热处理条件对铝合金锯齿形屈服行为的影响

1、目 录摘要1Abstract2第一章 绪 论31.1 引言31.2 铝合金的发展历史41.3 铝合金的种类51.3.1 纯铝的特性与牌号51.3.2 铝合金的分类51.3.3 变形铝合金的分类61.3.4 铸造铝合金的种类71.4 6系合金的主要性质及应用71.4.1 6系合金简介71.4.2 6系合金的成分与性能81.4.3 6系合金的应用91.5 铝合金的锯齿形屈服101.6 铝合金的热处理101.6.1 固溶处理111.6.2 时效处理11第二章 实验方法122.1 实验材料122.2 试样制备122.3 单向拉伸实验13第三章 热处理对6系铝合金性能的影响143.1 固溶处理与时效处理

2、实验143.2 拉伸实验163.3 拉伸实验结果分析17第四章 全文总结及展望314.1 总结314.2 展望32谢 辞33参考文献3434热处理条件对铝合金锯齿形屈服行为的影响摘要：铝合金以其密度低、强度高、塑性好，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性等优点，从机械制造工业中脱颖而出，并且发展潜力巨大，在汽车、航空航天、建筑、桥梁等方面得到广泛应用。但由于铝合金的锯齿形屈服行为的影响，它在常温下的成形性能较差，要将铝合金用来制造汽车车身，在国内尚存在一定的技术性问题。由于将铝合金应用在汽车车身上有巨大的经济效益，对如何提高铝合金的加工成形性能的研究具有非常重要的意义。我们可以通过改变热处理条件的

3、方法来减弱铝合金锯齿形屈服行为对其性能的不良影响，从而改善铝合金的加工成形性能。目前国内对热处理条件对铝合金的影响仍处于研究阶段。本论文主要以6061和6063铝合金为研究对象，研究了在不同热处理工艺条件下铝合金力学性能和成形性能的变化规律以及与锯齿形屈服行为之间的关系，并且在理论上加以分析讨论，最后分别得出了一组比较理想的热处理工艺方案。关键词：铝合金，锯齿形屈服效应，热处理，加工成形性能。The Effect of Heat Treatment Condition on Portevin-Le Chatelier Behavior in Aluminum AlloyAbstract:Alu

4、minum alloy stands out from the crowd in machine building industry, for its so many advantages, such as low density, high intensity and good ductility, corrosion resistance, electrical and thermal conductivity. Aluminum has great development potential and is widely used in automobile, aerospace, bui

5、lding and bridge industries. However, because of the aluminum alloys Portevin-Le Chatelier effect, its formability under normal temperature is bad. There are technical problems interiorly to apply aluminum alloy to the manufacture of automotive body. As it will benefit much, the research on how to i

6、mprove the formability of aluminum alloy is of great significance.It is possible for us to weaken the Portevin-Le Chatelier effect by altering the conditions of heat treatments, so as to improve the formability of aluminum alloy. Interiorly, the effect of heat treatment conditions on aluminum alloy

7、is still being researched. In this paper, we chose the 6061 and 6063 type of aluminum alloy as the research objects. We studied the evolution of mechanical property and formability of aluminum alloy under different heat treatment conditions and the relation to the Portevin-Le Chatelier effect. Also,

8、 we analyze and discuss them in terms of theory. And then we worked out a set of heat treatment scheme for each type which is comparatively perfect.Key words:Aluminum alloy, Portevin-Le Chatelier effect, heat treatment, formability.第一章 绪 论1.1 引言铝是地壳中分布最广泛的元素之一，其平均含量为8.8%，居金属元素第一位。铝在自然界中多以氧化物、氢氧化物和含氧

9、的铝硅酸盐存在，极少发现铝的自然金属1。铝的密度较小，为2.78g/cm3，通常被称为轻金属，其相应的铝合金被称为轻合金。且铝合金的强度高、塑性好，具有优良的导电性、导热性、抗蚀性和焊接性能，易于成形，并且价格较低，因此,铝合金已经在航空航天工业、交通运输、轻工建材、桥梁、工兵装备、通讯、电子和大型压力容器等方面获得了广泛的应用。现代工业的飞速发展，铝合金的强度、韧性以及抗应力腐蚀性能等提出了更高的要求。近年来，新的合金成分设计、已有热处理工艺参数的优化、新热处理工艺的开发以及相关机理的研究等成为铝合金研究和开发的重要方向。近几十年来，由于铝的冶炼方法与工艺的不断改进，尤其是铝材料基础问题的突

