铝合金型材的需求越来越大。但目前在我国铝合金型材的质量不是很高，比如说合金力学性能难以达到高的承受力要求。因此在成分控制和工艺方面有待进一步提高，因此，本实验便是通过对不同热处理加工后的6061铝合金金相组织、物相、显微硬度、冲击韧性等性能的观察与测试，进一步探究热处理对6061铝合金组织与性能的影响。2 国内外研究现状在全世界要求节能环保的呼声日益高涨的形势下，汽车工业正在向轻量化、低能耗方向发展。环保是当今汽车材料技术发展的又一重大方向。一是强调材料本身的环保性，二是材料的可回收性。零部件的轻量化与高强度对汽车节能降耗、提高安全系数具有显著作用。板材是目前研究和应用的热点之一，铝合金因为具有良好的成型性能和较好的强度、耐腐蚀且成本低等优点，被选作为汽车轻量化的首选材料。其主要研究重点集中在Al-Cu-Mg(2000系)、Al-Mg(5000系)和Al-Mg_Si(6000系)三大系列。然而6000系铝合金的开发是目前的发展趋势,它是一种适合于汽车应用的轻量化材料，可用于汽车车身、车轮、油箱、铝罐、机器盖板、电机壳等结构。从70年代开始，在轿车的应用比重不断上升，作为一种轻质材料，铝合金正日益受到汽车制造企业的青睐。尤其是经热处理的6000系列铝合金板材，能够很好地满足汽车对壳体的要求，已被越来越多地应用到汽车底盘、发动机及车身中。因此，提高汽车的铝用量，实现轻量化，已成为当今汽车制造业技术进步的一个重要环节。预计在未来，国内外汽车工业对汽车铝材的需求量会大大增加。2000系合金是可热处理强化的合金，以Cu和Mg为主加元素，其强化相为CuAl2或CuMgAl2.该系铝合金表现出良好的锻造性，而且具有较高的强度和一定得烤漆硬化性，但其抗腐蚀性比其他工业铝合金差。而5000系的合金属于非热处理强化合金，只能通过加工硬化获得强度，一般以退火状态使用，退火态的强度主要由Mg原子的固溶强化和晶粒尺寸强度所决定，一般强度较低。6000系合金是可热处理强化的合金，该系合金强度适中，成形性和耐蚀性好，综合性能优良。其最大的特点便是能在固溶处理淬火后具有较低屈服强度的状态下供货，具有良好的冲压成形能力，并能在最后的烤漆处理过程中获得进一步强化。对于6000系合金，通过固溶处理来获得时效硬化效应，同时控制再结晶组织特别是晶粒形态和织构来实现板材性能的各项同性。再结晶形成的最终组织取决于再结晶之前板材组织中第二相粒子的大小、分布以及亚结构。控制热处理加工工序过程，合金相的析出可显著地影响合金的再结晶行为和结晶织构。铝合金在均匀化处理期间发生几个过程，例如金属板间的相互转化如Al5FeSi金属间化合物转变成更离散的c-Al12(FeMn)3Si粒子和-Mg2Si相粒子的溶解。-Al5FeSi转变成c-Al12(FeMn)3Si金属间化合物极为重要，因为它提高了材料的延展性。-（Mg2Si）相的溶解也很重要，因为这将给予挤压产品最大的时效硬化潜力 宋微, 张燕飞, 刘金城. 热处理工艺对6082铝合金挤压棒材组织和性能的影响J. 铝合金, 2010, 196(5): 42-46., 刘宏, 赵刚, 刘春明, 左良. 自然时效及预时效6000系合金人工时效析出行为J. 材料热处理学报, 2008, 29(4) : 75-78.。发生在一个或多个序列的亚稳态平衡的前体沉淀-（Mg2Si）相是相当复杂的。在文献 张鸿俭, 王玉林. 6063合金的停放效应研究J. 金属科学与工艺, 1989, 8(3/4): 37-41. , 冯银成, 李落星, 刘杰, 刘波, 刘扬胜. 自然时效对6061铝合金显微组织和力学性能的影响J. 机械工程材料, 2011, 35(3): 18-21. 中认为：6xxx系合金的析出顺序为：SSSS 原子团簇 GP 区 ” （稳定）其中SSSS是超饱和固溶体。一些研究者 MAHADEVAN K, RAGHUKANDAN K, SENTHIIVELANT, et al. Studies on the effect of delayed aging on the mechanical behaviour of 6061 SiCp compositeJ. Materials Science and Engineering A, 2005, 396: 188-193.认为GP区作为GP1区，”作为GP2区。对于该类型材料，最有效的硬化相为”。 文献 孙瑜, 热处理对6082、6063合金组织和性能的影响D. 