張新宇 ，陳金生，祖立成，張 偉

(1.天津忠旺科技有限公司，天津 301700；2.遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

6061鋁合金作為Al-Mg-Si合金系的一種，由于具有密度小、比強度高、良好的加工性能與可熱處理強化等優(yōu)點，而被廣泛應用于交通運輸、半導體精密設備等領域[1-3]。對比鍛造擠壓等普通成型方式，軋制具有金屬塑性高能耗低、大壓下量改善鑄錠內(nèi)部缺陷等優(yōu)點[4]。在實際生產(chǎn)過程中，6061鋁合金板材主要通過輥底爐高溫固溶處理后水冷淬火來獲得過飽和固溶體，進而在后續(xù)時效過程中析出大量彌散強化相以提高板材綜合性能。但在水淬冷卻過程中，板材表層向心部方向會存在一定的溫度梯度，產(chǎn)生淬火殘余應力，在后續(xù)加工過程中存在發(fā)生開裂進而影響其加工與疲勞腐蝕等性能的風險[5]。因此在淬火工序完成后，一般會對板材進行一定量的預拉伸或振動時效等工藝消除淬火殘余應力[6]。

范寧等[7]人研究發(fā)現(xiàn)預拉伸工藝的加入可協(xié)調(diào)7055鋁合金厚板各部分塑性變形的行為從而達到消除淬火殘余應力的效果；王淑慧等[8]人研究發(fā)現(xiàn)7A55鋁合金在固溶淬火后施加2%的預拉伸應變后表面殘余應力基本消除；王東輝等[9]人研究發(fā)現(xiàn)在6101B鋁合金中添加適當?shù)念A拉伸可促進第二相的析出，從而增強合金的強度與電導率。

目前，較多預拉伸研究主要針對于變形量為5%以內(nèi)，對于超大預拉伸變形的研究極少。本文以6061鋁合金中厚板為研究對象，系統(tǒng)分析不同預拉伸變形量下板材時效強化性能及組織變化情況，為實際生產(chǎn)提供理論基礎。

1 實驗材料和試驗方法

本次實驗所用材料為5.7mm厚6061鋁合金冷軋板材，其化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)為，Si 0.66，F(xiàn)e 0.48，Cu 0.24，Mn 0.10，Mg 1.11，Cr 0.25，Ti 0.02，Al余量。對板材進行580℃/40min固溶處理，室溫水冷淬火，之后于室溫條件下放置144h;然后按照，第一組預拉伸量變形量0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%；第二組預拉伸量變形量6.0%、8.0%、10.0%、12.0%、14.0%、16.0%、18.0%、20.0%，對板材進行處理;最后經(jīng)170℃/12h人工時效處理后對板材的各項性能進行分析測試。

參照GB/T 16865-2013標準進行預拉伸試驗及室溫力學性能測試試樣制備，設備選用ZWICK Z100型萬能測試機，拉伸速率選擇2.5mm/min，取2根平行試樣的力學性能結果平均值作為試驗有效結果。電導率測試采用德國菲希爾SMP10型渦流電導率儀，測試溫度為25.7℃。金相觀察采用Zeiss Axio Vert.A1型光學顯微鏡，對板材縱截面取樣并制備金相試樣，經(jīng)陽極覆膜處理后在偏振光模式下觀察晶粒尺寸。采用Zeiss EVO- 18- BU型鎢燈絲掃描電子顯微鏡，對板材拉伸前后的第二相分布情況進行分析。

2 試驗結果

2.1 常溫力學性能

不同預拉伸變形量下6061鋁合金板材力學性能測試結果如圖1所示。當預拉伸變形量為0.5%～2.5%時，6061鋁合金板抗拉強度與屈服強度隨著預拉伸變形量的增加呈不斷下降的趨勢；當預拉伸變形量為2.5%～16%時，6061鋁合金板抗拉強度與屈服強度隨預拉伸變形量的增加呈線性上升趨勢，其抗拉強度線性擬合方程為，σ=3.34ε+307.88；式中，σ為抗拉強度，MPa；ε為預拉伸變形量，%。

圖1 不同預拉伸變形量下6061鋁合金板材力學性能Fig.1 Mechanical properties of 6061 aluminum alloy sheets under different pre-stretching deformation

6061作為Al-Mg-Si系時效強化型鋁合金的一種，在變形過程中，合金強度的高低主要取決于Mg、Si相的存在形式、體積分數(shù)與粒徑尺寸等。在本試驗過程中，隨著預拉伸變形量的增加，基體中不斷引入了大量位錯，當預拉伸變形量為16%時，力學性能達到峰值，此時抗拉強度、屈服強度與延伸率分別為359.76MPa、346.73MPa與12.74%。板材中位錯的存在可加速6061鋁合金中Mg、Si、Cu等溶質(zhì)原子的擴散，一般Al-Mg-Si系鋁合金時效析出順序為，α過飽和固溶體- GP區(qū)- β″- β′- β(Mg2Si)，位錯的引入可促進基體內(nèi)部大量時效強化相的析出與長大。由圖1可知，當預拉伸變形量為0.5%～2.5%時，板材內(nèi)部位錯增加的同時造成析出相不斷粗化，即析出相粒徑尺寸增大，所以此時力學性能會有所降低[10]；但隨著預拉伸變形量的不斷增加，合金的變形儲能增加，組織轉(zhuǎn)變驅(qū)動力也在增大，析出相體積分數(shù)不斷增加，則會導致力學性能呈線性上升。