10、破，铝工业的发展速度十分惊人。1905年前全世界铝的产量只有几千吨，而到2004年世界铝产量（包括原铝和再生铝）达到2983万吨，预计今年有望突破4000万吨大关。铝合金新材料的发展以及新技术的研发是世界铝产量和应用量大幅度增加的关键。20世纪初时效硬化的发现突破了铝合金新材料发展的技术瓶颈，使铝合金材料的发展和应用在相当长的一段时间内处于高速增长的状态。材料分析技术和材料加工技术的发展又进一步优化完善了铝合金系列以及铝合金成分，铝基复合材料的出现和发展又使铝基材料性能的潜力得到了更为充分的发挥。如今，全世界研究开发的铝合金种类已经超过千种以上；半固态加工技术、半固态模锻技术、喷射沉积技术等先

11、进加工技术已经广泛应用于铝基材料的生产中1。在汽车总重量中，车身系统约占20%30%，如果用铝材取代传统材料来制造车身，一般可减重40%50%4。因此，近年来铝合金在车辆上的使用受到广泛的重视，替代其它的材料(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。美国资深汽车工程师David Scholes曾作出预测：未来，轿车上的每一个零件都有可能用铝合金来生产，1015年后会有越来越多的铝合金用于汽车，而且铝合金制品完全可能比塑料还轻。事实上确实如此，近年来许多大型汽车公司越来越关注于铝合金板材的冲压成形，并利用铝合金冲压件生产汽车车身。如美国福特汽车公

12、司开发的2010轿车，奥迪公司开发的A2、A8型轿车，劳斯莱斯推出的一款车身框架全部用铝合金制成的轿车等8。显而易见，铝合金在车辆上的大范围应用已经成为不可阻挡的趋势。然而，目前汽车上的铝部件虽然还以铸件为主，但随着合金加工技术和新型合金的不断开发，变形铝合金必将有更为广阔的应用空间。6000系（Al2Mg2Si）系铝合金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，如近期出现的6061铝合金躯动轴就是很好的例证8。但是，众所周知的铝合金锯齿形屈服行为降低了其加工成形性能，对铝合金在汽车上的广泛应用有一定的限制作用。削除锯齿形屈服行为的不良影响的方

13、法正是当今人们研究的热点，热处理就是其中之一，本文将就热处理条件对铝合金锯齿形屈服行为的影响作简单的研究和讨论。1.2 铝合金的发展历史早在20世纪20年代，德国科学家就研制出Al-Zn-Mg系合金，但是由于该系合金抗SCC性能和抗剥落性能太差而未能得到产业应用。从20世纪30年代初到二战结束期间，各国在研究中发现Cu元素可以提高合金的抗SCC性能及综合力学性能，竞相开发了Al-Zn-Mg-Cu系合金，而忽视了对Al-Zn-Mg系合金的研究。德、美、苏、法等国在Al-Zn-Mg-Cu系合金基础上成功地开发了7075、B95、B93和D.T.D683等合金，至今仍广泛应用于航空航天工业，但是在应

14、用中依然不能实现强度、韧性以及抗SCC性能的最佳组合。20世纪50年代，德国公布了具有较好焊接性能的合金AlZnMg1和AlZnMg2，引起了人们对Al-Zn-Mg系合金的重视。在此期间，在AlZnMg1合金的基础上，美国学者加入了Cr、Mn、Zr等元素，研制出7005和7004合金，获得了良好的焊接性能和抗SCC性能，被广泛应用于焊接结构，但是合金的工艺性能不是很好，为此日本学者通过降低Mg含量和提高Zn/ Mg值研制出ZK60和ZK61合金，获得了比较好的焊接性能和工艺性能，但是强度下降了很多；此外，在同一时期前苏联也研制出了1933、1915合金，但强度偏低。为提高强度，20世纪70年代

15、又研制出7020合金，其强度高、可焊接性好。此后，人们的注意力又集中到Al-Zn-Mg-Cu系铝合金上去了。20世纪70年代末80年代初，美国学者先后在7075合金的基础上，为解决工业应用中SCC敏感性较高的问题以及满足一些特殊性能的需要，通过调整合金元素的含量，发展了几种新型合金7178、7070、7175、7475等。国内对铝合金的研发起步较晚。20世纪80年代初，东北轻合金加工厂和北京航空材料研究所开始研制Al-Zn-Mg-Cu系铝合金。目前产品主要有7075、7175及7050等合金。20世纪90年代中期，北京航空材料研究所采用常规半连续铸造法试制出7A55超高强铝合金，近来又开发出强

16、度更高的7A60合金。而在Al-Zn-Mg系铝合金的研制上，国内基本都是仿制，很少自行开发2。1.3 铝合金的种类1.3.1 纯铝的特性与牌号铝在元素周期表中属第三周期，为主族元素，其微观组织结构为面心立方点阵。铝的密度约为铁的三分之一，因而铝合金的密度一般也都比较低，但是它的强度很高，在很多情况下可以代替合金钢使用。铝的熔点随纯度的升高而升高，最高时约为660。铝的导电性和导热性比较好，现在在电器工业中经常用铝代替铜作导线，以节省成本。铝在空气中有很好的抗腐蚀性，这是由于铝和空气中的氧在室温下即能化合形成一层致密且薄的氧化膜，但在热的稀硝酸或者稀硫酸中这层氧化膜是极易溶解的。大部分铝合金是可

