劉平禮，鄧玉臻，宋琳琳，劉文霞

（龍口市叢林鋁材有限公司，山東龍口265705）

6×××系擠壓型材力學性能的季節(jié)性變化

劉平禮，鄧玉臻，宋琳琳，劉文霞

（龍口市叢林鋁材有限公司，山東龍口265705）

采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計、布氏硬度測試、室溫拉伸力學性能、掃描電鏡等方法研究了6×××系擠壓型材力學性能的季節(jié)性變化行為。結果表明，型材的力學性能存在季節(jié)性變化，且這種變化是由夏季、冬季不同的自然時效效應引起的。根據(jù)實際情況適當調整時效制度可以減小型材力學性能的季節(jié)性波動，穩(wěn)定型材質量。

6×××系擠壓型材；季節(jié)性變化；自然時效；溶質原子團；GP區(qū)

0 前言

6系合金為熱處理可強化的Al-Mg-Si合金，因其具有密度低，中等強度，良好的鑄造性能、加工成型性能、焊接性能、抗腐蝕性能等優(yōu)勢而廣泛應用于軌道交通、汽車、船舶、城市建設等領域，如6005A、6082、6N01等合金，是制造高鐵、地鐵、輕軌等列車車體用的大型薄壁中空型材的良好材料[1～2]。

對于6系Al-Mg-Si合金，許多研究[3～5]表明其時效析出序列為：（過飽和固溶體）→Mg、Si、Mg-Si原子團→GP區(qū)→針狀相→桿狀相→相。GP區(qū)為溶質原子有序富集區(qū)，呈球形，直徑一般在1～2nm，與基體完全共格，有一定的強化作用；當時效溫度高于100℃時，析出的GP區(qū)開始回溶進基體或轉變?yōu)橄?。亞穩(wěn)相屬于單斜結構，一般呈針狀，與基體半共格，是Al-Mg-Si合金強度的主要承載者。在時效中后期，特別是高溫時效時，基體易析出亞穩(wěn)相和平衡相，并且發(fā)生粗化，因相和相強化作用不如相而使力學性能降低[3、6]。本課題研究的合金微合金化元素含量較少，合金化程度較低，但合金元素種類較多且Si含量過剩，所以時效硬化能力相對較強，時效初期形成的各種原子團趨于復雜，對時效析出特性影響較大。

夏季，在做6系型材室溫拉伸力學性能檢測時，發(fā)現(xiàn)型材試樣力學性能雖然滿足標準要求，但斷后延伸率偏低而強度偏高。通過查詢相關試驗記錄，發(fā)現(xiàn)6系合金夏季強度偏高延伸率偏低，而冬季強度偏低延伸率偏高，這種力學性能不穩(wěn)定的現(xiàn)象普遍存在于實際生產(chǎn)中，其波動性在冬、夏季節(jié)達到最大，也即季節(jié)性的環(huán)境溫度變化與6系型材的力學性能之間存在著某種聯(lián)系。所以，研究型材生產(chǎn)中季節(jié)性的環(huán)境影響及適時調整時效制度對保證其力學性能的穩(wěn)定性具有重要意義。

1 試驗方法

試驗型材為9000t擠壓機生產(chǎn)的M003型材，擠壓比為26，采用在線風淬的淬火方式。型材的化學成分如表1所示。

表1 M003型材的化學成分（質量分數(shù)／%）

擠壓型材在線淬火后截取小塊試樣模擬車間環(huán)境溫度停放不同時間，并進行布氏硬度測試。硬度測試在美國INSTRON CLB3型布氏硬度計上進行，壓頭直徑為5mm，試驗力為250kgf，加載時間為10s。停放不同時間后將試樣在空氣爐里進行人工時效。室溫拉伸力學性能在日本島津UH-F300型萬能試驗機上進行，試驗拉伸速率為20mm/min。拉伸斷口在德國蔡司EVO18型掃描電鏡下觀察，加速電壓為20kV。

2 試驗結果

2.1 力學性能統(tǒng)計規(guī)律

依據(jù)已有的檢測數(shù)據(jù)，我們匯總了從2013年5月至2015年8月之間的6系擠壓型材力學性能數(shù)據(jù)，并約定當年的5月至10月為夏秋季節(jié)，當年的11月至第二年的4月為冬春季節(jié)。圖1所示為6系擠壓型材的力學性能數(shù)據(jù)隨年份的變化關系圖，可以看出型材的抗拉強度、屈服強度和斷后延伸率（均為平均值）均分別高于270MPa、230MPa和11%，較好地滿足了標準要求，但每年夏秋季節(jié)的抗拉強度和屈服強度均高于冬春季節(jié)的數(shù)值，而延伸率的變化規(guī)律與之相反，這表現(xiàn)出了明顯的季節(jié)性波動規(guī)律。

