陳　敬，陳江華，劉春輝，賴(lài)玉香，顧　媛

(湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082)

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通過(guò)形變時(shí)效工藝同時(shí)提高Al-Mg-Si-Cu合金強(qiáng)度和電導(dǎo)率*

陳敬，陳江華，劉春輝，賴(lài)玉香，顧媛

(湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082)

摘要：鋁是一種優(yōu)良的導(dǎo)電材料，但由于強(qiáng)度低，其應(yīng)用受到很大限制。隨著鋁在電力工業(yè)中應(yīng)用逐漸增加，近年來(lái)，越來(lái)越多的工作致力于提高鋁的導(dǎo)電率與強(qiáng)度的綜合性能。通過(guò)改變傳統(tǒng)T6時(shí)效工藝順序發(fā)明一種同時(shí)顯著提高Al-Mg-Si-Cu合金導(dǎo)電率和強(qiáng)度的形變時(shí)效工藝。本文采用顯微硬度測(cè)量，導(dǎo)電率測(cè)試以及透射電鏡(TEM)微觀結(jié)構(gòu)表征研究了形變時(shí)效工藝與傳統(tǒng)T6時(shí)效工藝制備的材料在綜合性能和微觀組織上的差異。軋制變形引入的位錯(cuò)在后續(xù)時(shí)效過(guò)程調(diào)控析出，析出相形貌的改變是導(dǎo)電率相對(duì)T6工藝提高的原因，而殘留位錯(cuò)可提高材料強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：鋁合金；導(dǎo)電率；強(qiáng)度；位錯(cuò)；析出相

0引言

鋁在電器制造工業(yè)、電線電纜工業(yè)和無(wú)線電工業(yè)中有廣泛的用途。在鋁材料中商業(yè)純鋁擁有最高的導(dǎo)電率，大約為62%IACS(國(guó)際退火銅標(biāo)準(zhǔn))，然而它的抗拉強(qiáng)度僅僅只有160 MPa左右，這使得它的應(yīng)用受到很大限制[1-2]。為了提高鋁材料在電力相關(guān)行業(yè)中的應(yīng)用，我們必須在保證它優(yōu)良的導(dǎo)電性能的情況下，盡可能地提高強(qiáng)度。早期的工作者通過(guò)合金化來(lái)提高強(qiáng)度，比如添加Mg和Si元素形成的Al-Mg-Si系合金[2]。雖然合金強(qiáng)度獲得了一定的提升，但是金屬的導(dǎo)電性能對(duì)于其微觀結(jié)構(gòu)很敏感。溶質(zhì)原子、晶格自振動(dòng)和缺陷都會(huì)成為電子運(yùn)動(dòng)的散射源，阻礙電子的運(yùn)動(dòng)，從而使鋁合金的導(dǎo)電性能下降。然而這些缺陷以及溶質(zhì)原子所誘導(dǎo)的位錯(cuò)強(qiáng)化，細(xì)晶強(qiáng)化，固溶強(qiáng)化以及析出強(qiáng)化對(duì)于合金材料強(qiáng)度的提高是非常重要。這似乎使高強(qiáng)和高導(dǎo)同時(shí)存在成為了矛盾體。近一二十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員主要是通過(guò)改變鋁合金成份提高綜合性能[3-4]，這些都是通過(guò)對(duì)材料本身合金成分做一定的調(diào)控或過(guò)時(shí)效鋁合金來(lái)提高其導(dǎo)電率，而鋁合金僅僅通過(guò)傳統(tǒng)T6時(shí)效工藝來(lái)獲得的綜合性能提高非常有限。

最近，一種結(jié)合形變和時(shí)效的工藝成功應(yīng)用到改善鋁合金的力學(xué)性能上[5-6]，本工作基于這種思想，通過(guò)改變傳統(tǒng)T6時(shí)效工藝的順序開(kāi)發(fā)一種同時(shí)提高合金導(dǎo)電率和強(qiáng)度的形變時(shí)效工藝，探究冷軋后直接時(shí)效對(duì)Al-Mg-Si-Cu合金硬度和導(dǎo)電率的影響，并通過(guò)顯微結(jié)構(gòu)表征研究了不同工藝性能差異的原因。新開(kāi)發(fā)的工藝可以很容易的在現(xiàn)有的鋁合金加工設(shè)備上實(shí)施，不添加額外的成本。另外，本方法可以應(yīng)用到其它時(shí)效硬化性鋁合金和加工方法中，比如拉拔和擠壓等。

