热处理对铝合金轧制板材力学性能毕业论文.doc

热处理对铝合金轧制板材力学性能及显微组织的影响毕业论文目 录 一般部分1 铝及铝合金的主要特点12 铝及铝合金的分类22.1 铸造铝合金22.2 变形铝合金研究现状33 铝合金强化方法分类及强化机理43.1 加工硬化43.2 固溶强化53.3 第二相强化53.4 晶界强化54 铝合金热处理及工艺54.1 退火处理64.2 固溶处理64.3 时效处理75 6000系铝合金优点及发展75.1 6000系铝合金优点75.2 6000系铝合金板材的研究现状76 研究内容及意义9 专题部分引言111 分析测试方法112 本论文的实验设计方案113 成形性的研究123.1实验数据123.2试验结果分析123.2.1拉伸数据的分析123.2.2屈强比的对比133.2.3加工硬化指数的对比144 力学性能与组织的研究154.1研究方案154.2实验结果与分析154.2.1强度对比及分析154.2.2延伸率对比及分析164.2.3硬度对比及分析174.2.4拉伸曲线对比及分析184.2.5金相照片分析204.2.6电镜及断口扫描分析225结论25参考文献27 翻译部分英文原文29中文译文40致 谢49 中国矿业大学2011届本科生毕业设计（论文） 第51页一般部分1 铝及铝合金的主要特点铝及铝合金是重要的有色金属材料，产量占所有有色金属产量的近一半，在金属材料中仅次于铁。且资源丰富，性能优良。(1)密度小，比强度高。纯铝密度约为2.699g/cm3 ,铝合金密度在2.63-2.85 g/cm3，约为钢铁的1/3,如Al-4Li为2.4g/cm3,Al-12Fe为g/cm3，比Cu, Fe及其合金轻得多。y的比强度达到17.4，常用合金结构钢40Cr的为12.8。汽车轻量化在实际应用中有着巨大的意义1，美国轿车每使用0.45g铝合金零件、车重可减少1.021kg。美国汽车工业的用铝量已占其全部用铝量的8%以上。(2)导电，导热性好。仅次于Ag、Au、Cu,远优于Fe、Ti等，在工业金属中，仅次于Cu，可部分替代Cu，作电线、电缆或用于其他电器元件。 (3)工艺性能好。铸造性能好：多数铝合金为共晶系，如铸件（活塞、气缸等）。加工性能好：强度低，塑性好，能通过塑性加工制成各种形状的产品。(4)耐腐蚀性好。表面可生成致密的氧化膜，可起保护作用。但卤族离子和碱离子会破坏氧化膜。液态天然气输送管道、输油管道、冷冻装置。(5)热膨胀系数大。为不锈钢、铜、黄铜约1.5倍，与其它金属联接、铆接、复合时，热膨胀系数差值较大，产生大的内应力，以变形。但Al-Si系合金与显微强化的铝材的膨胀系数较低。(6)低温性能好。铝及铝合金无低温脆性，强度与塑性随温度的下降而升高，即使在超低温范围内也不出现类似普通钢的低温脆性。适合于天然液化气装置、液氧储存容器。且高纯铝在极低温度下导电率比铜高，可作超导体的稳定材料。(7)无磁性、冲击电火花。几乎不受电磁场的影响，且无磁性，用于罗盘、抛物面天线、电子计算机存储磁盘等。电气屏蔽、易燃易爆物生产器材或容器。(8)核性能。热中子吸收面积小，在放射线作用下，性能变化不敏感。用于反应堆的工艺管、元件包壳材料、以及浓缩铀的离心分离筒、机械手、加速器、热核反应超真空装置等。(9)力学性能。常规力学性能随合金种类与状态不同，变化范围宽，抗拉强度为50-800MPa，屈服强度为10-700 MPa延伸率为2-50%。主要结构材料的刚性大至与其密度成正比，与合金成分和状态没多大关系。弹性模量变化不大，大致为7-8GPa。疲劳强度较低，但低温下，相对于其它金属，其疲劳强度较高。(10)表面性能。铝及铝合金有良好的表面处理性能。如6063，6064锻铝通过阳极氧化处理可在表面形成一层透明的氧化膜，并可着上各种颜色。可作装饰用材（门、窗等）。特殊处理后可选择性的吸收太阳光，提高吸收太阳能的效率，作太阳能装置。还可由硬质氧化处理提高耐腐性。阳极氧化还可以赋予合金电绝缘性，亲水性、润滑性等。(11)反射能力强。白光、红光、紫外线、电磁波、热辐射。导弹干扰铝箔。2 铝及铝合金的分类铝合金按加工方法可以分为形变铝合金和铸造铝合金。形变铝合金又分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金。不可热处理强化型不能通过热处理来提高机械性能，只能通过冷加工变形来实现强化，它主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等。可热处理强化型铝合金可以通过淬火和时效等热处理手段来提高机械性能，它可分为硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等，见图2-1。