中南大学硕士学位论文， 2012年.中介绍，6082、6063铝合金经均匀化退火和固溶时效处理后，其组织与性能都有所变化。6063铸态合金进行均匀化处理,随着温度的升高和保温时间的延长,非平衡共晶组织逐渐消失,合金枝晶偏析逐渐消除；在495保温6h,过饱和基体析出Mg2Si相,温度升高到555,Mg2Si相完全回溶,针状-Al9Fe2Si2完全转变为颗粒状-Al12Fe3Si,同时基体中析出亚微米级AlFeSi和AlFeCrSi相；6063合金固溶淬火后经170/2h+200/1.5h双级时效处理较经180/6h单级时效处理,合金硬度、抗拉强度、屈服强度等综合力学性能更好。文献 Jan Sieniawski, Influence of heat on the mircrostructure and mechanical properties of 6005 and 6082 aluminium alloysJ, Journal of Materials processing Technology, 162-163(2005): 367-372.认为研究合金的典型铸态结构组成的混合物- AlFeSi相和-AlFeMnSi分布在单元边界上的金属间相，有时连接着粗大的Mg2Si。据研究人员对相关实验结果进行分析对比，合金元素对不同处理态人工时效硬化作用，一是通过增加含Mn量及添加微量元素Cr和Ti产生弥散强化和细晶强化增大合金的初始硬度；二是通过提高Mg2Si在基体重过饱和度以增加合金时效初期强化相的析出数量而促进烤漆强化。而且，通过热力学计算证明了T4P（2.5-10min）状态下进行烤漆比T4态及固溶淬火态更易于获得更高强度。70年代，美国研制了6009和6010汽车车身板铝合金，通过T4处理，塑性好，成型后经喷漆烘烤可实现人工时效强化，获得更高的强度，用于汽车的内外层壁板，目前在轿车上已广泛使用。1991年欧美轿车上铝合金使用量为160镑，2001年铝合金使用量达到245镑。美国Alcoa公司曾制备出6013铝合金，该铝合金虽具有较高的强度和良好的耐蚀性。但由于6013合金的加工性不是很好，所以一直限制其使用。英、美、日本等国家的材料工作者开展旨在改善铝合金综合性能的固溶时效再时效处理技术（RRA）研究，将原来6000铝合金T6处理改为RRA（回归再时效处理，Retrogression and Re-ageing）处理，使在晶界分布的连续链状的析出相改变为不连续的非共格析出相。近些年来，关于铝合金车身板的研究国内也相继开展过一些工作。像中南工业大学的李普超和汪明朴 李普超, 汪明朴. Al-Mg-Si合金的时效研究J. 中南工业大学学报, 1998, (03).等人在6010合金中加入0.2%富Ce混合稀土，研究了该合金的时效特性，发现添加稀土的6010铝合金车身板材成形性和力学性能优于6010板材；此外，我国的铝加工厂生产车身板的经验少，某工厂曾经用5000系板材试产过轿车车门内板，但其强度和抗凹陷性不能满足外车身板的要求。我国研究人员在对6082铝合金热处理制度的研究中发现，6082铝合金在生产过程中停放效应是影响其产品性能的重 邹永恒, 陶虹, 徐国明等. 6082铝合金热处理工艺参数的研究J. 金属热处理, 2007, 32(10): 1.要因素之一，这给实际生产带来了不便。对6XXX系合金的研究应用，我国与欧美国家存在相当大的差距，同时这也说明我国在这方面有很大的发展潜力。近几十年来，世界铝合金工业有了很大的发展。我国的铝挤压生产业也有了长足的进步，但与世界先进技术水平仍存在一定得差距。铝合金挤压产品特别是大、中型工业用结构铝合金型材应用范围十分广泛，市场容量及市场潜力巨大，前景很好。而6061铝合金作为一种较新型的材料，在芯体强度、焊后加工性、抗腐蚀性等方面具有很大的优势，必然有很大的应用空间。目前的发展时机已经很成熟，应该加快研究步伐，开发出具有自主知识产权的6000系列的铝合金汽车板材。6000系铝合金在生产中已经被广泛应用，但仍有一些问题有待进一步改进，目前，该系铝合金的研究方向主要有以下几个方面 丁向群, 何国求, 陈成湗等. 6000系汽车车用铝合金的研究应用进展J. 材料科学与学报, 2005, (4): 302-305.：（1） 降低生产成本，提高生产效率，继续努力开发具有优良的耐腐蚀性和成形性以及时效硬化性的6000系铝合金材料。