1實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用材料為熱軋5 mm厚度的Al-Mg-Si-Cu合金板材，合金成分為Al-1.0Mg-0.5Si-0.8Cu(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)。我們采用了2種熱加工工藝，流程圖如圖1所示。

圖1　熱加工工藝流程圖

Fig 1 Schematic illustration of thermo-mechanical processing schedules

圖1(a)所示為傳統(tǒng)T6熱加工工藝流程圖。傳統(tǒng)工藝流程首先是將5 mm厚度的板材在室溫下進(jìn)行冷

軋至2 mm，軋制每道次變形量為10%，總變形量為60%，再線切割成15 mm×15 mm×2 mm的試樣，試樣經(jīng)560 ℃固溶處理30 min后，立即在室溫下水淬，隨后在油浴爐中進(jìn)行180 ℃人工時(shí)效處理。圖1(b)所示即為新開(kāi)發(fā)的形變時(shí)效工藝加工流程圖。新工藝流程首先是將5 mm厚度的板材進(jìn)行560 ℃固溶處理30 min，立即在室溫水淬，隨后在油浴爐中進(jìn)行180 ℃人工時(shí)效5 h(時(shí)效時(shí)間為傳統(tǒng)工藝合金硬度峰值點(diǎn))，隨后將5 mm厚度板材在室溫下分別軋制到4，3和2 mm，每道次變形量同樣是10%，總變形量分別為20%，40%，60%，再統(tǒng)一線切割成15 mm×15 mm×2 mm的試樣，試樣最后在油浴爐中進(jìn)行180 ℃人工時(shí)效處理。為了對(duì)比兩個(gè)工藝獲得的綜合性能差異，當(dāng)硬度值降到110 HV左右時(shí)，實(shí)驗(yàn)停止。硬度測(cè)試是采用HXD-1000T Vickers硬度試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同時(shí)效工藝樣品進(jìn)行硬度測(cè)試，除去最大值和最小值求平均值。樣品的電導(dǎo)率測(cè)量是采用D60K電導(dǎo)率儀，樣品在測(cè)試之前都經(jīng)過(guò)拋光處理。對(duì)于微觀結(jié)構(gòu)的表征，采用JEOL JEM-3010透射電鏡(TEM)，操作電壓為200 kV。采用標(biāo)準(zhǔn)電解雙噴的拋光方法制備TEM觀察試樣，電解液為25%硝酸+75%甲醇(體積分?jǐn)?shù))，電壓15～20 V，溫度維持在約-25 ℃。

