鄭長鑫，黃顯贊，黎龍全，廖 斌

（南南鋁業(yè)股份有限公司，廣西 南寧 530031）

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速增長，居民生活水平不斷提升。自2000 年以來，我國汽車保有量年平均增速為14.4%，2016 年以來汽車年銷量持續(xù)超過2 500萬輛[1]。與此同時，隨著全球氣候變暖問題日益嚴(yán)峻，新能源汽車的發(fā)展也逐步進(jìn)入快車道，截至2022年6 月，我國新能源汽車保有量達(dá)1 001 萬輛[2]。汽車極大地推動了我國經(jīng)濟(jì)增長，但也帶來了交通安全問題，根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，每天全球平均有3萬人死于車禍。在我國，2018 年到2021 年每年的交通事故都在24 萬起以上，死亡人數(shù)在6 萬以上，造成的直接財(cái)產(chǎn)損失在131 361 萬元以上，對人身安全和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)造成了巨大的威脅，因此汽車在安全方面還具有一定的提升空間。

汽車保險杠總成可在碰撞時有效抵御外來侵入對駕乘人員的傷害，保險杠總成主要由防撞梁、吸能盒、連接板等組成，并通過螺栓連接到車身上，拆卸方便，利于維修。其中，鋁合金具備密度小、回收利用率高、吸能效果好、擠壓成型簡單高效等優(yōu)勢，目前已廣泛應(yīng)用于汽車保險杠總成[3-4]。而作為保險杠中重要的吸能部件，肩負(fù)著碰撞過程中吸收能量的重要作用，吸能盒的性能直接影響整個部件的性能。

目前，國內(nèi)針對吸能盒也有一些研究，這些研究主要分為吸能盒結(jié)構(gòu)、吸能盒化學(xué)成分及工藝對吸能效果的影響。其中，張德偉等[5]對比了不同吸能盒截面形狀、寬高比以及吸能盒材質(zhì)對吸能盒耐撞效果的影響，結(jié)果表明雙十字型截面鋁合金吸能盒的最大壓潰力最大，吸能盒寬高比增加，其平均壓潰力逐漸下降，寬高比越接近1 吸能效果越好，隨著吸能盒材料強(qiáng)度的提升，其最大壓潰力、吸能逐步增加。成海飛等[6]采用HyperMesh 與LS-Dyna 數(shù)值模擬的方式研究了吸能盒結(jié)構(gòu)對吸能效果的影響，結(jié)果表明不同肋板布置方式會影響吸能盒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而影響能量吸收。肖罡等[7]通過相似方法研究了吸能盒截面形狀對吸能效果的影響，結(jié)果表明正八邊形截面吸能盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對吸能盒壓潰比吸能最大。

周運(yùn)等[8]通過構(gòu)建吸能盒損傷本構(gòu)模型，模擬了吸能盒材質(zhì)對汽車吸能盒軸向壓縮特性的影響，結(jié)果表明鋁合金比鋼材質(zhì)更適合作為中低速碰撞時車用吸能盒的材料。謝方亮等[9]研究了冷卻工藝及微量元素Mn 含量對吸能盒壓潰性能的影響，結(jié)果表明冷卻速率越快，越可有效避免淬火過程中過飽和固溶體脫溶，Mn含量越高，越可以明顯減小晶粒尺寸，提高合金力學(xué)性能和壓潰性能。張富亮等[10]研究了時效制度對鋁合金壓潰性能的影響，結(jié)果表明合適的時效制度有利于壓潰性能提升。然而，擠壓速度對鋁合金吸能效果的影響還未見有相關(guān)報(bào)告，而擠壓作為常見鋁合金吸能盒的加工方式，擠壓速度對制品最終性能有較大影響，本文以6063 鋁合金為試驗(yàn)材料研究擠壓速度對合金性能及壓潰性能的影響，旨在為生產(chǎn)實(shí)踐提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用6063鋁合金薄壁型材（壁厚3 mm），其型材截面如圖1所示，型材為“日字型”，該型材結(jié)構(gòu)為主流的吸能盒截面，其尺寸規(guī)格為100 mm×71 mm。