（2） 开发具有优良的挤压性和焊接性的6000系合金材料，无论在国内外，6000系铝合金的焊接性和抗挤压性都是制约其使用的关键问题。（3） 开发具有高疲劳强度的6000系合金。目前，6000系合金的疲劳强度不是很好，所以其疲劳等力学性能应当引起人们的更多关注。（4） 通过优化6000系合金的化学成分和各种加工工艺，制造出具有较好冲击性能的板材。（5） 改进熔铸工艺，提高铸锭质量，实行技术革新。（6） 改进热处理工艺，提高6000系合金使用性能。3 研究内容3.1 主要研究内容6000系合金作为工业生产重要的挤压铝合金，其挤压后的热处理工艺已成为领域研究重点。本课题首先对6061铝合金物理性能、化学成分、机械性能进行充分的了解,用所学知识和查阅相关资料文献，拟定6061铝合金的热处理工艺，对6061铝合金进行热处理，再通过金相试验、硬度试验、X射线衍射试验和冲击试验对热处理加工后的合金显微组织与性能进行测试与分析，通过实验分析得出6061铝合金在不同热处理工艺中的组织及性能变化规律。3.2 Al-Mg-Si三元系平衡状态图Al-Mg-Si三元系富铝角状态图见图3.1 王祝堂, 田荣璋. 铝合金及其加工手册M. 长沙: 中南工业大学出版社, 2000.。图3.1 Al-Mg-Si三元系富铝角状态图在Al-Mg-Si三元系中，Mg2Si为稳定化合物，与铝构成二元系，使Al-Mg-Si系分成(Al)+Mg2Si+Si及(Al)+Mg2Si+Mg5Al8两个三元共晶系。三元共晶温度分别是558和448。由Al-Mg-Si系合金相图可以看出，Al-Mg-Si系合金主要是由二元化合物和Mg2Si相。且Mg2Si相是Al-Mg-Si系合金的主要强化相。3.3 6000系铝合金的热处理工艺3.3.1 固溶处理固溶处理：指将合金加热到高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。主要是改善合金的塑性和韧性，为沉淀硬化处理作好准备。使合金中各种相充分溶解，强化固溶体，并提高韧性及抗蚀性能，消除应力与软化，以便继续加工或成型。3.3.2 时效处理时效处理是指合金工件经固溶处理，从高温淬火或经过一定程度的冷加工变形后，在较高的温度放置或室温保持其性能，形状，尺寸随时间而变化的热处理工艺。时效强化的实质是从过饱和固溶体中析出许多非常细小的沉淀物颗粒，形成一些体积很小的溶质原子富集区。4 研究方案 4.1 试验材料 本试验所采用的材料为6061铝合金，其各元素质量分数如表4.1所示。表4.1 6061铝合金化学成分（%）CuMgMnZnCrTiSiFeAl0.150.40.81.20.150.250.040.350.150.40.80.7Bal4.2 试验方法采用线切割将6061铝合金材料切割成7块60mmx20mmx6xx的小试样，分别编号为1、2、3、4、5、6、7。4.2.1 热处理试验将切割好的7块试样按表4.2所指定的工艺方案进行热处理加工。热处理试验步骤如下：1、 对试样进行热处理加工前，先用粗砂纸将试样表面的油污、毛刺等去除干净。2、 将试样放在炉膛中央，关好炉门。3、 合上电源，使用小电流加热，然后再逐渐增大电流至合适的加热速度为止。4、 到预定温度后开始计时，按制定的热处理工艺进行加工5、保温结束后，用火钳取出试样，待其自然冷却。试样出炉冷却后，用砂纸将样品表面的氧化皮及其他杂质去掉，为后续试验的测试做好准备。表4.2 热处理工艺参数试样编号热处理工艺加热温度/保温时间/h冷却介质加热温度/保温时间/h125354水35054水180345654水180355354水180365354水160375354水20034.2.2 金相组织观察采用线切割分别从7块不同热处理工艺加工后的试样上截取20mmx10mmx6mm小试样，编号为：I-1，I-2，I-3，I-4，I-5，I-6，I-7。采用水砂纸对试样进行打磨，精磨后，用水冲洗干净，对试样进行电解抛光和阳极覆膜，腹膜后用清水冲洗干净，再用无水乙醇擦拭表面。在光学显微镜XJG-05下采用偏光镜进行观察。主要观察不同热处理条件下合金中的晶粒变化情况。4.2.3 X射线衍射分析 采用线切割分别从2号、3号、5号热处理工艺加工后的试样上截取10mmx10mmx5mm小试样，编号为：II-2，II-3，II-5。用水砂纸将试样表面磨平整光滑。然后进行X射