2結(jié)果與討論

2.1不同加工工藝制備合金的硬度和電導(dǎo)率對(duì)比

圖2顯示的是合金通過(guò)兩種加工工藝制備合金的電導(dǎo)率和硬度隨時(shí)效時(shí)間增加的函數(shù)關(guān)系曲線。曲線上的每一個(gè)點(diǎn)代表試樣在同一時(shí)效時(shí)間的硬度和電導(dǎo)率測(cè)量值，從圖2中，可以輕易的看到當(dāng)曲線處在坐標(biāo)系的右上方時(shí)，代表合金在這種加工工藝下?lián)碛懈玫木C合性能。首先看傳統(tǒng)工藝電導(dǎo)率和硬度函數(shù)關(guān)系曲線，傳統(tǒng)工藝時(shí)效時(shí)間為72 h時(shí)硬度值110.3 HV，電導(dǎo)率為51.2%IACS。在傳統(tǒng)T6時(shí)效工藝中，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，硬度值隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)先上升后下降，而電導(dǎo)率始終保持上升的趨勢(shì)。在傳統(tǒng)的Al-Mg-Si-Cu合金時(shí)效中，經(jīng)過(guò)固溶和淬火后立即進(jìn)行人工時(shí)效，其時(shí)效析出序列一般為：SSSS→Clusters/GP-zones→β″，L/Q″→Q′/β′→Q，其中SSSS代表過(guò)飽和固溶體[7-10]。Al-Mg-Si-Cu合金中β″針狀析出相為基體中的主要強(qiáng)化相，硬度呈現(xiàn)先上升是由于溶質(zhì)原子聚集形成更多β″針狀析出相的結(jié)果。隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，β″針狀析出相粗化或向后序相轉(zhuǎn)變而使硬度下降。根據(jù)硬度的變化可以推測(cè)，溶質(zhì)原子隨著時(shí)間的延長(zhǎng)聚集程度越來(lái)越高，析出相引起的基體應(yīng)變逐漸減小，電子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中散射概率下降從而使得電導(dǎo)率呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢(shì)[1]。而相比于傳統(tǒng)T6時(shí)效工藝，無(wú)論預(yù)變形量是20%，40%或者60%，新的形變時(shí)效工藝在綜合性能方面獲得明顯的提升。而且，隨著變形量的增加，綜合性能也依次遞升。變形量為20%，40%和60%的新工藝后續(xù)人工時(shí)效時(shí)間均為12h時(shí)的硬度值和電導(dǎo)率分別為：(109 HV，53.4%IACS)，(111.4 HV，53.63%IACS)，(110 HV，53.9% IACS)。從圖中可以看出，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，它們的硬度值都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，電導(dǎo)率均保持上升的趨勢(shì)。根據(jù)新工藝中預(yù)時(shí)效為180 ℃×5 h，其為傳統(tǒng)時(shí)效工藝中硬度峰值時(shí)效時(shí)間點(diǎn)，正如前述，此時(shí)基體中主要強(qiáng)化相為β″針狀相，而軋制引入了大量的位錯(cuò)提供的位錯(cuò)強(qiáng)化使得合金硬度明顯提升，這也就是新工藝制備合金硬度相比傳統(tǒng)T6時(shí)效更高的主要原因。在后續(xù)的人工時(shí)效過(guò)程中，無(wú)論變形量為多少，基體中的β″針狀相會(huì)向后序相進(jìn)行轉(zhuǎn)變并不同程度的粗化，同時(shí)由軋制變形引入的位錯(cuò)也會(huì)發(fā)生一定程度的退化，這也就使得硬度一直呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，而析出相的微觀結(jié)構(gòu)演變同時(shí)使得電導(dǎo)率保持上升的趨勢(shì)。對(duì)比兩種工藝，在相近110 HV左右，無(wú)論變形量為多少，新工藝制備合金電導(dǎo)率都有一個(gè)顯著的提升，而且，隨著變形量的增加，綜合性能同時(shí)呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

圖2采用兩種制備工藝加工的Al-Mg-Si-Cu合金電導(dǎo)率和硬度的關(guān)系曲線

Fig 2 The synergy of electrical conductivity and hardness in Al-Mg-Si-Cu alloys processed by T6 temper and our new method

2.2不同加工工藝制備合金的顯微結(jié)構(gòu)差異

為了解釋新工藝在綜合性能提升的機(jī)理以及隨著變形量增加綜合性能提升的原因，我們選取如圖2中紅圈所標(biāo)識(shí)的幾個(gè)時(shí)效時(shí)間點(diǎn)樣品進(jìn)行TEM微觀結(jié)構(gòu)表征。在這4個(gè)時(shí)效時(shí)間點(diǎn)合金硬度都接近110HV，而電導(dǎo)率有著不同程度的差別，TEM觀察方向均為[001]Al。