圖1 試驗(yàn)用型材截面圖

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用6063 鋁合金鑄錠經(jīng)熔煉、精煉、電磁攪拌及多級除氣后由流槽引入鑄造機(jī)，鑄造機(jī)采用油氣滑熱頂鑄造，以獲得高質(zhì)量的擠壓用鑄錠，其合金成分如表1所示。

表1 6063鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

鑄錠經(jīng)均勻化處理后不僅消除了鑄造時產(chǎn)生的晶間偏析，溶解了晶界上的金屬間化合物，改善了鑄錠內(nèi)部組織，而且可消除鑄錠內(nèi)應(yīng)力，為擠壓型材組織性能奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。本試驗(yàn)采用均勻化處理制度，在550 ℃~570 ℃保溫4 h，出爐后強(qiáng)風(fēng)冷至300℃后水冷至室溫。

擠壓機(jī)設(shè)備為1800T 擠壓機(jī)，擠壓系數(shù)為24.5，模具溫度為420 ℃~450 ℃，棒溫460 ℃~490 ℃，擠壓速度分別為3.0 mm/s、4.0 mm/s、5.0 mm/s，出料后采用在線噴水冷卻。擠壓后樣品轉(zhuǎn)運(yùn)至?xí)r效爐，時效制度為170 ℃/8 h，出爐后空冷至室溫，時效后取樣分別進(jìn)行壓潰、力學(xué)性能、電導(dǎo)率及微觀組織分析。

1.3 試驗(yàn)表征

壓潰試驗(yàn)在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，原始試樣長度為150 mm，壓縮速度為100 mm/min，變形量為70%，壓縮完成后觀察型材表面裂紋情況，記錄壓潰數(shù)據(jù)并分析。力學(xué)性能參照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》中規(guī)定制樣要求進(jìn)行，拉伸試樣從鋁合金型材上切取，最后量取實(shí)際樣品尺寸后在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸。電導(dǎo)率樣品取面積大于20 mm×20 mm，試片于20 ℃房間放置2 h 后，采用校準(zhǔn)后的Sigma 2008 B 型渦流電導(dǎo)率儀進(jìn)行檢測并記錄數(shù)據(jù)。微觀組織樣品從正式樣品上切取，隨后經(jīng)不同砂紙打磨且每次切換砂紙均需進(jìn)行90°轉(zhuǎn)向，打磨至5 000#砂紙后置于濃度為10%的高氯酸酒精中進(jìn)行電解拋光，電解拋光參數(shù)為：拋光電壓20 V，拋光時間10 s，拋光完成后立刻用清水沖洗拋光表面并用酒精吹干。隨后將拋光后樣品置于體積比為2.5%的氟硼酸水溶液中進(jìn)行覆膜，覆膜電壓為15 V，覆膜時間為15 s，完成后用清水沖洗并風(fēng)干。最后將拋光+覆膜后的樣品置于Axio Vert. A1倒置顯微鏡上觀察，選擇合適的觀察倍率進(jìn)行觀察拍照。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)性能及電導(dǎo)率

不同擠壓速度下型材力學(xué)性能、電導(dǎo)率及布氏硬度變化如表2 所示。可以看出，隨擠壓速度增加，時效后型材屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和布氏硬度均呈現(xiàn)增加趨勢，而延伸率卻逐漸下降。與此同時，不同擠壓速度下型材電導(dǎo)率變化并不明顯。這是由于在擠壓熱變形過程中，隨變形量不斷增加，大部分塑性變形功轉(zhuǎn)化為熱能，這部分熱能稱為變形熱效應(yīng)[11]。變形熱效應(yīng)隨擠壓速度增加而增加，從而使得型材溫度升高，使得型材在擠壓模具出口時溫度較高，溫度越高，Mg、Si 元素?cái)U(kuò)散系數(shù)越高，使得Mg、Si 元素回溶至基體更多，在后續(xù)時效過程中更易析出β′′和β′相。從而使得型材力學(xué)性能提高。而電導(dǎo)率則受基體中固溶原子影響較大，經(jīng)相同時效制度時效后，固溶原子均已大部分析出，所以電導(dǎo)率變化不明顯，從數(shù)據(jù)上看基本一致。