17、以热处理强化的，以此方法来提高其强度和硬度等力学性能，从而满足不同用途的需求1。铝含量大于等于99.00的为纯铝，它的牌号用1系列表示（牌号最后两位数字表示最低铝的百分含量）。牌号第二位的字母表示原始纯铝的改型情况。A表示原始纯铝，BY等其它字母表示为原始纯铝的改型，其元素含量与原始纯铝相比是有所差别的。1.3.2 铝合金的分类无论是在科学研究还是在日常工业生产中，纯铝的性能常常是不能满足要求的，所以，人们会在纯铝中加入各种合金元素，从而得到拥有各种不同性能及用途的铝合金。铝合金的具体分类见图1.11。 纯铝1系，如1000合金 非热处理型合金 Al-Mn系合金3系，如3004合金 Al-Si

18、系合金4系，如4043合金 加工材 Al-Mg系合金5系，如5083合金 Al-Cu系合金2系，如2024合金 热处理型合金 Al-Mg-Si系合金6系，如6063合金 Al-Zn-Mg-Cu系合金7系，如7075合金铝及铝合金 Al-Li系合金8系，如8089合金 纯铝系 非热处理型合金 Al-Si系合金，如ZL102合金 Al-Mg系合金，如ZL103合金 铸造材 Al-Cu-Si系合金，如ZL107合金 Al-Cu-Mg-Si系合金，如ZL110合金 热处理型合金 Al-Mg-Si系合金，如ZL104 Al-Mg-Zn系合金，如ZL305合金图1.1 铝合金的分类1.3.3 变形铝合金的

19、分类变形铝合金对塑性变形能力的要求较高，其分类方法比较多，但很多国家按以下三种方法分类。按照合金的状态以及热处理特点可以分为：可热处理强化铝合金和不可热处理强化铝合金两类。例如，纯铝、Al-Mn、Al-Mg、Al-Si系合金为可热处理强化铝合金；Al-Mg-Si、Al-Cu、Al-Zn-Mg系合金为不可热处理铝合金。按照合金性能和用途可以分为：工业纯铝，光辉铝合金，切削铝合金，耐热铝合金，低强度铝合金，中强度铝合金，高强度铝合金，超高强度铝合金，锻造铝合金及特殊铝合金等。按照合金中所含主要元素成分可以分为：工业纯铝（1系），Al-Cu合金（2系），Al-Mn合金（3系），Al-Si合金（4系）

20、，Al-Mg合金（5系），Al-Mg-Si合金（6系），Al-Zn-Mg-Cu合金（7系），Al-Li合金（8系）以及备用合金组（9系）。以上所述三种方法各有特点，有时可以相互补充。大多数国家在工业生产中是按第三种方法进行分类的，因为第三种分类方法能比较本质地反映合金的基本性能，同时易于编码、记忆和计算机管理。我国也采用这种方法进行分类1。1系合金：该系列材料有较好的加工性、耐蚀性、表面处理特性，强度小，不适合用作结构物材，但在强度要求不高的家庭用品、日用品及电器上使用较多。2系合金材料的强度与钢差不多，但由于材料中铜含量较多，所以耐蚀性较差，如果要在容易腐蚀的场合使用是一定要做防腐蚀处理的。

21、3系合金属于Al-Mn合金，添加Mn后会增加纯Al的强度，而不会减弱它的加工性和耐蚀性，这种材料大多应用于建材容器及汽车配管等。4系合金属于Al-Si合金，其硅含量约为5，在阳极氧化处理后呈黑色，可用于制造装饰件。5系合金属于Al-Mg合金，当合金中Mg的含量较低时，一般用于装饰用，而Mg含量较高时，一般用于结构材料等。6系合金的强度和耐蚀性都很好，经常用于结构用材，但是在焊接时会有热应力产生，所以一般需要使用铆接或螺栓结合。7系合金含Zn的固溶体有更负的电位，因此可用它作为牺牲阳极和某些铝合金的包覆层。添加Mg和Cu及其它微量元素后可削弱合金的应力腐蚀裂纹敏感性，从而制成一批有商业价值的7系

22、合金，多用于飞机，航天航空器以及运动器材上3。1.3.4 铸造铝合金的种类铸造铝合金的比重较小，比强度较高，有良好的抗腐蚀性以及铸工艺性，另外，铝合金的熔点一般比较低，并且熔炼工艺和熔炼设备都比较简单，因此铸造铝合金被广泛应用于各种成形铸造。按照成分分类铸造铝合金可以被分成五类：Al-Si系和Al-Si-Mg系合金。Al-Cu系合金。Al-Mg系合金。Al-RE系合金。Al-Zn系合金。1.4 6系合金的主要性质及应用1.4.1 6系合金简介6系铝合金具有成型性好、耐蚀性强、强度高、耐高温性能好等性能，7系合金虽然也具有较好的硬度和强度，但疲劳强度低于6系合金，和2系合金相比抗腐蚀性能优越，5

