黃晶晶

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州建設(shè)交通分院 江蘇 蘇州 215104)

0 前言

車體是城軌列車的主要組成部分， 運行時車體承受著各方向的隨機載荷， 緊急情況時車體抵御各種復(fù)雜情況， 其剛度、 強度、 耐高溫等性能直接影響行車和乘客的生命安全。 隨著城軌列車的輕量化發(fā)展趨勢， 鋁合金材料由于低密度、 高塑性的優(yōu)良特點而被廣泛應(yīng)用。 同時鋁合金作為車體既能夠滿足車體所需的剛度和強度，又能夠達到輕量化的目的。 鋁合金車體的耐高溫性能是城軌安全性能的重要指標， 所以研究鋁合金車體材料的熱穩(wěn)定性勢在必行。

目前城軌車輛所用鋁合金主要集中在5000系、6000系和7000系，其中，又以6000系的6063、6061、6082等使用最為廣泛。本文主要研究鋁合金6000系中6061-T651鋁合金在高溫下的力學(xué)性能、抗腐蝕性能、疲勞性能以及熱穩(wěn)定性能等，從而獲得激光沖擊下的最佳城軌鋁合金車體。

1 試驗材料和方法

1.1 6061-T651鋁合金

6061-T651鋁合金屬于A1-Mg-Si系，是一類可熱處理強化的中高強度鋁合金，主要構(gòu)成組織為α-Al和Mg2Si[1]。6061-T651鋁合金的主要化學(xué)成分如表1所示。6061-T651鋁合金具有良好的加工性能、焊接性能和較好的抗腐蝕性能。

表1 6061-T651鋁合金化學(xué)成分 /%

1.2 激光沖擊強化

激光沖擊強化技術(shù)是一種表面改性技術(shù)[2]。它主要利用高功率激光在材料表面產(chǎn)生的高壓沖擊波，使材料表面產(chǎn)生較高的位錯或者納米晶體，從而改變材料的力學(xué)性能。激光沖擊鋁合金材料的路徑如圖1所示。激光沖擊的材料表面，為防止被激光灼燒，會覆蓋有吸收層和約束層。吸收層吸收激光的能量，并瞬間氣化成高溫高壓的等離子體。等離子體在吸收層和約束層之間膨脹，加大了材料表面的沖擊加載，從而產(chǎn)生了作用于材料表面的強沖擊波，使表面發(fā)生變形。

圖1 激光沖擊鋁合金材料的路徑

本文通過12 J的激光沖擊能量沖擊6061-T651鋁合金材料表面，期望獲得6061-T651鋁合金改性的最佳值，從而解析常規(guī)6061-T651鋁合金和經(jīng)過激光沖擊的6061-T651鋁合金在高溫狀態(tài)下的材料穩(wěn)定性能。激光沖擊處理工藝參數(shù)如表2所示。

表2 激光沖擊處理工藝參數(shù)

1.3 熱處理

6061-T651鋁合金可以通過熱處理的方式獲得強化。合適的溫度可以增強6061-T651鋁合金的抗拉強度、硬度、沖擊韌性和抗疲勞性能等。熱處理是將不均勻、不穩(wěn)定或過飽和的組織經(jīng)過時效析出成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，將內(nèi)部過多或雜亂的位錯恢復(fù)成穩(wěn)定的位錯網(wǎng)絡(luò)[3]。本文將常規(guī)6061-T651鋁合金和經(jīng)過激光沖擊的6061-T651鋁合金試樣放入熱處理爐內(nèi)，溫度控制在200 ℃、300 ℃、400 ℃和500 ℃，結(jié)束后保溫0.5 h，出爐空冷1 h。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面形貌分析

常規(guī)6061-T651鋁合金和經(jīng)過激光沖擊的6061-T651鋁合金的二維形貌如圖2所示。二維形貌是以形貌圖峰和谷的變化表示的。從圖中可以看出常規(guī)6061-T651鋁合金的微觀表面峰谷變化不大，主要集中在-0.25 μm～+0.25 μm，相對平滑；而經(jīng)過激光沖擊的6061-T651鋁合金，由于表面宏觀上已經(jīng)產(chǎn)生了塑性變形，所以微觀上的峰和谷變化較大(-5 μm～+8 μm)。材料表面的形貌變化主要是由于激光光斑內(nèi)部不均勻分布的能量產(chǎn)生不均勻的沖擊波，所以表面產(chǎn)生了高低不平的峰和谷[4]。