高纯铝 （Al99.93%）工业纯铝（Al98.8%）纯 铝防锈铝 Al-Mn，Al-Mg 系硬 铝 Al-Cu-(Mg) 系锻 铝 Al-Mg-Si-(Cu) 系 Al-Cu-Mg-Fe-(Ni) 系超硬铝 Al-Zn-Mg-(Cu) 系变形铝及铝合金铝合金铝及铝合金Al-Si系Al-Cu系Al-Mg系Al-Zn系铸造铝合金1.图2-1铝合金分类一些铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能，物理性能和抗腐蚀性能。铸造铝合金按化学成分可分为铝硅合金，铝铜合金，铝镁合金，铝锌合金和铝稀土合金，其中铝硅合金又有简单铝硅合金（不能热处理强化，力学性能较低，铸造性能好），特殊铝硅合金（可热处理强化，力学性能较高，铸造性能良好）。2.1 铸造铝合金铸造铝合金的优点是比重小，比强度较高，并有良好的抗蚀性和铸造工艺性，可进行各种成型铸造，而且由于铝合金的熔点较低，熔炼工艺和设备都比较简单，因此铝合金铸件在航空、一般机械制造及仪表等工业部门都得到了相当广泛的应用。铸造铝合金按其主要成分可以分为五类：（1）Al-Si系及Al-Si-Mg系合金，即著名的硅铝明。这类合金具有优良的铸造工艺性和气密性，中等强度，适合在常温下使用，可生产形状复杂的铸件，应用很普遍。(2)Al-Cu系合金。特点是有较高的热强性，适合在较高温度工作，但这类合金的铸造工艺性和抗蚀性较低。(3)Al-Mg系合金。属于高强和高抗蚀性合金，并有良好的切削加工和光制性能，在造船工业和食品、化工部门应用较多。缺点是耐热性和铸造工艺性较差。(4)Al-RE(稀土)系合金。这类合金具有良好的耐热性和铸造工艺性，最高使用温度可达300，缺点是室温强度低，合金成分复杂，生产管理不方便。(5)Al-Zn系合金。这类合金的特点是具有自淬火效应，铸造成型后即可直接进行人工时效，因而省去了淬火工序，铸件的内应力大为减小。适于制造要求尺寸稳定性高的铸件。其缺点是比重交大，耐热性也很低。2.2 变形铝合金研究现状变形铝合金的应用极其广泛，经不同的变形加工方式可生产成各种半成品提供。国内外在变形铝合金方面的研究也日渐成熟。王奎民的研究结果表明2，在含铜为4.5%左右的Al-Cu-Mg系合金中等量地添加Fe和Ni元素可以生成在基体内不易溶解和扩散的异相不均匀的Al9FeNi相，可以使合金的高温性能提高20-40MPa或10-15%。冷变形引起的强化效应在再结晶温度以下仍能保持它的作用，因此在上述合金中添加Mn以提高再结晶温度，并采用形变热处理使变形强化效果在高温下部分保留下来，可以使该合金在200的高温强度提高30-40MPa。中国民航总局3从铝合金硬度和导电率的测试及统计分析入手，测定2024铝合金在不同时效温度下，导电率和硬度基本达到稳定状态的时间，从而确定了一种新的时效制度来代替自然时效处理。新时效制度的常规机械性能、抗疲劳和断裂性能以及耐腐蚀性能等均达到了自然时效的相应性能要求。并将原来的96小时时效处理减为12小时，提高了效率。S.SINGH等4对铝合金采用形变热处理，电镜观察发现热机械时效处理明显影响合金的时效特性，时效相的纵向长度为0.04mm，细小的时效析出相和高密度的位错形成稠密的缠结网，位错与析出相的缠结组织使2024合金具有较高的高温强度，使合金的耐热性明显提高。张新明等5对2024合金采用多向大变形(=12)、长时间固溶(500/400min)和时效(165/10h)处理后，使合金的晶粒可达3-6微米，晶粒内部均匀分布着大量的尺寸为0.05-0.15 微米的时效析出相，与用传统的热加工工艺处理的2024合金相比，合金的晶粒大小和时效析出相的尺寸减小50%，可使锻件屈服强度提高1.5倍，延伸率提高2倍，且锻件的各向异性非常小。己有研究表明6，形变热处理可显著提高2024合金的抗拉强度和屈服强度，但合金峰值时效时的延伸率和韧性则明显降低,形变热处理的2024合金在过时效状态下，与T6态的合金相比，它们的延伸率相同，但形变热处理后的合金具有更高的强度。高能球磨是60年代末由等Benjamin等7发展起来的一种制备合金粉末新技术。近年来，对该技术的研究已拓宽到研制纳米晶体材料、非晶材料、过饱和固溶合金和金属间化合物8-10，在高能球磨过程中，混合元素粉末比例不受合金固溶度限制，一些过渡族金属元素(如Fe、Ni、Ti、Zr、Cr、V、Mo等)和稀土元素(如La、Ce )以高温稳定高弹性模量弥散的金属间化合物存在，从而强化了基体和晶界。在随后的烧结或退火处理中，可析出大量细小的弥散的金属间化合物，这些弥散析出相在高温下非常稳定，使合金具有较高的耐热性能，目前己用该工艺生产了Al-Fe, Al-Ti等系列的新型耐热铝合金11。Cui Chengsong等12采用喷射沉积方法制备了2024-20Si-5Fe合金，其显微组织为铝基体中含有细小的硅相、弥散的针状金属间化合物，挤压后可使硅相进一步细化，并将针状金属间化合物形成均匀细小的颗粒相:T6处理后产生了时效强化，但弥散相未发生粗化,铁元素不仅可形成金属间化合物，而且可以阻止位错运动和晶界的迁移，该合金具有较高的室温和高温强度。