23、系合金的斯德勒线及桔皮效应不令人满意，6系合金上述两种性质较好, 所以倍受人们关注。6系合金可以通过添加少量多种合金元素来细化晶粒，改变再结晶状态，同时改进铸造、轧制及热处理等工艺获得良好的综合性能。6系铝合金常用于结构用材，但在焊接时会有热应力产生，因此一般需要使用铆接或螺栓接合8。1.4.2 6系合金的成分与性能6系合金的主要合金元素是镁和硅，它们形成Mg2Si相。铁在合金中有一定的不良影响，但若合金中含有一定量的锰和铬可以中和铁的影响。在合金中添加少量的铜和锌，可以提高合金的强度而不明显降低其抗腐蚀性。用作导电材料时加入少量的铜可以抵消钛和钒对导电性的不良影响。加入锆或钛能起到细化晶粒和

24、控制再结晶组织的作用。加入铅和铋可以改善合金的可切削性能。在生产实践中Mg/Si比很难保持理论上Mg2Si的1.73，大部分合金含有过剩的镁或过剩的硅。镁含量过剩时，合金的抗蚀性较好，但强度和成形性能较低；硅含量过剩时，合金的强度高，但成形性能和焊接性能较差，抗晶间腐蚀倾向较好。6系合金的组织是比较简单的，主要组织由Mg2Si组成，在热处理状态下，Mg2Si固溶于铅中，使合金有人工时效硬化的能力。如果合金中Cu与Si的含量较多，那么，合金中还能形成Cu2Mg8Si6Al5，它有一定的自然时效能力，一部分的Mg2Si被Cu2Mg8Si6Al5取代。在不含锰和铬的6系合金中，铁以FeAl3、FeA

25、l6、Fe2SiAl8等形式存在，而在含有锰和铬的合金中，铁会与它们形成化合物。合金中铁含量为0.150.20时最好，因为铁含量越低，晶粒越粗大；铁含量越高，越对材料的表面处理性能不利，并且会降低表面亮度，甚至出现暗斑、条纹及其它表面缺陷。在本实验中，我们选用的铝合金材料为6061型及6063型铝合金，所以下文中只着重介绍这两种6系铝合金。6063型合金的Mg/Si比小于1.73，因此合金中有一定过量的Si。6063型铝合金的抗拉强度可以达到230MPa，能满足建筑结构的要求；合金的相结构比较简单，工艺性能比较好，通常用简单的风冷就可以达到淬火的目的。6063合金的淬火敏感性较低，可以在出模后

26、进行风冷淬火，但是冷却速度要足够快，以确保材料在时效处理后能达到标准规定的力学性能。6061的强度可达245MPa，常用于铁塔或者天车上。6063的挤制性比较好，因而多用于门窗框。6061用于不强调强度的结构物材上。6061型合金与6063型合金的力学性能见表1.11，1.21。表1.1 6061型铝合金的力学性能状态抗拉强度b/MPa屈服强度0.2/MPa伸长率/%抗剪强度/MPa疲劳强度-1/MPa硬度HB直径1.6mm试样直径13mm试样包铝的6061合金OT4、T451T6、T65112424131015514517625222130251783165207629797306595未包

27、铝的6061合金OT4、T451T6、T6511172282904813125525221276152186629797306595R.R.Moore试验，5108次循环。4.9kN载荷，直径10mm钢球，施载时间30s。表1.2 6063型铝合金的力学性能状态抗拉强度b/MPa屈服强度0.2/MPa伸长率/%硬度HB抗剪强度/MPa疲劳强度-1/MPaOT1T4T5T6T83T831T83290152172186241255207290489090145214241186269202212129101225426073827095699711715215212418655626969试验条件

28、：4.9kN载荷，直径10mm钢球，施载时间30s。R.R.Moore试验，5108次循环。过去为T42状态。1.4.3 6系合金的应用6061型：要求有一定强度、可焊性与抗蚀性高的各种工业结构件，比如制造卡车、塔式建筑、船舶、电车、家具等用的管、棒、型材。6063型：建筑型材，灌溉管材以及供车辆、台架、家具、栏栅等用的挤压材料。1.5 铝合金的锯齿形屈服铝合金的锯齿形屈服，又叫做Portevin-Le Chatelier效应，是指铝合金材料在一定的温度和应变率范围内变形时发生的失稳现象。铝合金在塑性变形时，微观上位错的平均运动速度与溶质原子的扩散速度差不多大。位错在运动时碰到阻碍物的时候运动

