劉玉杰, 姜 旭, 劉 浩, 張耀中, 田 妮, 趙 剛

(1.東北大學 材料科學與工程學院,遼寧 沈陽 110189;2.東北大學 材料各向異性與織構教育部重點實驗室,遼寧 沈陽 110189)

車身鋁化是目前汽車減重以實現節(jié)能降排的主要途徑。6xxx系鋁合金以其較高的強度、良好的焊接性以及較好的烘烤硬化性等良好的綜合性能而受到廣泛關注,因而鋁合金板材尤其是可熱處理強化的Al-Mg-Si系鋁合金板材在汽車車身上的用量逐年增加[1-3]。汽車車身板材一般先經冷沖壓成形,隨后再進行烤漆涂裝處理(通?？酒釡囟炔怀^180℃,烤漆時間約為30 min)。冷變形后的鋁板由于位錯增殖、空位增加,導致鋁板處于熱力學不穩(wěn)定狀態(tài),它們在涂裝烤漆的加熱過程中將發(fā)生回復甚至再結晶,從而使冷沖壓變形后的鋁板強度有所降低[4],這正是不可熱處理強化的5xxx系鋁車身構件發(fā)生烤漆軟化的根本原因。而可熱處理強化的6xxx系鋁車身構件在烤漆涂裝過程中,同時存在回復再結晶軟化及時效析出強化兩個對強度貢獻相互矛盾的過程。KOLAR M[5]等通過研究AA6060鋁板固溶水淬后立即進行0～10%冷變形,然后在不同的時效溫度下(150℃、175℃和190℃)分別時效不同時間(10 min、100 min和300 min)發(fā)現,預變形加快了AA6060鋁板時效析出速度。三種時效溫度下時效不同時間時,鋁板的強度和硬度均隨冷變形量的增加而增大。GRANUM H[6]等通過研究AA6063、AA6061和AA6110三種鋁合金分別進行0.4%和4%預拉伸后,進行人工時效時,同樣發(fā)現預拉伸會加快時效析出速度。KHELFA T[7]和VEDANI M[8]等通過研究通道角擠壓(Equa-Channel Angular Pressing, ECAP)6082鋁合金組織演變及性能變化,發(fā)現當高溫時效時(≥170℃),由于回復或(和)晶粒粗化導致合金強度下降;而時效溫度低至100℃以下時,時效析出造成的硬化效應較回復或(和)晶粒粗化帶來的軟化效果更顯著,從而能使合金的強度保持不變或略有提高。目前這些研究的目的主要是通過固溶水淬后立即對鋁板進行小變形,以改善其烤漆硬化性能。而實際汽車車身用6xxx系鋁板通常是在T4或T4P狀態(tài)下進行沖壓成形后再經烤漆處理,烤漆處理后鋁合金汽車車身構件的組織性能變化直接影響汽車的使用性能。因此,有關沖壓變形量對不同熱處理狀態(tài)6xxx系鋁板烤漆后的組織及力學性能影響規(guī)律還有待深入研究。

本文針對汽車車身用T4P態(tài)Al-1.3Mg-1.2Si-0.5Cu-0.7Mn合金板材,通過室溫拉伸產生不同程度的冷變形,再測定其經模擬烤漆處理前后的強度變化和析出特點。研究冷變形對其烤漆性能的影響規(guī)律,為Al-Mg-Si系汽車車身板的生產提供基礎實驗數據。

1 試驗材料與試驗方法

圖1 拉伸試樣尺寸

采用CMT5105-SANS微機控制萬能電子試驗機進行拉伸試驗,應變速率為1.33×10-3s-1。采用SETARAM-DSC131型差示掃描量熱儀(Differential Scanning Calorimetry, DSC)進行DSC試驗,測試加熱速率為10℃/min。

2 試驗結果與分析

2.1 T4P態(tài)鋁板室溫拉伸變形后的性能變化

圖2為T4P態(tài)鋁板經不同程度室溫拉伸變形后的屈服強度。由圖2可見,T4P態(tài)合金板材的屈服強度隨室溫拉伸變形量的增加而單調增大。當應變量為19%時,鋁板的強度增量達到201.5 MPa。這與本課題組前期對Al-0.9Mg-1.0Si-0.7Cu-0.6Mn合金板材應變強化行為研究結果相一致[9]。分析認為,T4P態(tài)鋁板在室溫拉伸變形時,大量位錯滑移至晶體表面造成宏觀塑性變形,同時位錯不斷增殖導致變形體內位錯數量逐漸增多,變形量增加,變形體內的位錯密度逐漸增大,即表現出顯著的應變強化效應,因此T4P態(tài)鋁板的屈服強度增幅較大。