罗守靖等13采用接触反应法制备了TiCp/2024Al复合材料，并通过半固态挤压得到组织致密的复合材料棒材;其组织特征是在致密的基体上均匀地分布着TiC粒子，挤压过程中TiC粒子沿挤压方向上重新排列，但没有发现粒子的断裂，TiC颗粒增强的2024复合材料比基体合金具有高得多的强度，而其延伸率仍能满足实际使用要求。Kojima等14研究了锂元素对2219铝合金的高温力学性能的影响，结果表明1 wt%的锂可使合金的比重减少3%，同时增加杨氏模量5.4%。合金在室温和250以下的屈服强度随着锂含量的增加而提高，但在300时没有强化效果，在200时的蠕变抗力也随着锂含量的增加而增加。Vyletel等14对颗粒增强的2219复合材料在150下的疲劳行为进行了研究，发现2219基体合金的循环软化程度明显低于复合材料，两种材料的循环软化主要是由于时效析出相()的分解引起的。由于TiC颗粒对塑性变形的约束，颗粒附近的基体的局部塑性变形增加，从而导致复合材料中的析出相的分解显著加快。综上所述，对变形铝合金的研究主要在以下几个方面:(1)采用优化的热加工和热处理工艺，在合金组织中获得尽可能多的细小第二相，以提高合金的室温和高温强度;(2)制备颗粒或晶须增强的变形铝合金复合材料，力求在铝合金中获得热稳定性好的强化相，同时研究复合材料的显微组织、时效特性及力学性能;(3)研究合金添加微量元素对变形铝合金的再结晶温度、组织与力学性能的影响。3 铝合金强化方法分类及强化机理铝合金强化方法有：加工硬化、固溶强化、第二相强化、晶界强化。3.1 加工硬化通过塑性变形(轧制、挤压、锻造、拉伸等)使合金获得高强度的方法叫加工硬化。塑性变形时增加位错密度是合金加工硬化的本质。据统计, 金属强烈变形后, 位错密度可由106根/cm2增至1012根/cm2以上。为合金中位错密度越大, 继续变形时位错在滑移过程中相互交割的机会越多, 相互间的阻力也越大, 因而变形抗力也越大, 合金即被强化。金属变形时产生的位错不均匀分布, 先是较纷乱地成群纠缠, 形成位错缠结, 随变形量增大和变形温度升高, 由散乱分布位错缠结转变为胞状亚结构组织, 这时变形晶粒由许多称为“ 胞” 的小单元组成；高密度位错缠结集中在胞周围形成包壁, 胞内则位错密度甚低。变形越大亚结构组织越细小, 抵抗继续变形的能力越大, 加工硬化效果越明显15。由于产生亚结构, 故也可称为亚结构强化。合金变形条件不同, 位错分布亦有所不同。当变形温度较低(如冷轧)时, 位错活动性较差, 变形后位错大多呈紊乱无规则分布, 形成位错缠结, 这时合金强化效果好, 但塑性也强烈降低。当变形温度较高时, 位错活动性较大, 并进行交滑移, 位错可局部集聚、纠结、形成位错发团, 出现亚结构及其强化, 届时强化效果不及冷变形, 但塑性损失较少。加工硬化或亚结构强化在常温时是十分有效的强化方法, 但在高温时通常因回复和再结晶而对强度的贡献显著变小。3.2 固溶强化溶质原子溶人基体金属中总是提高其变形抗力, 这种作用称固溶强化。所有可溶性合金化组元甚至杂质都能产生固溶强化。然而,单是这一种方法不能获得特别高的强度, 不过其带来的塑性损失要比其他方法小。固溶强化来源于溶质原子对位错的钉扎作用和增加位错运动的摩擦阻力, 这种作用包括位错与溶质原子间的长程交互作用和短程交互作用。固溶强化作用大小取决于溶质原子浓度、原子相对尺寸、固溶体类型和电子因素。溶质原子与铝原子的价电子数相差越大, 固溶强化作用亦越大。3.3 第二相强化几乎所有的纯铝和铝合金, 除(Al) 固溶体外均存在第二相, 产生第二相强化。铝合金的第二相分为三类: 结晶时生成的尺寸为0.1-30m 的结晶相为第一类质点；在结晶终了温度和时效温度以上的温度内产0.01-0.5m非共格弥散质点为第二类质点; 时效温度产生的0.001-0.1m共格时效相为第三类质点16。其中, 二类质点产生弥散强化, 三类质点产生沉淀强化, 一类质点中的难溶相产生的强化就称为异相强化。与其他强化方法不同, 异相强化的理论较复杂,机理亦不清晰。异相强化的第二相质点硬脆、较粗大, 故合金塑性损失大, 常温下不宜大量采用异相强化, 但高温下的使用效果十分满意。3.4 晶界强化铝合金晶粒细化, 品界增多, 由于晶界运动的阻力大于品内且相邻晶粒不同取向使晶粒内滑移相互干涉而受阻, 变形抗力增加, 即合金强化。品界自身强度取决于合金元素在晶界处的存在形式和分布形态，化合物的优于单质原子吸附的，化合物为不连续、细小弥散点状时晶界强化效果最好。晶界强化对合金的塑性损失较少，常温下强化效果好，但高温下不宜采用晶界强化，因为高温下晶界滑移为重要形变方式，使合金趋向沿晶界断裂。4 铝合金热处理及工艺铸造铝合金在铸态下的机械性能往往不能满足使用要求，通过热处理的办法可进一步提高铸件的机械性能和使用性能。