29、停止，在此期间，溶质原子会向位错线偏聚形成溶质原子气团或沉淀相，这就加大了位错滑移的阻力。当外力逐渐增大到比上述阻力大的时候，位错会再次开始运动，并且这个过程会再次重复发生，从宏观上表现出来就是合金材料出现的锯齿形屈服行为4。铝合金材料在进入锯齿形屈服阶段后，变形就会变得非常不均匀，这种强烈的不均匀的变形方式必然对材料的变形过程以及后续加工使用产生不良的影响。一般情况下，铝合金的锯齿形屈服行为会降低铝合金材料的延伸率，而且，局部变形过程中会有大量位错滑移到材料表面，形成肉眼就可以分辨出来的带状变形痕迹4（如图1.2所示），使材料表面变得粗糙，从而影响了表面成形质量和损害了外观。而在进行压力加工

30、和车身面板成形时，更应抑制由锯齿形负荷产生形变花纹，所以工业上抑制产生锯齿形成为重要的任务5。图1.2 锯齿形屈服时的变形条纹1.6 铝合金的热处理金属的热处理是指，在固态下将金属或合金加热到一定的温度，并保温一定的时间，然后以一定的冷却速度冷却，换言之即通过控制加热速度、保温温度、保温时间和冷却速度四个基本要素，使金属或合金内部组织结构发生转变，从而获得一定性能的工艺方法。热处理是大幅度改变材料性能的工艺环节，是提高产品的内在质量，保证使用性能和可靠性的关键，在制造业中有着十分重要的作用6。对铝合金进行热处理的主要目的是：提高力学性能，增强耐腐蚀性能，改善加工性能，获得尺寸的稳定性。铝合金的

31、热处理强化原理与钢不同，钢的热处理强化是以固溶体基体的相变为基础的，铝合金的强化是以化合物在铝的固溶体中的溶解度变化为基础的7。铝合金的热处理工艺一般可以分为如下四类：退火处理，固溶处理，时效处理和循环处理。本实验所选试验材料为6061型及6063型铝合金，属于变形铝合金，因此，这里只介绍变形铝合金的的热处理方法。1.6.1 固溶处理固溶处理的目的是获得过饱和固溶体，使Cu、Mg、Zn或Si这类硬化溶质溶入铝基固溶体中，以获得高浓度的过饱和固溶体，为时效硬化做好准备。变形铝合金的淬火温度范围很窄，一般为465535，温度过低得不到均匀的过饱和固溶体，温度过高则容易造成过烧。典型的固溶工艺有：单

32、级固溶、强化固溶以及高温预析出2。 单级固溶即采取单一的温度和时间进行的固溶处理，它是目前最常用的固溶工艺。 强化固溶 强化固溶与单级固溶相比，在不增加合金元素总含量的条件下提高了固溶体的过饱和度，同时减少了粗大未溶结晶相，对于提高时效析出程度和改善抗断裂性能具有积极意义，是提高合金综合性能的一条有效途径。 高温预析出 指先在高温下充分固溶，然后在略低于固溶温度下保温，即通过两步固溶来改善晶界和晶内的析出状态，使合金具有良好的综合力学性能，尤其是抗SCC性能得到显著提高。1.6.2 时效处理铝合金时效处理的目的是从过饱和固溶体中析出第二相以达到对合金基体的强化作用。时效强化效果与时效温度有关。

33、时效温度过高，时效过程快，但强化效果差；时效温度低，强化效果好，但所需时间长。析出相的大小、数量和分布等决定了合金的强度、韧性以及SCR性能。典型的时效工艺有：峰值时效T6、双级时效、回归再时效、特种峰时效以及“双峰”时效。（1）峰值时效 即一级完全时效，是目前最常见的时效工艺。合金经过该工艺处理后，虽然强度达到峰值，但抗 SCC性能较差。（2）双级时效 即2个阶段：低温预时效，相当于成核阶段；高温时效，为稳定化阶段。其是目前较为常用的时效工艺。（3）回归再时效 时效后，合金晶内组织与峰值时效的晶内组织相似；晶界组织与双级时效后的晶界组织相似。这种组织综合了峰值时效和双级时效的优点，使合金具有

34、良好的SCR性能及强韧性。但是该工艺过程比较复杂，工艺参数较多且难以控制。（4）特种峰时效 分为2个阶段：在较低温度下进行峰值预时效，显微组织与上述峰值时效状态的相同；在较高温度下进行短时回归处理。通过合理选择高温回归温度及时间能使合金的强度和韧性同时达到较高的峰值。（5）“双峰”时效 超长时间且强度、硬度等性能出现“双峰”的时效工艺。可使合金具有高强、高韧以及高的SCR性能，而且工艺参数容易控制。第二章 实验方法2.1 实验材料本实验采用的铝合金材料是牌号为6061和6063的铝合金薄板，厚度为1mm。合金成分见表2.1。表2.1 6061和6063铝合金成分表元素CuMnMgZnCrTiS