圖1 6系型材的力學性能隨季節(jié)的變化圖

在生產(chǎn)工藝相對穩(wěn)定的情況下，型材的抗拉強度、屈服強度和斷后延伸率的變化情況均表現(xiàn)出了季節(jié)性的變化規(guī)律，也即夏季強度偏高而斷后延伸率偏低，冬季強度偏低而斷后延伸率偏高，這表明生產(chǎn)擠壓型材的車間環(huán)境溫度對型材的力學性能有一定影響[7～8]。

2.2 不同季節(jié)條件下的力學性能

在正常的生產(chǎn)條件下（即型材在線淬火后經(jīng)受一定的自然時效），M003型材分別在夏季、冬季進行不同溫度下的人工時效，其力學性能如表2所示。夏季，163℃×8h時效時，型材強度很高而延伸率極低；隨時效溫度降低，型材強度稍有降低，但延伸率有明顯改善。冬季，165℃×8h時效時，型材強度較低而延伸率較高；隨時效溫度升高，型材強度有所提高，延伸率稍有降低。不論冬季還是夏季，型材的屈強比和斷后延伸率之間存在著明顯的反相關關系，也即隨著屈強比的增大，斷后延伸率降低。另外，由調整時效制度可以看出，不同季節(jié)下的自然時效對擠壓型材的力學性能產(chǎn)生明顯的影響，且在165℃×8h人工時效制度的基礎上，夏季適當降溫時效，冬季適當升溫時效，都可以使型材獲得優(yōu)良的強塑性匹配。

表2 M003型材在不同季節(jié)時的力學性能

2.3 拉伸斷口掃描

圖2所示為M003型材在夏、冬季節(jié)時類似時效制度下的拉伸斷口形貌。夏季經(jīng)163℃×8h時效后型材斷口（圖2（a））呈現(xiàn)典型的冰糖狀形貌，同時分布著少量微細的沿晶韌窩，在撕裂棱處還可觀察到二次沿晶裂紋（圖2（a）黑色箭頭），屬于沿晶斷裂，因此塑性很差。而冬季165℃×8h時效的型材斷口（圖2（b））分布著許多細密、小而淺的韌窩，同時還觀察到一些撕裂棱，屬于韌窩型韌性斷裂和沿晶脆性斷裂的混合模式，塑性較好。不同季節(jié)下的M003型材斷口形貌與表2中的延伸率是相一致的。

圖2 M003型材不同季節(jié)條件下的拉伸斷口形貌

3 分析與討論

3.1 力學性能差異產(chǎn)生的實際條件

在擠壓型材的實際生產(chǎn)中，通常采用在線風冷的方式進行淬火，淬火線附近溫度相對較高。冬季室外溫度較低，車間散熱較快，所以車間溫度較室外稍高，可維持在0～10℃；而夏季室外溫度較高，車間散熱較慢，溫度較高，淬火線附近高達40℃以上，而且在線風淬的冷卻效果相對減弱，冬夏季之間存在較大的溫度差異及淬火強度差異。另外，型材出模后需進行拉伸矯直、切取性能試樣、低倍驗證、挑料和矯正等工序后才開始裝爐時效，這段時間一般不少于8h。這種冬夏季的溫度差、淬火強度差異和型材停放較長的時間為冬夏季型材力學性能的差異性提供了有利條件。

表3所示為冬夏季生產(chǎn)的M003型材表現(xiàn)出的自然時效硬化效應。由表3可知，不論是冬季還是夏季，M003型材都表現(xiàn)出了一定的自然時效響應，也即隨著型材停放時間的延長，型材硬度增加，而且在夏季，型材的自然時效響應速率更大，這與夏季擠壓型材的強度偏高、延伸率偏低存在著明顯的對應關系。

表3 M003型材自然時效的布氏硬度變化

3.2 自然時效對后續(xù)人工時效的影響

自然時效中Al-Mg-Si合金強度和硬度的增加源于GP區(qū)的強化作用。在淬火后，基體呈過飽和狀態(tài)，擁有大量的空位、位錯等缺陷，因而易形成Mg-V原子對和Si-V原子對[9]。隨著空位、位錯的運動，在自然時效2h左右，這些缺陷型原子對基本消失，取而代之的是大量的溶質原子團（Mg原子團、Si原子團或Mg-Si復合團簇），其中Mg-Si復合團簇占主導地位，且逐漸形成球形的GP區(qū)，并在后續(xù)的人工時效中轉變?yōu)橄郲10]。夏季（高于30℃）自然時效，與冬季（低于10℃）自然時效相比，基體能形成更多細小的溶質原子團、GP區(qū)，因而引起的強化作用也更好，這與表3中的硬度變化規(guī)律是一致的。