热处理的目的大致有以下几个方面：（1）充分提高铸件的机械性能，保证一定的塑性，提高合金抗拉强度和硬度，改善合金的切削加工性能等；（2）消除由于铸件壁厚不均匀、快速冷却等所造成的内应力；（3）稳定铸件的尺寸和组织，防止和消除因高温引起相变产生体积胀大现象；（4）消除偏析和针状组织，改善合金的组织和机械性能。为了进一步提高铝合金的强度，通常在零件成形后进行热处理。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。正是由于铝合金的这种热处理强化机理，并非所有的铝合金都可以进行热处理强化。当合金元素含量过低，在固溶处理时没有合金元素和第二相溶入基体，在随后的时效处理中就无强化相析出，譬如防锈铝。4.1 退火处理退火：产品加热到一定温度并保温到一定时间后以一定的冷却速度冷却到室温。通过原子扩散、迁移，使之组织更加均匀、稳定，内应力消除，可大大提高材料的塑性，但强度会降低。 （1）铸锭均匀化退火：在高温下长期保温，然后以一定速度（高、中、低、慢）冷却，使铸锭化学成分、组织与性能均匀化，可提高材料塑性20%左右，降低挤压力20%左右，提高挤压速度15%左右，同时使材料表面处理质量提高。 （2）中间退火：又称局部退火或工序间退火，是为了提高材料的塑性，消除材料内部加工应力，在较低的温度下保温较短的时间，以利于续继加工或获得某种性能的组合。 （3）完全退火：又称成品退火，是在较高温度下，保温一定时间，以获得完全再结晶状态下的软化组织，具有最好的塑性和较低的强度。4.2 固溶处理固溶淬火处理：将可热处理强化的铝合金材料加热到较高的温度并保持一定的时间，使材料中的第二相或其它可溶成分充分溶解到铝基体中，形成过饱和固溶体，然后以快冷的方法将这种过饱和固溶体保持到室温，它是一种不稳定的状态，因处于高能位状态，溶质原子随时有析出的可能。但此时材料塑性较高，可进行冷加工或矫直工序。 （1）在线淬火：对于一些淬火敏感性不高的合金材料，可利用挤压时高温进行固溶，然后用空冷（T5）或用水雾冷却（T6）进行淬火以获得一定的组织和性能。（2）离线淬火：对于一些淬火敏感性高的合金材料必须在专门的热处理炉中重新加热到较高的温度并保温一定时间，然后以不大于15秒的转移时间淬入水中或油中，以获得一定的组织和性能，根据设备不同可分为盐浴淬火、空气淬火、立式淬火、卧式淬火。4.3 时效处理时效：经固溶淬火后的材料，在室温或较高温度下保持一段时间，不稳定的过饱和固溶体会进行分解，第二相粒子会从过饱和固溶体中析出（或沉淀），分布在（AL）铝晶粒周边，从而产生强化作用称之为析出（沉淀）强化。自然时效：有的合金（如2024等）可在室温下产生析出强化作用，叫做自然时效。人工时效：有些合金（如7075等）在室温下析出了强化不明显，而在较高温度下的析出强化效果明显，称为人工时效。人工时效可分为欠时效和过时效。 （1）欠时效：为了获得某种性能，控制较低的时效温度和保持较短的时效时间。 （2）过时效：为了获得某些特殊性能和较好的综合性能，在较高的温度下或保温较长的时间状态下进行的时效。 （3）多级时效：为了获得某些特殊性能和良好的综合性能，将时效过程分为几个阶段进行。可分为二阶段、三阶段时效。 5 6000系铝合金优点及发展5.1 6000系铝合金优点6000系的均匀延伸率s最大，说明6000系板材的极限变形程度最大。5000系的硬化指数n值最大，说明5000系板材的冲压性能最好。板厚方向系数x则是钢的最大。另外，杯突值m和1800弯曲半径(0 t)都是钢的最大。数据表明，铝合金的冲压成形性能与钢相比，已基本上接近钢的性能，甚至某些方面已超过钢材，因此可以代替钢材作为汽车车身板。而对于铝合金来说，2000系抗蚀性，5000系的吕德斯线和桔皮效应都不尽如人意，所以6000系铝合金受到了关注。6000系铝合金强度高，塑性好，具有优良的耐蚀性，综合性能好。6000系-T4材的屈服强度和抗拉强度接近冷轧钢板的值，n值大于或等于冷轧钢板的n值。6000系合金是热处理可强化合金，其强化相主要为Mg2Si。6000系合金的晶粒尺寸对屈服强度的影响不大。6000系合金板材冲压成形后于175油漆烘烤，强度提高约150Mpa。6000系合金中，6009和6016具有非常相似的机械机械性能，T4态的屈服强度低，因此具有优良的成形性能，但是油漆烘烤的强度较低，约为180MPa。6010油漆烘烤后的强度较高，但是屈服强度也比较高，这使成形性降低。6111的T4态的屈服强度约为150-180MPa，油漆烘烤后屈服强度超过200MPa，显然6111最初的成形性能和最终性能很好地结合。欧洲把具有优良成形性能的6016合金作为主要的汽车车身板材，而美国则由于6111合金最终产品具有高的强度而把它作为主要的车身板材。