35、iFeAl60610.150.40.150.81.20.250.040.350.150.40.80.7余量60630.100.100.45-0.90.100.100.100.20-0.60.35余量2.2 试样制备在实验前要将实验材料6061和6063合金加工成标准拉伸试样，标准拉伸试样尺寸如图2.1所示。图2.1 标准拉伸试样尺寸图本实验采用线切割方法加工标准拉伸试样。实验过程中试样的热处理在电阻式箱式炉中进行，其控温精度2。固溶处理实验中所用淬火介质（水）的温度低于25，淬火转移时间不超过26秒。为确保铝合金试样在热处理过程中不会氧化、变形，处理过程中我们用氧化铝颗粒覆盖在试样上加以保护。

36、在本实验的热处理过程中，有些需要注意的事项：试样均要分散摆放，不能堆在一起。氧化铝颗粒要均匀覆盖在试样上，不要留下空隙，使试样与空气隔绝。箱式电阻炉工作时温度是非常高的，操作过程中应注意安全。2.3 单向拉伸实验单向拉伸实验是比较简单但非常实用的材料力学性能实验，在实验过程中，随着试样材料的弹性变形到塑性变形，直至最后的断裂，我们可以用计算机记录下一条完整的应力应变曲线，并由此可检测到试样材料的基本力学性能（如抗拉强度、屈服强度等），并且由些可进一步推算出一些其它的力学性能（如屈强比、弹性模量、硬化指数等）。如此可见，对试样进行单向拉伸实验能够比较全面地测定材料的力学性能。本次常温下的单向拉伸

37、实验是在深圳市新三思材料检测有限公司生产的CMT5105型微机控制电子万能实验机上进行的，拉伸速度为3mm/min。CMT5105型微机控制电子万能实验机的基本参数如表2.2所示。表2.2 CMT5105型微机控制电子万能实验机基本参数表型号电源功率最大实验力准确度等级CMT5105380V2KW100KN0.5级在进行常温下的单向拉伸实验时同样有一些需要注意的事项：在开始做实验之前一定要对拉伸试样进行标记。在进行实验之前一定要在电脑上将数据清零。试样一定要装夹在竖起方向上。上下两个锁扣要拧紧。本实验为计算机控制，避免在实验进行时在计算机上进行其它操作。拉伸结束后注意保存数据。第三章 热处理对

38、6系铝合金性能的影响6系铝合金属于热处理强化变形铝合金，固溶处理和时效处理对其组织和性能的影响是比较大的，对铝合金锯齿形屈服行为也是有着重要影响的12。本章主要研究了固溶处理和时效处理对6系铝合金（这里主要是6061型和6063型铝合金）性能的影响。3.1 固溶处理与时效处理实验6061型（T6状态）铝合金的固溶处理的工艺规范如下：固溶工艺温度在合理的温度范围内选择495和550两个温度点，固溶工艺时间选择两个不同的时间：30min和40min。冷却介质为室温下的水。时效处理的过程是由温度和时间共同作用的，它是热处理过程中最为重要的一步，为研究同一固溶处理条件下时效处理对试样性能的影响，我们设

39、置了不同的时效处理方法。时效时间对材料性能的影响实验是以时效温度对材料性能和组织的影响实验的基础上进行的13，为了进一步研究同一热处理条件下，不同时效时间变化对材料性能的影响规律，使实验工艺方案更加细致，同时有助于考察实验结果的重现性，我们又设定了不同的时效温度和时间。本实验中的时效处理采用人工时效和自然时效相结合的方法，其中人工时效采用也两种时效处理方法，分别是一级完全时效和双级时效。一级完全时效处理选取155和190两个温度点，时效处理时间为8小时；双级时效采用1852h + 2001h和1702h + 1802h两种方案。此外，本实验中还留有试样不进行任何热处理，从而能够与热处理过的试样

40、进行性能对比。具体热处理方案如表3.1所示。表3.1 6061型铝合金的热处理方案固溶处理时效处理49540min1558h(a1)1908h(a2)自然时效处理(a3)55040min1558h(a4)1908h(a5)自然时效处理(a6)55030min双级时效1852h + 2001h(a7)双级时效1702h + 1802h(a8)自然时效处理(a9)不进行任何热处理(a10)注：a1、a2、a3等为各工艺方案编号，使下文方便引用。6063型（T6状态）铝合金的固溶处理的工艺规范如下：固溶工艺温度在合理的温度范围内选择450、500和520三个温度点，固溶工艺时间选择两个不同的时间：3

41、0min和40min。冷却介质为室温下的水。时效处理的过程是由温度和时间共同作用的，它是热处理过程中最为重要的一步10，为研究同一固溶处理条件下时效处理对试样性能的影响，我们设置了不同的时效处理方法。时效时间对材料性能的影响实验是以时效温度对材料性能和组织的影响实验的基础上进行的，为了进一步研究同一热处理条件下，不同时效时间变化对材料性能的影响规律，使实验工艺方案更加细致，同时有助于考察实验结果的重现性，我们又设定了不同的时效温度和时间。本实验中的时效处理同样采用人工时效和自然时效相结合的方法，其中人工时效采用也两种时效处理方法，分别是一级完全时效和双级时效。具体热处理方案如表3.2所示。另外

