謝方亮,李秋梅,劉旭東,付學(xué)丹,李鵬偉
(遼寧忠旺集團有限公司,遼寧 遼陽 111003)
隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展,鋁合金在保險杠系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。保險杠可實現(xiàn)汽車正面碰撞時能量的傳遞與平衡[1-3]。因此保險杠的吸能性能是體現(xiàn)汽車抗撞性好壞的重要指標(biāo)。6008鋁合金因其具有良好的抗沖擊性和焊接性能,被廣泛用于汽車保險杠。吸能元件的強度及吸能效果在很大程度上決定了保險杠系統(tǒng)的有效性。鋁合金材料制吸能盒產(chǎn)品,不僅滿足了輕量化要求,同時滿足碰撞吸能要求[4]。在生產(chǎn)過程中,通常需要進行熱處理使其在不改變保險杠外形形狀的條件下提高產(chǎn)品的強度[5-6]。
目前,對汽車吸能盒用6008鋁合金擠壓型材的力學(xué)性能、壓潰性能及腐蝕性能的研究報道較少。因此,本文以指導(dǎo)實際生產(chǎn)為前提,通過力學(xué)性能測試、壓潰試驗和腐蝕試驗,研究了不同時效制度對汽車保險杠吸能盒用6008鋁合金擠壓型材力學(xué)性能、壓潰性能及腐蝕性能的影響,以求得到最佳綜合性能的時效制度,為保險杠吸能盒生產(chǎn)制造行業(yè)提供參考。
本文以6008鋁合金擠壓型材作為試驗對象,其化學(xué)成分見表1。采用擠壓、在線水冷淬火工藝生產(chǎn)。產(chǎn)品屈服強度要求大于250 MPa,在滿足屈服強度要求和便于產(chǎn)品實際加工制造的情況下,選用不同時效制度150 ℃×10 h、170 ℃×8h、200 ℃×3 h、150 ℃×3 h+190 ℃×7 h和150 ℃×3 h+200 ℃×3 h進行熱處理試驗。截取不同狀態(tài)的吸能盒試樣進行壓潰試驗,試樣規(guī)格200 mm。采用AG-X 100KN電子萬能試驗機進行靜態(tài)壓潰試驗,試驗機上下兩端安裝剛性平板,所用測試軟件為Trapezium X,可輸出力-位移曲線,計算最大載荷以及曲線下的面積,即吸能值。壓潰測試的下壓速度為100 mm/min,潰縮量為原尺寸的60%。沿擠壓方向截取標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣進行力學(xué)性能測試。采用AG-X 100KN電子萬能試驗機進行拉伸試驗,室溫拉伸試驗方法按照ISO 6892-1執(zhí)行。
表1 6008鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical composition of 6008 aluminum alloy (mass fraction,%)
6008鋁合金擠壓型材在不同時效制度下的力學(xué)性能,如圖1所示。由圖1可知,擠壓型材的斷后伸長率與抗拉強度和屈服強度呈反比,強度越高,則伸長率越低。150 ℃×10 h時效處理后,擠壓型材的強度最低,但斷后伸長率較高;170 ℃×8 h時效處理后,擠壓型材的綜合力學(xué)性能最高;200 ℃×3 h時效處理后,擠壓型材的斷后伸長率最高,但強度較低;150 ℃×3 h+190 ℃×7 h和150 ℃×3 h+200 ℃×3 h雙級時效處理后,擠壓型材的斷后伸長率最低,抗拉強度略微降低。
圖1 不同時效制度下6008鋁合金擠壓型材的力學(xué)性能Fig.1 Mechanical properties of 6008 aluminum alloy extruded profiles under different aging system
在壓潰過程中,6008鋁合金擠壓型材通過自身塑性變形將碰撞初始動能轉(zhuǎn)化為自身內(nèi)能來吸收能量,并將碰撞沖擊力緩沖和限制在一定水平。圖2為不同時效制度下6008鋁合金擠壓型材靜態(tài)壓潰試樣。150 ℃×3 h+190 ℃×7 h時效處理后,試樣開裂貫穿整個壁厚,并出現(xiàn)剝落情況,如圖2(d)所示;150 ℃×10 h時效處理后,試樣折角處全部開裂,如圖2(a)所示;170 ℃×8 h時效處理后,試樣褶皺處出現(xiàn)細(xì)小不連續(xù)的橫向及縱向裂紋,如圖2(b)所示;200 ℃×3 h 和150 ℃×3 h+200 ℃×3 h時效處理后,壓潰效果較好,均未出現(xiàn)裂紋,如圖2(c)和2(e)所示。