然而GP區(qū)是不穩(wěn)定的，在不同的條件下可發(fā)生粗化、轉變?yōu)槠渌鼇喎€(wěn)相或回溶進基體等行為。夏季氣溫較高，Al-Mg-Si合金自然時效響應較為強烈，基體析出大量的、尺寸較大的GP區(qū)，在人工時效中將成為相析出形核的質點，因省去了相形核孕育期而大大加快了人工時效進程。冬季氣溫較低，型材基體中雖析出了大量的溶質原子團、GP區(qū)，但因尺寸較小，未達到相的臨界形核尺寸，所以在人工時效時又大部分回溶，只有少部分稍大尺寸的GP區(qū)繼續(xù)長大，成為相的形核質點（如果自然時效時間較長，能成為相形核質點的GP區(qū)將增多），而大部分相的析出需經(jīng)過形核、長大的過程，因而大大延遲了人工時效進程[11～12]。這與生產(chǎn)實際是相符的。圖3所示為冬季同一擠壓機生產(chǎn)不同批次的不同型材（同種合金）在同一時效爐進行165℃×8h人工時效后的力學性能，從中可觀察到屈服強度隨自然時效時間的延長先降后升，延伸率的變化規(guī)律與之相反，這是因為自然時效時間短，鋁基體過飽和度大，有利于后續(xù)人工時效時強化相的析出，所以強度高。自然時效時間稍長，鋁基體中析出了大量的GP區(qū)，但大部分因尺寸較小不能直接轉變?yōu)橄喽厝埽泳彆r效進程，因而強度降低；自然時效繼續(xù)延長，GP區(qū)將逐漸長大，在后續(xù)人工時效時成為相形核質點的數(shù)量增多，因而強度又稍有升高。

圖3 型材經(jīng)不同自然時效后在165℃×8h人工時效的力學性能

正是由于上述自然時效溫度、時間的差異使合金基體中析出的GP區(qū)發(fā)生了強化相轉變或回溶行為，而后進行人工時效，合金的析出特性才出現(xiàn)了新的變化，而且這種變化與6系擠壓型材不同季節(jié)的力學性能變化規(guī)律（圖1）是一致的。

3.3 解決力學性能季節(jié)性波動的措施

由于自然時效改變了合金的人工時效析出特征，加快或延緩了時效進程，所以只有抑制自然時效或消除自然時效的影響才能從根本上解決型材力學性能的季節(jié)性波動問題。抑制自然時效就需要使型材所處的溫度極低，使從淬火到入爐進行人工時效的時間最短，但這在企業(yè)實際生產(chǎn)條件下是很難實現(xiàn)的且不實際的，因此必須采取工藝措施減小甚至消除自然時效的影響。

冬季，M003型材經(jīng)過2天的自然時效（已進行一定程度的自然時效）后在165℃進行人工時效，其時效硬化曲線如圖4所示。型材的布氏硬度隨時效時間的延長先迅速增加，然后緩慢增加，最后基本穩(wěn)定，穩(wěn)定時的布氏硬度約為100 HB。型材在時效20 h左右時達到峰時效，時效8 h時型材處于欠時效狀態(tài)，因此可以通過調整時效制度來調節(jié)力學性能。適當提高時效溫度或延長時效時間可以提高型材強度，適當降低時效溫度或縮短時效時間可以降低型材強度，從而在夏季、冬季保持型材力學性能的穩(wěn)定性。

圖4 冬季M003型材在165℃的時效硬化曲線

另外，型材在儲存時存在一個使力學性能降低的自然時效時間段，這種現(xiàn)象可稱為“自然時效陷阱”。在冬季，這個時間段約為型材淬火后的10～20 h范圍內，但在夏季時情況將有所不同。因為夏季車間溫度較高，淬火強度效果減弱，自然時效效應較強，人工時效相轉變的孕育期變短，“自然時效陷阱”現(xiàn)象將會弱化，甚至消失[8]。因此，在冬季調整時效制度時應注意特殊控制，最好能避開這個時間段，以免型材力學性能波動過大。

4 結論

（1）6×××擠壓型材的力學性能呈現(xiàn)季節(jié)性變化規(guī)律，也即夏季強度偏高而斷后延伸率偏低，冬季強度偏低而斷后延伸率偏高。

（2）6×××擠壓型材力學性能的季節(jié)性變化主要是由自然時效效應引起的。夏季車間溫度高，自然時效效應強，基體中析出大量尺寸較大的GP區(qū)，成為相析出形核的質點，加快了時效進程，促進了強度提高。冬季車間溫度低，自然時效效應弱，基體中析出的大量GP區(qū)因尺寸較小而在人工時效時回溶，延緩了時效進程，導致型材強度偏低。