圖2 6061-T651鋁合金的二維形貌

圖3可見隨著溫度的不斷升高，常規(guī)6061-T651鋁合金表面形貌的峰和谷的差值在變大，主要集中在-0.5 μm～+2 μm；經(jīng)過激光沖擊的6061-T651鋁合金表面形貌的峰和谷的差值也在變大，主要集中在-6 μm～+8 μm。經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的變化，常規(guī)6061-T651鋁合金和經(jīng)過激光沖擊的6061-T651鋁合金的二維形貌并沒有太大變化，依然是常規(guī)6061-T651鋁合金表面較為平滑，而經(jīng)過激光沖擊的6061-T651鋁合金表面則呈現(xiàn)較大的凹坑。主要原因是高溫條件下6061-T651鋁合金表面形成了氧化膜，氧化膜保護了材料表面的微觀組織[5]，內(nèi)部應(yīng)力并沒有得到完全釋放，所以表面形貌的峰和谷變化不大。

圖3 6061-T651鋁合金在不同溫度下的二維形貌

2.2 微觀硬度變化

圖4呈現(xiàn)的是6061-T651鋁合金在不同溫度下的顯微硬度。6061-T651鋁合金的顯微硬度變化趨勢呈現(xiàn)U形，在300 ℃左右微觀硬度處于最低值。常規(guī)6061-T651鋁合金常溫下的微觀硬度為154.7 HV。隨著溫度的不斷升高，微觀硬度呈現(xiàn)下降的趨勢。當(dāng)溫度上升到300 ℃時，顯微硬度到達最低值104.5 HV。而后隨著溫度升高，微觀硬度提高。當(dāng)溫度升到500 ℃時，顯微硬度則恢復(fù)到160.2 HV。隨著溫度的變化，經(jīng)過激光沖擊后的6061-T651鋁合金微觀硬度的變化趨勢和常規(guī)6061-T651鋁合金保持一致。經(jīng)過激光沖擊后的6061-T651鋁合金常溫下的微觀硬度顯示220.3 HV，在300 ℃時出現(xiàn)顯微硬度最低值141.5 HV，在500 ℃時則恢復(fù)到230.1 HV。由圖4可知，相對于常規(guī)6061-T651鋁合金，經(jīng)過激光沖擊后的6061-T651鋁合金顯微硬度明顯提升，并且顯微硬度隨著溫度的升高呈現(xiàn)出先下降再上升的趨勢；經(jīng)過激光沖擊的6061-T651鋁合金在500 ℃的高溫條件下微觀硬度仍然有大幅提高，說明激光沖擊強化的效果十分顯著。

圖4 不同溫度下的6061-T651鋁合金微觀硬度

根據(jù)Hall-Petch公式[6]：

Hν=Hν0+KHvd-1/2

(1)

式中：Hν0和KHν為常數(shù)，由材料來決定；d為晶粒大小，Hν是材料的硬度；可知晶粒尺寸的大小和材料的微觀硬度成反相關(guān)。所以常溫下激光沖擊處理后的試樣硬度較高主要歸功于細晶強化和位錯強化。

根據(jù)Orowan公式[7]：

(2)

式中：σ為切應(yīng)力，G為切變模量，b為柏氏矢量，L為間距，φ為法線和軸心拉力的夾角?？芍獪囟鹊淖兓瘞聿牧蟽?nèi)部析出相的尺寸變化，而析出相的尺寸和間距成反相關(guān)，這導(dǎo)致了6061-T651鋁合金隨著溫度的升高出現(xiàn)微觀硬度先減小再增大的現(xiàn)象。

2.3 熱穩(wěn)定性能

6061-T651鋁合金主要由Al、Mg2Si和其他雜質(zhì)組成。圖5是激光沖擊前后6061-T651鋁合金的掃描電鏡圖，白色部分是Al基體，黑色線條是晶界，黑色顆粒是析出相，可以看出圖5(b)的晶粒尺寸明顯小于圖5(a)，說明經(jīng)過激光沖擊的6061-T651鋁合金表層發(fā)生了晶粒細化現(xiàn)象。圖6呈現(xiàn)的是激光沖擊后6061-T651鋁合金深度方向的掃描電鏡微觀形貌。從圖6中可以看出，沿深度方向的基體組織從致密到稀疏，說明激光沖擊處理可以細化6061-T651鋁合金材料表面組織。這主要是由于激光沖擊6061-T651鋁合金表面，高能量的沖擊波使材料表面發(fā)生塑性變形，材料內(nèi)部晶體也發(fā)生塑性變形，晶體內(nèi)部位錯增多。當(dāng)位錯不斷集聚形成位錯胞，在激光的持續(xù)沖擊作用下形成位錯墻，從而演變成晶界，最終得到了細化的晶粒[7]。