5.2 6000系铝合金板材的研究现状 科研工作者对Al-Mg-Si基铝合金做了大量的研究，研究工作主要集中在以下几个方面：（1）对Mg2Si相析出过程及动力学的研究 Mg2Si相是6000系合金中的主强化相，它的大小和形状对性能的影响极大。其一般过程为：过饱和固溶体-原子丛聚区-GP区(球状)- 相(针状)- 相(棒状)- 相。其中强化效果最好的为相，其次为相。Parsley等人首先提出了溶质原子丛聚区，并用来解释双级时效行为，接着Dutra和Allen利用DSC证实时效过程中形成了溶质原子丛聚区。最近Edwards等人找到了在70时效的过程中，Si原子丛聚区、Mg原子丛聚区、Mg原子和Si原子丛聚区出现的直接证据。6000系合金中抗拉强度对相与相的比率非常敏感口。许多科研人员对6000系合金时效过程中析出的过渡相的结构和化学成分做了大量的研究，对G.P区的结构和化学成分尚无统一的认识。（2）合金元素对6000系合金组织和性能的影响Si和Mg是6000系合金中最重要的合金元素，它们形成了强化相Mg2Si，其平衡重量比为Mg: Si=1.73。为保持最大的时效强化能力，合金中Mg、Si元素含量应符合此关系。据研究，每增加0.1%Mg2Si,可使强度峰值增加5MPa,同时延伸率有少量增加。每增加0.1%初生硅，强度峰值增加10-15MPa，延伸率下降0.25%。另外，Si能提高铸造和焊接流动性、耐磨性；Mg提高合金的抗蚀性和可焊性，但Mg含量过高则会降低Mg2Si在固溶体中的溶解度。Cu在Al-Mg-Si合金中的作用在近几年也成为研究的热点，研究表明，Al-Mg-Si合金中加入铜，相形核更为容易，相密度增加，使合金时效强化能力提高，同时CuAl2和CuMgAl2也参与时效硬化作用，使合金的强度更高，但是当Cu含量过高时，则会降低合金的抗蚀性。Mn和Cr的加入则会在Al-Mg-Si合金中产生弥散相，抑制合金再结晶和产生弥散强化，使合金的强度提高，性能得到改善，微量的Cr能提高合金抵抗晶间腐蚀的能力。虽然国外对Si、Mg、Cu对合金的强度影响做了大量的研究，但是综合分析Si、Mg、Cu对合金强度影响程度的大小则未见报道。Zr在7000系合金中能抑制再结晶，提高合金的强塑性，改善合金的横向断裂性能，但是未见有关Zr在Al-Mg-Si基汽车车身板材中作用的报道。（3）热处理工艺的影响Al-Mg-Si变形铝合金是热处理可强化合金，合金成型后的热处理制度对产品最终使用性能有着重要的影响，见图5-1。图5-1 热处理制度对力学性能的影响1.固溶淬火态 2.自然时效态 3.自然时效+180/30min 4. 150/5min 5. 150/5min+自然时效 6. 150/5min+自然时效+180/30min其中最主要的热处理制度就是固溶时效处理。时效处理是热处理的关键。由于板材在冲压前不可避免地要存放一段时间，研究自然时效对合金性能的影响就十分必要了。自然时效使人工时效后合金的强度、硬度下降。而预时效则能减轻自然时效的有害作用。固溶后进行预拉伸可充分发挥6000系车身板的油漆烘烤效应，使其在短时间烘烤达到峰值时效状态。预拉伸一方面产生形变强化，另一方面增加相的密度，产生沉淀强化，预拉伸缩短了达到峰值硬度的时间，硬度值也有所提高。研究表明，6000系铝合金经5%预拉伸 + 自然时效 + 人工时效可获得良好的综合性能。（4）织构对6000系合金成形性能的影响钢板的成形性能总的来说优于铝合金的成形性能，这己被成形极限图和其他成形性能实验所证实。这主要是因为A1(fcc)和钢(bcc)的织构不同。因此可以通过采用合理的方法控制织构来提高铝合金的成形性能。织构影响再结晶板材的塑性各向异性。织构通过影响成形极限图来控制成形行为，但是这些关系并没有完全被弄清楚。一些文章中反复提到，再结晶织构中的Goose取向011导致差的成形性能。但是，人们对再结晶A1板中的典型立方取向织构011怎样影响成形性能并无统一意见。铝合金板材的成形性能主要由T4态板材中的再结晶织构所控制。一般来说，为了提高板材的成形性能，应该避免出现太强烈的再结晶织构。科研人员主要通过调整合金成分、加工工艺，热处理工艺来控制板材的再结晶织构。一些元素例如Fe和Mn能形成粗大的相，这些粗大相能提供非均匀形核位置而诱发成核，弱化再结晶织构、细化晶粒。在520-540固溶处理时，含Mn的第二相粒子能抑制晶粒长大。但是这些元素的含量过高的话则会降低成形性能，因此它们的含量应该严格控制。在均匀化过程中，不溶的第二相粒子球化，一些溶解相，主要为Mg2Si，溶解在铝中。均匀化的程度主要取决于退火温度和退火时间，为了让多数Mg2Si溶解，均匀化温度应该高于540。在低温下预热能溶解部分Mg2Si，所以在以后的热加工中有害的Mg2Si沉淀相数量减少，使再结晶织构弱化，提高了板材的成形性能和表面质量。热轧工艺参数例如轧制速度、出口温度控制了热变形过程中储存的能量，热轧后退火能有效的控制板材的织构和表面质量。