42、，本实验中同样留有试样不进行任何热处理，从而能够与热处理过的试样进行性能对比。表3.2 6063型铝合金的热处理方案固溶处理时效处理45040min2002h(b1)2252h(b2)自然时效处理(b3)50040min1752h(b4)2002h(b5)2252h(b6)自然时效处理(b7)52030min1758h(b8)1821h(b9)2051h(b10)双级时效1601h+23020min(b11)自然时效处理(b12)不进行任何热处理处理(b13)注：b1、b2、b3等为各工艺方案编号，使下文方便引用。3.2 拉伸实验在固溶处理及时效处理实验结束后，将所有试样分组保存好，然后在电子

43、万能实验机上进行拉伸实验。由于拉伸实验仪器是计算机控制的，需要用到相关软件。打开计算机后运行该软件并设置好各项参数（主要是拉伸方案以及拉伸速度等），就可以开始进行实验了。将各组试样按顺序依次进行拉伸，每次拉伸前在实验记录本上记下其材料及热处理工艺方案，拉伸结束后再记下拉伸最大力等相关实验数据。此外，在所有试样拉伸过程结束后，计算机上也会自动生成一份金属材料室温拉伸试验报告，报告中有关于所有拉伸试样的各项力学性能的信息以及力-位移曲线（可处理转变成应力-应变曲线）。接下来就可以进行实验数据的处理分析了。3.3 拉伸实验结果分析实验结束后，需要对得到的数据进行处理分析，从而得到一些试样性能指标，下

44、面将对各性能指标及分析计算方法加以说明：抗拉强度抗拉强度（Rm）是指材料在拉断前承受最大应力值。具体来说就是，当拉伸试样屈服到一定程度后，由于内部晶粒重新排列，其抵抗变形能力又重新提高，此时变形虽然发展很快，但却只能随着应力的提高而提高，直至应力达最大值。此后，拉伸试样抵抗变形的能力明显降低，并在最薄弱处发生较大的塑性变形，此处试件截面迅速缩小，出现颈缩现象，直至断裂破坏。拉伸试样受拉断裂前的最大应力值称为强度极限或抗拉强度。拉伸结束后，记下了拉伸过程中的最大拉力值（Fm），计算出试样拉伸截面的面积（S=1mm10mm=10mm2），然后用公式Rm=Fm/S即可算出抗拉强度的值。屈服强度屈服强

45、度，又称为屈服极限，是材料屈服的临界应力值。当应力超过弹性极限后，进入屈服阶段后，变形增加较快，此时除了产生弹性变形外，还产生部分塑性变形。当应力增大到一定程度后，塑性应变急剧增加，应力应变出现微小波动，这种现象称为屈服。这一阶段的最大、最小应力分别称为上屈服点和下屈服点。由于下屈服点的数值较为稳定，因此以它作为材料抗力的指标，称为屈服点或屈服强度(ReL或Rp0.2)。 对于屈服现象明显的材料，屈服强度就是屈服点的应力（屈服值）；对于屈服现象不明显的材料，与应力-应变的直线关系的极限偏差达到规定值（通常为0.2%的永久形变）时的应力。本实验属于后一种情况，记下应变为0.2%时的应力即为屈服强

46、度的值。屈强比钢材的屈服点（屈服强度）与抗拉强度的比值，称为屈强比。屈强比越大，结构零件的可靠性越高。延伸率延伸率（）：材料在拉伸断裂后，总伸长与原始标距长度的百分比。工程上常将5%的材料称为塑性材料，如常温静载的低碳钢、铝、铜等；而把5%的材料称为脆性材料，如常温静载下的铸铁、玻璃、陶瓷等。弹性模量材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合胡克定律），其比例系数称为弹性模量。弹性模量的单位是达因每平方厘米。“弹性模量”是描述物质弹性的一个物理量，是一个总称。硬化指数硬化指数n是表明材料冷变形硬化的重要参数，对板料的冲压性能以及冲压件的质量都有较大的影响。硬化指数n大时，表示冷变形时

47、硬化显著，对后续变形工序不利，有时还必需增加中间退火工序以消除硬化，使后续变形工序得以进行。但是n值大时也有有利的一面，能使工件有很好的刚性。在单向拉伸试验过程中。任取两个试验点并测得(1，2)和相对应的(1，2)两组条件，将条件代入Hollomon应变关系方程。得方程组：1 = k1n2 = k2n联立求解，得：n=(In 2一In 1)(In 2一In 1)。将拉伸试验所获得的数据(1，2)，(1，2)代人上式，即可求得n值9。6061型（T6状态）铝合金通过上面的分析计算方法可以计算出各性能指标的数值，分别进行对比如下：抗拉强度的对比分析见图3.1所示。图3.1 6061型铝合金抗拉强度