圖5 激光沖擊前后6061-T651鋁合金的微觀形貌

圖6 激光沖擊后6061-T651鋁合金深度方向的掃描電鏡圖

圖7是激光沖擊后6061-T651鋁合金從室溫到500 ℃的透射電鏡微觀組織。圖7(a)是常溫下6061-T651鋁合金的微觀組織，可見常溫下經(jīng)過激光沖擊的6061-T651鋁合金所形成的晶粒大小約為50 nm。圖7(b)呈現(xiàn)的是100 ℃下6061-T651鋁合金的微觀組織，平均晶粒大小是100 nm左右，且內(nèi)部呈現(xiàn)明暗不同的襯度變化，這主要是由于晶粒內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布不均。在200 ℃的退火溫度下，晶粒的平均大小約為100 nm～150 nm。而在300 ℃和400 ℃的溫度下，晶粒則增大到200 nm～500 nm?？梢婋S著溫度的上升，晶粒尺寸也在逐漸增大。當(dāng)溫度上升到500 ℃時，圖7(f)中可見明顯清晰的晶界，且晶界周圍附著高密度的位錯，晶粒尺寸則在2 000 nm～5 000 nm不等。所以當(dāng)溫度在400 ℃以下時，晶粒尺寸在穩(wěn)定增長；而當(dāng)溫度上升到500 ℃時，晶粒則失去穩(wěn)定狀態(tài)，晶粒尺寸急劇增長。這主要是由于當(dāng)溫度處于500 ℃之前，溫度上漲帶來的熱驅(qū)動力主要用于降低晶粒內(nèi)部的位錯密度，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行動態(tài)回復(fù)。而當(dāng)溫度超過500 ℃時，整體吸收的熱驅(qū)動力已經(jīng)滿足了晶界遷移的激活能，晶界的數(shù)量會明顯變少，晶界的釘扎阻礙作用也不明顯[8]，所以晶粒會急劇增長。

圖7 不同溫度下的6061-T651鋁合金的透射電鏡圖

激光沖擊強化是一種高能量的表面強化技術(shù)。材料表面受到?jīng)_擊后宏觀上產(chǎn)生塑性變形，微觀組織上產(chǎn)生眾多的位錯和細化后晶粒。位錯積聚在晶粒的晶界處，形成位錯分布不均的狀態(tài)。晶粒生長理論Gibbs Thomson公式[9]體現(xiàn)了晶粒生長驅(qū)動力和晶粒尺寸的關(guān)系。

Δμ=4Ωγ/d

(3)

式中：Δμ為晶粒生長驅(qū)動力，Ω為原子體積，γ為界面能，d為晶粒尺寸。根據(jù)晶粒生長理論，晶粒尺寸越小，晶粒生長驅(qū)動力越大，所以激光沖擊后6061-T651鋁合金在500 ℃之前表現(xiàn)了良好的熱穩(wěn)定性。金屬鋁常溫下層錯能較大，自擴散能較小，這導(dǎo)致了鋁合金在高溫下容易發(fā)生位錯的滑移，內(nèi)部發(fā)生結(jié)構(gòu)的動態(tài)回復(fù)[10]，產(chǎn)生位錯的湮滅，降低位錯密度。當(dāng)溫度上升的熱能高于晶粒生長驅(qū)動力時，內(nèi)部的晶界不斷地移動，析出相逐漸長大[11]，直至釘扎住移動的晶界，形成長大的晶粒。

3 結(jié)論

通過研究6061-T651鋁合金表層的表面形貌、微觀硬度和晶粒尺寸的變化來表征熱穩(wěn)定性能的變化。結(jié)果顯示通過激光沖擊強化技術(shù)可以獲得6061-T651鋁合金表層的納米晶粒，常溫下表層納米晶的尺寸主要集中在50～100 nm；同時由激光沖擊強化技術(shù)引起的表層高密度位錯可以阻止晶粒的長大，細化晶粒。當(dāng)退火溫度在500 ℃之下時，納米晶粒的尺寸依然處于穩(wěn)步增長狀態(tài)；而當(dāng)退火溫度超過500 ℃時，晶粒急劇長大，失去控制。這主要是由于激光沖擊獲得的納米晶生長需要極大的激活能，為6061-T651鋁合金的熱穩(wěn)定性能創(chuàng)造了條件。激光沖擊強化技術(shù)處理后的6061-T651鋁合金擁有更良好的熱穩(wěn)定性能，這歸功于激光沖擊過程中的晶粒再結(jié)晶，析出相和位錯的分布不均。

4 結(jié)束語

鋁合金車體正廣泛應(yīng)用于我國軌道交通行業(yè)，車體結(jié)構(gòu)的強度、硬度、抗疲勞性能以及車體的穩(wěn)定性能都至關(guān)重要。通過研究激光沖擊處理對鋁合金車體的熱穩(wěn)定性能，建議鋁合金車體在制造過程中溫度要控制在最佳熱穩(wěn)定溫度，從而獲得比較良好的結(jié)構(gòu)強度和硬度等性能。激光沖擊處理在保持鋁合金車體輕量化的同時，也展現(xiàn)了在提高鋁合金車體各方面性能的可能性。如果采用激光強化后的6061-T651鋁合金擠壓成型工藝，可以相對減輕車體重量，提高構(gòu)件的剛度，材料的承載能力可以得到充分的發(fā)揮。激光沖擊強化后的6061-T651鋁合金車體對整個車輛的結(jié)構(gòu)、性能、制造、使用、維修以及經(jīng)濟性等將產(chǎn)生深遠的影響。