固溶处理过程中形成的再结晶织构受沉淀相的影响。大量细小弥散分布的Mg2Si质点有利于立方再结晶织构的形成。而立方再结晶织构一般认为能提高板材的成形性能。对于6000系铝合金，控制整个生产工艺中Mg2Si相的形状、分布、密度成为获得弱再结晶织构和好的表面性能的主要措施之一。6 研究内容及意义前面讲到，6000系铝合金具有良好的应用前景，而且我们知道铝合金的主要热处理工艺就是固溶处理和时效处理。铝合金作为汽车板材不断地应用于新车设计中以减轻其重量。为利用汽车车身涂装烤漆加热工艺，使合金时效强化。并考虑合金优点，目前的研究主要集中在可时效硬化的6000系铝合金上17-20。但T4状态的6000系铝合金板材冲压成车身构件后，在170烤漆时，由于不能发挥合金的时效强化潜力，而且还有可能发生回归现象，造成铝合金车身板经烤漆加热后不能获得时效强化21-23。研究表明，Al-Mg-Si合金的预时效不仅能改变其析出特性，而且对随后的人工时效具有较大的影响24-28。所以本文主要探讨预时效对铝合金的组织和力学性能的影响。本文的研究内容主要有以下两个方面：（1）轧制板材的成形性：通过测量挤压板的拉伸性能，获得挤压板沿轧制方向，垂直于轧制方向，与轧制方向成45的拉伸性能，获得板材成形性系数；通过对拉伸数据的回归，获得材料的加工硬化指数；可以方便的测得板材的屈强比。（2）不同热处理工艺下的力学性能及显微组织：通过对不同热处理制度下的合金的力学性能的分析比较，以确定对本实验最有价值的热处理工艺；显微组织观察，利用电子扫描显微镜观察不同热处理工艺下组织差别，以便更好的对比不同热处理工艺，并能够获得数据的微观解释。因为本论文的研究针对的是固定成分的铝合金材料（经改进后的6016），故而文章中不涉及材料成分的研究。 专题部分引言随着城市轻轨、地铁和汽车轻量化的发展，工业铝合金板材的需求量越来越大。铝合金由于具有高强度、高韧度、轻质结构、耐腐蚀、加工性好、易回收等特点，是现代社会所追求的、最有希望的金属材料之一，广泛应用于交通、建材、航空、航天等民用及军工领域，在国民经济和国防建设中具有不可替代的重要作用。而6000系铝合金更是由于具有强度高，塑性好，优良的耐蚀性等优点而成为近年来研究的热点。研究热处理工艺对铝合金板材组织和性能的影响规律，从而扩大铝合金板材应用范围是具备重要工程价值的研究课题。本文采用显微硬度计、电子拉伸试验机以及电子扫描显微镜等分析手段，系统地研究了一种具有新型成分的Al-Mg-Si系铝合金在不同热处理工艺下的成形性和力学性能。1 分析测试方法 （1）常温拉伸试验（WDW-20）（2）显微维氏硬度测试（显微硬度计 HXD-1000TM/LCD）（3）光学显微镜（4）电子扫描显微镜2 本论文的实验设计方案热处理： 固溶处理500-550，20-40min 淬火，风冷，预时效80-100,预时效60-70冷轧：8mm轧制到0.9mm，试样A: 未处理试样B: + 固溶处理500-550，20-40min，淬火，预时效80-100试样C: + 固溶处理500-550，20-40min，淬火，预时效60-70试样D: + 固溶处理500-550，20-40min，风冷，预时效80-100试样E: + 固溶处理500-550，20-40min，风冷，预时效60-70汽车车身铝合金板材成形过程：均匀化退火热轧中间退火冷轧热处理冲压成形油漆烘烤。铝合金板材分别在垂直于轧制方向（横向），沿轧制方向（竖向），与轧制方向成45取拉伸试样（斜向），拉伸试样标距为50mm，宽度20mm，厚度为0.9mm（横向编号为11，竖向编号为12，斜向为编号13）。硬度每种试样测量5次。为了为后面的对加工硬化指数的回归分析提供数据，拉伸过程中每0.1s扫描一次，获得实时的应力，应变数据。3 成形性的研究3.1实验数据拉伸实验屈服强度，抗拉强度，延伸率如下表3-1所示：表3-1 试样的拉伸强度，屈服强度，延伸率数据表编号屈服强度s(MPa)抗拉强度b(MPa)断后延伸率A11169.355198.7733.00%A12166.499194.0003.67%A13175.534198.5982.67%B11147.095244.16722.00%B12149.796259.82822.67%B13145.088249.44626.00%C11146.027243.84822.67%C12154.416250.89023.67%C13150.739246.59826.33%D11155.968250.90125.67%D12158.238260.74223.00%D13147.645248.97524.33%E11159.587248.13824.33%E12163.493259.45322.00%E13151.544247.28925.33%3.2试验结果分析3.2.1拉伸数据的分析 （1）通过对比五种试样的横向，竖向和斜向的拉伸性能，发现未出现沿轧制方向的各向异性，说明铝板轧制工艺参数控制的较好。