最大載荷越小,意味著擠壓型材在受到很小的力時,會開始產(chǎn)生變形并吸收能量,以保證保險杠吸能系統(tǒng)的及時性;能量吸收越大,意味著發(fā)生碰撞時,擠壓型材吸收的能量越多,以保證保險杠系統(tǒng)的有效性。在不同時效制度下6008鋁合金擠壓型材的最大載荷及吸收能量變化曲線如圖3(a)所示。由圖3(a)可知,200 ℃×3 h時效處理后時,擠壓型材的吸能能量最高且最大載荷也相對較低。
(a)150 ℃×10 h; (b)170 ℃×8 h; (c)200 ℃×3 h;(d)150 ℃×3 h+190 ℃×7 h; (e)150 ℃×3 h+200 ℃×3 h圖2 壓潰試樣Fig.2 Crushing samples
(a)最大載荷和吸收能量;(b)平均碰撞力圖3 不同時效制度下6008鋁合金擠壓型材的壓潰性能(a) maximum load and absorbed energy; (b) average collision forceFig.3 Crushing performances of 6008 aluminum alloy extruded profiles under different aging system
在不同時效制度下6008鋁合金擠壓型材的平均碰撞力變化曲線如圖3(b)所示。由圖3(b)可知,擠壓型材的平均碰撞力與吸收能量成正比。說明發(fā)生碰撞時,平均碰撞力越大,即吸收能量越大,汽車的抗撞能力越強。
圖4為不同時效制度下6008鋁合金擠壓型材的晶間腐蝕。由圖4可知,170 ℃×8 h時效處理后,試樣晶間腐蝕深度最深,為157.18 μm;200 ℃×3 h時效處理后,試樣腐蝕深度為116.58 μm;雙級時效制度下晶間腐蝕深度減小。
6008鋁合金擠壓型材經(jīng)150 ℃×10 h時效處理后,合金內(nèi)部組織為共格球狀GP區(qū)及少量針狀共格β″相,此時析出的強化相對位錯運動的阻礙較弱,保留了較高的塑性,但強度較低,吸能效果有限。同時因析出相共格的關(guān)系,位錯運動是以切過的方式進行,壓潰變形所受剪切應(yīng)力過大,導(dǎo)致壓潰效果較差。170 ℃×8 h為峰值時效狀態(tài),球狀GP區(qū)迅速長大,同時由于彌散析出的β′相顆粒的出現(xiàn),增強了對位錯的阻礙作用,使得擠壓型材的強度提高,腐蝕性能降低。在200 ℃×3 h時效時,時效強度超過了強化峰值,形成β(Mg2Si)穩(wěn)定相,最后形成的穩(wěn)定相β與基體呈非共格關(guān)系,晶內(nèi)析出相進一步長大。因此,200 ℃×3 h時效制度更有利于材料的變形,且組織也更穩(wěn)定,表現(xiàn)出最優(yōu)的綜合性能[7-9]。
(a)150 ℃×10 h; (b)170 ℃×8 h; (c)200 ℃×3 h;(d)150 ℃×3 h+190 ℃×7 h; (e)150 ℃×3 h+200 ℃×3 h圖4 不同時效制度下6008鋁合金擠壓型材的晶間腐蝕Fig.4 Intergranular corrosion of 6008 aluminum alloy extruded profiles under different aging system
隨著時效溫度的升高,溶質(zhì)擴散系數(shù)越大,析出相長大速率越快,原子的粗化率提高[10]。與雙級時效150 ℃×3 h+190 ℃×7 h相比,150 ℃×3 h+200 ℃×3 h時效處理后的析出相長大速率快,也更易于趨于穩(wěn)定;時效后晶界擴散相球化程度和尺寸等較大,故其壓潰效果差,晶間腐蝕性能有所改善[11]。
1)200 ℃×3 h時效處理后,6008鋁合金擠壓型材具有最大的吸收能量和平均碰撞力,且最大載荷相對較小,靜態(tài)壓潰效果最優(yōu);
2)175 ℃×8 h時效處理后,6008鋁合金擠壓型材的晶間腐蝕深度最深為157.18 μm,其余時效制度下腐蝕性能均有所改善;
3)結(jié)合產(chǎn)品性能要求和生產(chǎn)效率,200 ℃×3 h可以滿足實際生產(chǎn)需要,為最佳時效制度。