2.2 電導率

圖2為不同預拉伸變形量下6061鋁合金板材電導率變化情況。由圖可知，隨預拉伸變形量的增加，電導率呈波動式上升。鋁合金板材電導率的高低與其第二相的析出狀態(tài)、溶質(zhì)濃度及晶界析出相的尺寸與分布密切相關。在本試驗過程中，隨著預拉伸變形量的不斷增加，電導率不斷上升。與原始6061板材相比，預拉伸變形量為16%時，電導率提高1.41%IACS。這是因為在預拉伸過程中基體內(nèi)引入大量位錯的同時會伴隨著時效強化相析出，此時需要吸收大量的溶質(zhì)原子，在性能提高的同時也伴隨著基體固溶度的降低，導致基體內(nèi)部溶質(zhì)原子濃度降低，晶格畸變程度不斷減小，電子散射源數(shù)量減少，對自由電子的散射減弱[9]，因此6061板材電導率呈波動式上升態(tài)勢。

圖2 不同預拉伸變形量下6061鋁合金板材電導率Fig.2 Conductivity of 6061 aluminum alloy sheets under different pre-stretching deformation

2.3 金相組織

圖3為不同預拉伸變形量下6061鋁合金板材縱截面陽極覆膜圖像。由圖可知，6061鋁合金板材經(jīng)預拉伸時效后縱截面晶粒主要沿軋制方向呈纖維狀分布。通過對比晶粒度可知，縱向晶粒平均截距從36.72μm降至32.99μm。

圖3 不同預拉伸變形量下6061鋁合金板縱截面陽極覆膜圖像Fig.3 Longitudinal cross-sectional anode film images of 6061 aluminum alloy sheets under different pre-stretching deformation

圖4為不同預拉伸變形量下6061鋁合金板材厚度變化規(guī)律情況。隨預拉伸變形量的增加，板材試樣長度變長，厚度減小，當預拉伸量為16%時板材發(fā)生頭部局部斷裂，拉伸試樣厚度值與預拉伸變形量呈線性關系，T=-2.99ε+5.74；式中，T為試樣厚度，mm；ε為預拉伸變形量，%。從厚度變化曲線可知本次試驗樣品相當于冷軋最大加工率為8.41%，因其整體加工率相對較小，所以晶粒呈遞減變化規(guī)律現(xiàn)象不太明顯。

圖4 不同預拉伸變形量下6061鋁合金板厚度變化規(guī)律Fig.4 Thickness variation of 6061 aluminum alloy sheets under different pre-stretching deformation

2.4 第二相分析

圖5為不同預拉伸變形量下6061鋁合金板材富鐵相分布情況。由圖可知，當預拉伸變形量低于4.0%時，沿軋制方向分布少量塊狀α-AlFe(MnCr)Si相與點狀的α-AlFeSi(Cr)相。這是因為在Al-Mg-Si系鋁合金中由于雜質(zhì)元素Fe的存在，鑄錠內(nèi)部沿晶界析出大量β-Al5FeSi相。當6061板材經(jīng)過軋制固溶后，伴隨著β-Fe相發(fā)生相轉(zhuǎn)變與破碎，沿晶界會出現(xiàn)大量點狀的α-Fe相。當預拉伸變形量大于8.0%時，基體內(nèi)存在較多的α-Fe相釘扎在晶界處，可有效抑制熱處理后晶粒長大并提高其板材力學性能。

圖5 不同預拉伸變形量下6061鋁合金板材富鐵相分布情況Fig.5 Distribution of iron-rich phases in 6061 aluminum alloy sheets under different pre-stretching deformation

3 結論

(1)5.7mm 6061鋁合金冷軋板材最佳熱處理加工工藝為，560℃/40min固溶+4%預拉伸+170℃/12h人工時效，可在保持其力學性能情況下改善板型。

(2)當預拉伸變形量大于2.5%時，6061鋁合金板材抗拉強度隨預拉伸變形量的增加呈線性關系，σ=3.34ε+307.88；當預拉伸變形量為16%時，力學性能達到峰值，此時抗拉強度、屈服強度與延伸率分別為359.76MPa、346.73MPa與12.74%。

(3)6061鋁合金板材厚度與預拉伸變形量呈線性關系：T=-2.99ε+5.74；隨預拉伸變形量的增加，縱向晶粒平均截距從36.72μm降至32.99μm，遞減變化規(guī)律現(xiàn)象不太明顯。

(4)6061鋁合金板材固溶淬火后經(jīng)適當?shù)念A拉伸可促進板材時效過程強化相的析出，從而提高其電導率與力學性能。