（2）从延伸率的对比可以发现，未经热处理的试样，延伸率明显偏低，很难满足接下来的冲压工艺的要求。3.2.2屈强比的对比 屈强比即屈服强度和抗拉强度的比值。屈服点与抗拉强度之间的差距越大，表明薄板材料在破坏前能进行更大的变形和加工，因此屈强比值越小，薄板的综合成形性能越好，成形车身板的形状固定性也越好。五种试样的屈强比对比如表3-2，图3-1所示：表3-2.试样屈服比数据表横向竖向斜向试样A0.860.860.88试样B0.600.570.58试样C0.600.620.61试样D0.620.610.60试样E0.640.630.61从屈服比的大小可以看出，热处理后的试样B、C、D、E加工性能明显更好。对于轧制后的铝合金试样A，由于形变过程中的位错源的开动，位错密度急剧升高，几乎达到材料的位错密度饱和值，材料在弹性变形之后，将立刻到达加工硬化的较大值，在随后的加工过程中，不会出现较为明显的加工硬化现象，表现为材料不能够承受较大的塑性变形，对板材的冲压是不利的。对于经过热处理之后的试样B、C、D、E位错密度有所下降，材料有明显的加工硬化阶段，这保证了板在冲压过程中即能够承受较大的塑性变形，也表现为具有较好的延伸率。图3-1.试样屈服比变化曲线图3.2.3加工硬化指数的对比应变硬化指数n是金属簿板在发生塑性变形过程中，形变强化能力的一种量度。n值大的材料，由于硬化效应高，从而变形均匀，减小变薄和增大极限变形参数，零件不易产生裂纹，厚度分布均匀，表面较好。n值小的材料易于产生裂纹，零件的厚度分布不均匀表面粗糙。所以n值大的材料，其冲压性能好。通过计算机回归分析，其计算公式为：式中，F拉力，A试样原始横截面积，S工程应力，e工程应变，真实应力，真实应变，N参加回归计算的真实应力-真实应变数据对个数。按照GB5028-85标准，在轧制方向上重复实验三片试样，夹头移动速度为0.5mm/s。在需要考查的应变范围内等距离地选6个应变水平，记录相应的负荷应变数据对。算得的加工硬化指数n如表3-3，图3-2所示：图3-2.试样应变硬化指数变化曲线图表3-3.五种试样加工硬化指数对比表横向竖向斜向试样A0.2340.2550.250试样B0.2580.2520.276试样C0.2590.2760.265试样D0.2800.2690.263试样E0.2510.2670.282通过对比实验数据可以看出，热处理后的试样的加工硬化指数较高，具有较好的成形性，见图3-2。从热处理试样B、C、D、E的拉伸曲线上我们可以看：弹性变形之后，均匀塑性变形阶段相当明显。因此加工硬化指数的升高，可以提高铝合金板材在冲压过程中的变形均匀性。综上所述，热处理后的铝合金比未经热处理的铝合金有更好的成形性。4 力学性能与组织的研究4.1研究方案在实验方案中已将试样分为五类：试样A未经热处理，其余试样都有不同热处理工艺。试样D与E及B与C是时效温度不相同，试样B与D及C与E是固溶后冷却速度不相同。通过对比试样D与E及B与C来得出时效温度对性能的影响，通过对比试样B与D及C与E来得出固溶后冷却速度对性能的影响。再通过试样B、C、D、E相对于试样A的性能的总体变化趋势，来确定热处理是否有助于改善轧制后铝合金板材的力学性能。4.2实验结果与分析4.2.1强度对比及分析（1）通过强度对比，易看出经热处理试样B、C、D和E的强度明显高出未经热处理试样A的强度，见表4-1及图4-1。这是因为通过固溶处理后，大量溶质原子溶入铝合金基体中，形成过饱和固溶体，溶质原子对位错钉扎和增加位错运动的摩擦阻力，从而产生固溶强化。随后又进行时效处理，使溶质原子析出形成第二相，在位错绕过或切过第二相时，临界切应力增加，从而又产生异相强化。表4-1.五种试样强度对比表横向竖向斜向试样A198.773194.000198.598试样B244.167259.828239.446试样C243.848250.890246.598试样D250.901260.742248.975试样E248.138259.453247.289（2）同时我们看到经热处理的四个试样的强度相差不大，这说明在充分固溶后立即进行预时效处理对强度的影响不是很大。这可能是时效后的固溶强化下降与脱溶析出产生的沉淀强化增强在程度上相差不是很大的原因。图4-1五种试样强度变化曲线图4.2.2延伸率对比及分析通过延伸率对比可知：热处理后的试样B、C、D、E的延伸率明显比未经热处理的试样A的延伸率要高得多，见4-2和图4-2。试样A的延伸率低是轧制后的板材位错密度极高，而且由于位错的塞积、位错的交割（形成不易或不能滑移的割阶或形成复杂的位错缠结）、位错的反应（形成不能滑移的固定位错）、易开动的位错源不断消耗等，使得位错运动受阻，塑性降低。