48、的对比由上图可以看出，未经过任何热处理的a10试样的抗拉强度明显比所有经过不同热处理的试样要高出许多，由此可知，对铝合金进行固溶加时效的热处理会降低其抗拉性能。另外，比较三个自然时效处理的试样（a3、a6、a7）可知，通过49540min固溶处理的试样的抗拉强度最低，而另两种相差不大，因此可得出结论，固溶处理时试样的抗拉强度会下降，并且下降的幅度跟固溶处理温度有关，而跟固溶处理时间关系不大。分别比较三种固溶处理的三个试样（a1、a2、a3和a4、a5、a6以及a7、a8、a9）可见，只有49540min固溶处理的试样经一定的人工时效处理能使其抗拉强度回升，55040min固溶处理和55030m

49、in固溶处理的试样经过一定的人工时效处理后均不能使其抗拉强度明显回升。屈服强度的比较分析如图3.2所示。图3.2 6061型铝合金屈服强度的对比从图中看出，未经过任何热处理的试样（a10）的屈服强度最大，可见热处理会降低铝合金试样的屈服强度。比较a3、a6、a9三个试样可见，49540min的固溶处理使屈服强度降低的幅度最大，而55030min的最小。分别比较前两种固溶处理的三个试样可见，时效处理能够使铝合金试样的屈服强度回升，并且较低温度的时效处理回升的幅度较大。但相反的情况是55030min固溶处理的三个试样，它们经过双级时效处理后的屈服强度反而下降了，可见双级时效处理只能降低铝合金材料的

50、屈服强度。屈强比的对比分析如图3.3所示。图3.3 6061型铝合金屈强比的对比由图可知，未作热处理的试样（a10）的屈强比最低，它的可靠性是最差的，由此可见热处理方法可以提高铝合金试样的可靠性。从图中可以看出，a1、a4、a9试样的屈强比是最高的，因此，在经过热处理的试样中，采用较低温度一级完全时效的试样的屈强比较高一些，而双级时效会降低试样的屈强比，从而降低了试样的可靠性。延伸率的对比分析如图3.4所示。图3.4 6061型铝合金延伸率的对比由图看出，未经过任何热处理的试样（a10）的延伸率最低，即表明铝合金的锯齿形屈服效应最明显。由于其它试样的延伸率均比a10高一些，这就说明热处理工艺是

51、能够提高铝合金材料的延伸率，抑制其锯齿形屈服行为的。比较a3和a6，同样的固溶时间，固溶温度设在495比设在550铝合金试样的延伸率更高，因此，较低的固溶温度更有利于抑制铝合金材料的锯齿形屈服行为。比较a6和a9，同样的固溶温度下，固溶时间为40分钟的试样的延伸率比固溶时间为30分钟的试样的延伸率更低，由此可见，想要抑制材料的锯齿形屈服行为较长的固溶时间是不合适的。比较a7、a8、a9三个试样可以发现，双级时效处理能够提高试样的延伸率，这就是说在对铝合金材料进行时效处理时选择双级时效的方式更有利于抑制铝合金的锯齿形屈服行为。弹性模量的对比分析如图3.5所示。图3.5 6061型铝合金弹性模量的

52、对比弹性模量的特点与上文中屈服强度类似，在此不作赘述。硬化指数的对比分析如图3-6所示。图3.6 6061型铝合金硬化指数的对比由图可知，未作热处理的试样（a10）的硬化指数最大，材料的刚性最大，经过热处理的其它九个试样的硬化指数均比它小很多，说明对铝合金材料的热处理能够明显减小材料冷变形时的硬化程度，从而提高材料的加工性能。另外，从图中可以看出，a1、a2试样的硬化指数比a3试样小，a4、a5试样的硬化指数比a6试样的小，可见一级完全时效处理能够进一步减小铝合金材料的硬化指数，提高加工性能。一般来说，铝合金的锯齿形屈服行为会降低材料的延伸率4。而综合以上分析可得出结论：55030min固溶处理配合1702h + 1802h双级时效处理的热处理工艺方案(a8)的实验结果是最理想的，该种试样的抗拉强度与其它热处理试样相当，屈服强度、屈强比及弹性模量较低，延伸率最高，硬化指数中等，显然此方案对6061（T6状态）铝合金锯齿形屈服行为的影响最大，能较好的减弱锯齿形屈服效应对6061（T6状态）铝合金材料加工性能的不良影响。未做任何处理的试样（a10）的抗拉强度、屈服强度、弹性模量和硬化指数最高，屈强比最低，延伸率最小，加工性能较差，由此可见未处理的铝合金试样的锯齿形屈服行为对性能的不良影响