對(duì)于形變時(shí)效結(jié)合制備的樣品，在180 ℃后續(xù)時(shí)效12 h后基體中的位錯(cuò)形貌圖如圖3所示。隨著軋制變形量的增加，基體中引入的位錯(cuò)含量增加，經(jīng)過(guò)軋制變形后的試樣經(jīng)過(guò)后續(xù)時(shí)效后，軋制變形引入的位錯(cuò)仍然有一定量的殘留。而且隨著變形量增加，經(jīng)歷同樣退火條件后，基體中殘留位錯(cuò)纏結(jié)程度有所增加。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)隨著軋制變形量的增加，材料強(qiáng)化效果得到不斷提升，然而位錯(cuò)對(duì)金屬電導(dǎo)率的影響卻有所不同，對(duì)于大塊金屬，只有當(dāng)溫度小于100 K時(shí)，位錯(cuò)才會(huì)對(duì)電子散射有一定作用[11-12]，否則微乎其微[13-16]，然而位錯(cuò)卻會(huì)強(qiáng)化材料。相比于位錯(cuò)對(duì)電導(dǎo)率的影響，溶質(zhì)原子在基體中存在的形式對(duì)金屬導(dǎo)電率的影響很大[17]，對(duì)于Al-Mg-Si-Cu析出強(qiáng)化型合金，為了揭示新工藝相比于傳統(tǒng)T6工藝可以同時(shí)提升導(dǎo)電率和硬度的機(jī)理，需要從其析出的差別出發(fā)。

圖4即為采用傳統(tǒng)T6工藝和變形量不同的新工藝制備樣品經(jīng)后續(xù)時(shí)效后基體中析出相的TEM圖像。

圖3采用不同變形量的形變時(shí)效工藝制備的Al-Mg-Si-Cu合金經(jīng)后續(xù)180 ℃時(shí)效12 h后位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的TEM圖片

Fig 3 TEM images of the dislocation structures in Al-Mg-Si-Cu alloy subjected to subsequent ageing at 180 ℃ after cold-rolling with different thickness reductions

圖4采用傳統(tǒng)工藝和時(shí)效變形工藝制備的Al-Mg-Si-Cu合金經(jīng)后續(xù)180 ℃時(shí)效不同時(shí)間的樣品沿[001]Al取向觀察的TEM圖像

Fig 4 The TEM images of the Al-Mg-Si-Cu alloys subsequently aged at 180 ℃ after treatment by traditional T6 temper and our new method

傳統(tǒng)T6工藝過(guò)時(shí)效樣品的TEM析出形貌圖如圖4(a)所示，由圖中可以觀察到針狀相和板條相兩種不同類(lèi)型的析出相，其截面分別在圖中以實(shí)線黑箭頭和白箭頭所示，其側(cè)面分別以虛線黑箭頭和白箭頭所示。對(duì)比圖4(a)和(b)可知新工藝預(yù)變形量為20%并后續(xù)時(shí)效的樣品中的析出相發(fā)生了明顯的粗化，主要為桿狀析出相。根據(jù)前述，溶質(zhì)原子在基體中以什么形式存在很大程度上會(huì)影響金屬的電導(dǎo)率，析出相的粗化使得溶質(zhì)原子越發(fā)聚集而對(duì)電子散射概率下降，從而使得電導(dǎo)率提高。圖4(c)和(d)分別為軋制變形量為40%和60% 樣品中析出相的TEM形貌圖，對(duì)比圖4(b)，可以更加明顯的發(fā)現(xiàn)，隨著變形量的增加，析出相又有了進(jìn)一步粗化。相應(yīng)的，隨著變形量增加，電導(dǎo)率逐步上升。比較圖4(c)和(d)，軋制變形量增加到60%后，析出粗化程度已經(jīng)較為接近，而且這兩個(gè)時(shí)效時(shí)間點(diǎn)樣品的電導(dǎo)率值也較為接近。另外，形變時(shí)效結(jié)合處理的樣品中存在缺陷引入的應(yīng)力場(chǎng)(如圖4(b)-(d)中的黑色陰影)且隨形變量增大而變多，這些時(shí)效后殘留的缺陷可以提高鋁合金的強(qiáng)度。