而热处理后的试样位错明显降低，且固溶处理产生的溶质原子对位错的钉扎和预时效产生的第二相对位错运动阻力的增加比位错密度的降低产生的对位错运动阻力的降低作用要小，所以塑性有较大的提升。图4-2五种试样延伸率变化曲线图表4-2.五种试样延伸率对比表横向竖向斜向试样A3.00%3.67%2.67%试样B22.00%22.67%26.00%试样C22.67%23.67%26.33%试样D25.67%23.00%24.33%试样E24.33%22.00%25.33%4.2.3硬度对比及分析（1）通过硬度对比同样易得出：经热处理的试样B、C、D和E的硬度明显高出未经热处理的试样A的硬度,见表4-3及图4-3。由于固溶强化和时效强化的作用，热处理后的试样硬度明显高于未经热处理的试样的硬度。（2）且试样E、C比试样B、D的硬度要稍高一些。通过对比可知E和C是低温预时效的试样，可能是较高温度下的预时效处理的试样产生的异相硬化小于固溶硬化下降的原因。试样C、E和试样B、D是时效温度相同，而固溶后冷却速度不一样。对比发现其硬度差别不是很大，究其原因可能是冷速相差不是太大的时候，溶质原子的脱溶析出不是很明显。表4-3.五种试样硬度对比表一二三四五试样A5553555455试样B 7777777677试样C8080808180试样D7577757677试样E8285858485图4-3五种试样硬度变化曲线图4.2.4拉伸曲线对比及分析拉伸曲线的对比可知：铝合金都没有明显的屈服现象，一般将2%微量塑性变形时的应力作为屈服强度。热处理后试样的强度比未经热处理的试样的强度要高出50 MPa左右。我们知道变形过程一般分为弹性变形，不均匀屈服塑性变形，均匀塑性变形，不均匀集中塑性变形和断裂五个阶段。热处理后的试样在弹性变形后可以看到有明显的均匀塑性变形阶段，而未经热处理过的试样则没有十分明显的均匀塑性变形过程，这也说明热处理后的试样的塑性有较高的提升，见图4-4。试样A试样B试样C试样D试样E图4-4五种试样应力应变曲线对比图4.2.5金相照片分析 试样B、C、D、E都是在500550之间作固溶处理，通过金相的对比，发现经有温度变化的固溶处理后冷轧合金薄板再结晶后的晶粒尺寸及形态无明显变化，见图4-5。因为最低固溶温度500对于合金的再结晶来说已足够高,且保温时间也足够长(约30min),板材再结晶过程已完成,另外,合金基体中残留的合金相能阻碍再结晶后晶粒边界迁移,所以固溶温度在500550之间变化对合金板材的再结晶晶粒大小及形状影响不大。由于第二相尺寸过小，在金相照片中可能无法较好地观察到第二相的存在。试样A试样B试样C试样D试样E图4-5五种试样金相对比图4.2.6电镜及断口扫描分析所有电镜照片均是在试样在经过机械抛光并且未腐蚀的条件下观察的，其原理为在铝合金中第二相相对于铝基体有较高的硬度，所以在抛光时铝基体磨损速度会更快，所以材料中的第二相就会显露出来。另外由于无论是在时效前和时效后铝合金拉伸性能均未出现各向异性，故而可以认为轧制方向对预时效结果影响不大，所以电镜观察时只选择横向的试样观察，见图4-6。试样A 试样B试样C试样D试样E图4-6五种试样电镜对比图通常合金是在固溶后立即进行预时效处理,以产生尺寸合适的GP区,使其在烤漆过程中能长大并转变成与基体共格的强化相 (),且不至于使合金烤漆前强度过高。若考虑到汽车车身板的性能要求: T4状态下屈服强度应小于150 M Pa以减小冲压回弹、塑性应大于22%以满足冲压复杂件的精度需要。通过力学性能对比：我们知道较高温度下预时效处理的试样B、D屈服强度更低，且硬度稍低，有利于随后的冲压成形。从上图中我们可以较为清楚的看到，试样A 基本上没有析出物，在60-70下预时效处理的试样C、E有尺寸较小的析出物，而在80-100下预时效处理的试样B、D则可以看到尺寸较大的析出物。断口扫描对比对可以看到，试样A的断口较为平整，试样B、C、D、E则可以看到有明显的韧窝,见图4-7。易试样A断裂前未发生明显的塑性变形，表现为由于位错缠结等原因，当试样受到拉伸时，各晶粒之间没有较好的协同变形能力，因而不能变形以至晶粒被拉拔出原有的断面从而断品较为平整。但当试样经热处理后，位错密度显著下降，表现为晶粒之间变得有了很好的协同变形能力，所以当试样再受到拉伸时，晶粒能够发生明显的塑性变形，甚至能够从原有断面上被拉拔出来，从而形成韧窝。试样A 试样B试样C试样D试样E图4-7五种试样断口扫描对比图5结论本文采用显微硬度计、电子拉伸试验机以及电子扫描显微镜分析手段，系统地研究了一种具有新型成分的Al-Mg-Si系铝合金在轧制后经不同热处理工艺下的板材成形性能以及力学性能和组织的变化。通过研究，获得了如下结论：（1）板材的力学性能并未出现沿轧制方向上的各向异性，说明轧制工艺参数控制的较好；（2）未经热处理的试样的屈强比为0.85，加工硬化指数为0.25。而热处理后的试样的屈强比为0.6