（3）為保證型材力學性能的穩(wěn)定性，夏季宜適當降低時效溫度或縮短時效時間，冬季宜適當升高時效溫度、延長人工時效時間或避開“自然時效陷阱”時間段。

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熱處理鋁合金及其生產(chǎn)工藝

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本發(fā)明推薦一種用連續(xù)鑄造方法生產(chǎn)鋁合金的工藝，以及飲料罐用板材合金的新成分。合金含(質量分數(shù)，%)：Mg0.9～1.5、Mn0.8～1.2、Cu0.05～0.5、Fe0.05～0.5、Si0.05～0.5。板材生產(chǎn)工藝包括：熔體連續(xù)鑄造成鑄帶；鑄帶或者感應加熱到熱軋溫度，或者局部熱軋之后加熱到高于鑄造結束溫度6～25℃，以使鑄帶連續(xù)再結晶(冷軋階段之后)；熱軋成變形帶材；帶材中間冷軋；在370～565℃的感應爐中中間退火；冷軋成成品帶材。還可將帶材進行補充穩(wěn)定退火，以獲得要求的力學性能。

半固態(tài)鑄造、熱處理及變形鋁合金

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本發(fā)明推薦一種Al-Si合金坯料的生產(chǎn)方法。合金坯料要經(jīng)過熱處理以使其枝晶組織轉變?yōu)榍驙罱M織，然后進行半固態(tài)變形以獲得所需形狀的制品。在液相和固相溫度間以5～100℃/s速度凝固時，含有枝晶組織的制品的晶粒尺寸達到20～250MKM。以大于30℃/min的加熱速度將具有枝晶組織的制品加熱到高于合金固相線溫度3～50℃，就可以將其處理成球狀或無枝晶組織的制品。最后，將具有球狀或無枝晶組織的制品半固態(tài)成形為所需形狀的制品。

鋁熔渣的再加工方法

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本發(fā)明涉及的鋁熔渣再加工方法包括：在堿和/或堿土金屬鹵化物共晶體基礎上形成電爐反應物體；建立在反應物體內達到礦石熔煉的加熱制度；裝入鋁熔渣并析出反應物體內的金屬。熔煉在950～1500℃下有固態(tài)化合物還原的情況下進行。在這種情況下，利用冰晶石和鹵化鈣作為堿和/或堿土金屬，利用鋁電解槽的石墨電極細小磨碎料作為碳還原劑。這樣，本發(fā)明所推薦的鋁熔渣再加工方法就可以還原鹽鋁熔渣中的氧化物相，并析出其中的金屬。

Al-Li-Sc熱軋板制備工藝

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本專利介紹了一種可焊、高強、各向同性Al-Li合金熱軋板的制備工藝。該合金鑄坯的成分構成（質量分數(shù)，%）為：Li(1.5～3.0)，Cu(1.0～4.0)，Sc(＞0.2～10.0)，Si(0.03～1.0)，F(xiàn)e(0.03～1.0)，Mn(0.05～1.0)，Mg(0.05～1.0)，Zn(0.05～1.0)，Zr (0.01～1.0)，Ti(0.05～1.0)，其他雜質總和小于2.0，余量為鋁。其生產(chǎn)工藝主要包括：（1）將鑄坯升溫到局部晶粒細化溫度；（2）將上述鑄坯至少在較低的熱加工狀態(tài)下加工成半成品；（3）對半成品進行再結晶處理，加工成再結晶狀態(tài)半成品；（4）對再結晶狀態(tài)半成品進行熱加工；（5）對上工序熱加工產(chǎn)品進行固溶熱處理、淬火和時效處理。

Study on Seasonal Variation of Mechanical Properties for 6×××Extruded Profiles

LIU Ping-li，DENG Yu-zhen，SONG Lin-lin，LIU Wen-xia
(Longkou Conglin Aluminum Co.，Ltd.，Longkou 265705，China)

Seasonal variation of mechanical properties for 6×××profiles was investigated by means of data statistics,Brinell hardness testing,tensile testing at ambient temperature and scanning electron microscopy.The results showed that the mechanical properties of 6×××extruded profiles varied with the season,which resulted from different natural ageing effects of summer and winter.Seasonal variation of mechanical properties of 6×××profiles would be weaken,even eliminated by appropriately adjusting ageing system ac?cording to the actual situation.

6×××extruded profiles；seasonal variation；natural ageing；solute clusters；GP zones

TG146.21，TG379

A

1005-4898(2017)02-0053-06

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.02.11

劉平禮（1987-），男，河南信陽人，碩士研究生、材料工程專業(yè)。

2016-10-08