綜上所述，新工藝相比于傳統(tǒng)T6工藝，在接近的硬度值時(shí)，電導(dǎo)率有較大的提升。這是由于新工藝通過(guò)軋制引入位錯(cuò)作為一種有效強(qiáng)化機(jī)制，而位錯(cuò)對(duì)于大塊金屬在室溫下對(duì)電導(dǎo)率的影響相比于溶質(zhì)原子可以忽略。形變引入的位錯(cuò)等缺陷可以改變析出相的形態(tài)，大幅度粗化析出相來(lái)進(jìn)而減少溶質(zhì)原子對(duì)電子散射概率提高電導(dǎo)率。位錯(cuò)強(qiáng)化可以彌補(bǔ)由于析出相的粗化而下降的那部分強(qiáng)度，這樣新工藝相比于傳統(tǒng)T6工藝在硬度相近的情況下，電導(dǎo)率有明顯提升。而對(duì)于新工藝中軋制變形量提升，綜合性能不斷提升的原因是由于隨著變形量的增加，在材料中預(yù)制的位錯(cuò)含量增加，位錯(cuò)不僅具有強(qiáng)化效果，而且位錯(cuò)在退火過(guò)程作為溶質(zhì)原子的擴(kuò)散通道加快析出的粗化速率。所以在經(jīng)歷相同退火時(shí)間，當(dāng)變形量為60%時(shí)，析出相的粗化更加明顯，電導(dǎo)率值也最高。變形量越大，退火后殘留的位錯(cuò)越多，析出相粗化更明顯，綜合性能越好。

3結(jié)論

(1)通過(guò)改變傳統(tǒng)T6時(shí)效工藝順序發(fā)明一種同時(shí)顯著提高Al-Mg-Si-Cu合金導(dǎo)電率和強(qiáng)度的形變時(shí)效工藝。軋制變形引入的位錯(cuò)在后續(xù)時(shí)效過(guò)程調(diào)控析出，析出相的粗化程度明顯更高，繼而使得溶質(zhì)原子更加聚集電子散射的概率減小，析出相形貌的改變是導(dǎo)電率相對(duì)T6工藝提高的原因，而殘留位錯(cuò)可提高材料強(qiáng)度。

(2)Al-Mg-Si-Cu合金傳統(tǒng)T6時(shí)效工藝處理后期主要析出針狀和桿狀兩類(lèi)析出相，而形變時(shí)效工藝制備鋁合金在時(shí)效后主要析出桿狀析出相，且隨預(yù)變形量的增加，析出相粗化程度加大。位錯(cuò)強(qiáng)化可以彌補(bǔ)由于析出相的粗化而下降的那部分強(qiáng)度，這樣新工藝相比于傳統(tǒng)T6工藝在硬度相近的情況下，電導(dǎo)率有明顯提升。

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Simultaneously improvingstrength and electrical conductivity in Al-Mg-Si-Cu alloy by combined deformation and aging

CHEN Jing, CHEN Jianghua, LIU Chunhui, LAI Yuxiang, GU Yuan

(College of Materials Science and Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China)

Abstract:Application of Al as an excellent conductor is restricted due to its low strength. With the increasing attention on Al in electric power industry, a variety of strategies have been proposed to obtain a better comprehensive property of electrical conductivity and strength. In this work, a combined deformation and ageing method, through which a simultaneous improvement in strength and electrical conductivity is achieved in Al-Mg-Si-Cu alloy, is developed by changing the sequence of traditional T6 temper. The differences in comprehensive property and microstructure between the T6 treated alloy and the one treated by our method are investigated by micro-hardness measurement, electrical conductivity test and transmission electron microscopy(TEM). The dislocations introduced by cold-rolling could tune the precipitation during subsequent ageing. The coarsened precipitates contribute to the enhancement in electrical conductivity while the retained dislocations increase the hardening potential of the alloys.

Key words:Al alloy; electrical conductivity; strength; dislocation; precipitate

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.02.028

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TG113；TM241

作者簡(jiǎn)介：陳敬(1990-)，男，江西撫州人，在讀碩士，師承陳江華教授，從事有色金屬材料研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2009CB623704)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51171063)；湖南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(2009-70)

文章編號(hào)：1001-9731(2016)02-02139-04

收到初稿日期：2015-03-15 收到修改稿日期：2015-06-20 通訊作者：劉春輝，E-mail: chliu@hnu.edu.cn