圖2 T4P態(tài)鋁板經不同程度拉伸變形后的屈服強度Rp0.2及屈服強度增量

圖3為T4P態(tài)鋁板經不同程度室溫拉伸變形后的DSC曲線。由圖3可見,未經拉伸變形(即ε=0%)的T4P態(tài)鋁板的DSC曲線上在250℃和300℃附近分別出現兩個明顯的析出峰,表明T4P態(tài)合金板材進行時效處理時,將在250℃和300℃左右發(fā)生明顯的時效析出。根據ZHENG Y[10]、MAO H[11]和YANG M J[12]等的研究可知,Al-Mg-Si合金板材DSC曲線上250℃和300℃左右的放熱峰分別對應于β″和β′過渡相的析出。T4P態(tài)鋁板經不同程度拉伸變形后,其DSC曲線上對應于β′過渡相的析出峰明顯變小,β″過渡相析出峰的大小無明顯變化。但是,隨著拉伸變形程度的增大,鋁板DSC曲線上對應于β″過渡相析出峰的開始析出溫度(圖3中“+”)和峰值析出溫度(圖3中“×”)均逐漸降低,說明室溫拉伸變形能促進T4P態(tài)鋁板中β″過渡相在更低的溫度析出,這有利于深沖后的Al-0.9Mg-1.0Si-0.7Cu-0.6Mn鋁制車身在后續(xù)低溫短時烤漆過程中快速發(fā)揮出烤漆硬化效應。因為固溶水淬后30 min內進行的170℃×7 min預時效處理,能促進鋁板基體中過飽和固溶體形成原子團簇,為后續(xù)β″過渡相的析出提供了形核點,即預先形核加快時效析出速度。更重要的是拉伸變形向T4P態(tài)鋁板中引入的大量位錯,為β″過渡相的析出提供了形核位置和形核長大所需的能量。二者共同作用下,促進β″過渡相析出,降低β″過渡相的析出溫度[13-14]。

圖3 T4P態(tài)鋁板經受不同程度拉伸變形后的DSC曲線

2.2 拉伸變形對T4P態(tài)鋁板烤漆處理后的性能變化

圖5為經不同程度拉伸變形的T4P態(tài)鋁板烤漆前后的DSC曲線對比。由圖5可見,未經拉伸變形(即ε=0%)的T4P態(tài)鋁板烤漆前后的DSC曲線上均存在β″和β′過渡相的析出峰,如圖4(a)所示。對DSC曲線上析出峰進行面積積分計算可知,烤漆前的合金板材中對應于β″和β′相的析出焓分別為3.89 J/g和0.23 J/g,而烤漆后T4P態(tài)鋁板中對應于β″和β′過渡相的析出焓分別為3.14 J/g和0.36 J/g。T4P態(tài)鋁板烤漆前后對應于β″和β′過渡相的析出焓差別較小,分別為0.75 J/g和0.13 J/g,說明170℃×30 min的烤漆處理并未能促使T4P鋁板基體中大量析出β″和β′過渡相,然而T4P態(tài)鋁板經烤漆后其屈服強度卻較烤漆前顯著提高了接近75 MPa。分析認為,由于固溶水淬后30 min內進行的170℃×7 min預時效處理能促使鋁板基體中形成大量β″或β′過渡相的核心,同時這種β″或β′過渡相核心分布極其不均勻,從而導致預時效處理后板材的屈服強度并未明顯提高。當具有大量不均勻分布的β″或β′過渡相核心的鋁板再經170℃×30 min烤漆處理后,雖然未能在基體中形成大量β″或β′過渡相,但烤漆處理能促進板材基體中的β″或β′過渡相核心分布趨于均勻,因此烤漆后T4P鋁板的強度明顯提高。

由圖5還可見,T4P態(tài)鋁板經不同程度拉伸變形再經烤漆處理時,鋁板烤漆前后的DSC曲線上對應于β′過渡相的析出峰無明顯變化,但經烤漆處理后鋁板DSC曲線上β″過渡相析出峰較烤漆前的β″過渡相析出峰明顯減小,如圖4(b)～圖4(e)所示,說明T4P態(tài)鋁板拉伸變形后再經烤漆處理,板材基體中能析出大量β″過渡相,這與前面研究得到的烤漆前的拉伸變形能促進T4P態(tài)鋁板烤漆時析出β″過渡相的結論相符。分析認為,烤漆前的拉伸變形造成的位錯等缺陷位置,能成為T4P態(tài)鋁板基體中烤漆加熱時的β″過渡相的異質形核核心[18],并能為β″過渡相形核長大提供能量,即促進β″過渡相的析出,導致DSC曲線上對應于β″過渡相析出的析出峰面積減小。然而,拉伸變形初期所造成的位錯等形變缺陷在鋁板基體中分布很不均勻,因此,異質形核析出的β″過渡相的分布也非常不均勻,這種由于拉伸變形促成的大量不均勻析出的β″過渡相對鋁板基體的強化作用并不明顯。同時,拉伸變形不同程度的T4P態(tài)鋁板烤漆后的DSC曲線上仍存在明顯的β″過渡相析出峰,說明雖然預時效處理有利于鋁板烤漆硬化效應的發(fā)揮,但170℃×30 min的烤漆處理仍未能使T4P態(tài)鋁板完全發(fā)揮出其時效硬化潛力。

3 結 論

(1)烤漆前的拉伸變形能促進T4P態(tài)鋁板隨后在170℃×30 min烤漆處理時的β″過渡相的不均勻析出,這種不均勻析出的β″過渡相部分削弱了T4P態(tài)鋁板的烤漆硬化性,但經不同程度拉伸變形的T4P態(tài)鋁板烤漆處理后仍表現出比較明顯的烤漆硬化現象。

(2)固溶水淬后30 min內,將鋁板進行170℃×7 min的預時效處理,能有效改善鋁板的烤漆硬化性,但170℃×30 min的烤漆處理仍未能使T4P態(tài)鋁板完全發(fā)揮出其時效硬化潛力,即T4P態(tài)鋁板烤漆后仍處于欠時效狀態(tài)。