表2 不同擠壓速度下力學(xué)性能、電導(dǎo)率及布氏硬度變化

2.2 微觀組織

不同擠壓速度下型材微觀組織變化如圖2 所示，可以看出，型材表層存在明顯的再結(jié)晶晶粒，呈現(xiàn)類粗晶現(xiàn)象；隨著擠壓速度增加，型材邊部再結(jié)晶比例明顯增多，并且不斷向中心延伸；當(dāng)擠壓速度為3.0 mm/s 時，型材心部幾乎沒有明顯再結(jié)晶；隨著擠壓速度增加，再結(jié)晶晶粒數(shù)量增加，且再結(jié)晶晶粒逐步向型材內(nèi)部擴(kuò)散；當(dāng)擠壓速度為5.0 mm/s 時，再結(jié)晶晶粒數(shù)量最多，且心部再結(jié)晶晶粒已較為明顯。

圖2 不同擠壓速度下型材微觀組織變化

這是由于型材在擠壓成型時，擠壓用鑄錠表層金屬與模具和擠壓筒表層直接接觸，受擠壓模具和擠壓筒摩擦力的影響，表層產(chǎn)生較大的塑性變形，使得表層金屬再結(jié)晶儲能更高，在熱擠壓變形過程中更容易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。所以不同擠壓速度下，再結(jié)晶晶粒呈現(xiàn)出沿表層向心部逐漸擴(kuò)散的現(xiàn)象。

2.3 壓潰試驗(yàn)

不同擠壓速度下，經(jīng)70%變形后型材壓潰后圖片如圖3 所示?？梢钥闯觯煌瑪D壓速度下型材表層在T 形角處均出現(xiàn)裂紋，如圖3 中藍(lán)色方框所示。隨擠壓速度增加，型材邊部拐角處也逐漸出現(xiàn)裂紋，如圖3 中紅框所示，隨著擠壓速度增加，裂紋尺寸和數(shù)量均出現(xiàn)明顯上升趨勢。圖3（d）為不同擠壓速度下壓潰力-位移曲線，經(jīng)計(jì)算，3.0 mm/s、4.0 mm/s和5.0 mm/s 擠壓速度下其吸收的能量分別為11.98 kJ、12.1 kJ 和13.2kJ。吸收的能量隨擠壓速度增加而增加，但差別并不明顯；結(jié)合型材開裂情況，擠壓速度為3 mm/s 時其壓潰性能最好。

如上文所述，隨著再結(jié)晶晶粒逐漸由邊部向心部擴(kuò)散，再結(jié)晶程度逐漸增加，表層較大尺寸晶粒抵抗塑性變形能力較差，也即晶粒尺寸越大，變形協(xié)調(diào)能力越差，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而形成裂紋源[12]。而心部的變形態(tài)組織則能夠有效抵抗塑性變形，且增強(qiáng)型材均勻變形的能力，也即型材更容易出現(xiàn)均勻折疊而不產(chǎn)生裂紋。而吸收能量的差異主要源于快速擠壓產(chǎn)生過飽和度差別而引起型材時效后力學(xué)性能的差異，也即在壓潰過程中隨著壓縮逐漸進(jìn)行，合金強(qiáng)度越高（與表2 中力學(xué)性能一致），其變形抗力越大，吸收能量（壓縮曲線與橫坐標(biāo)面積）越大[5]。

3 結(jié)論

本文以6063 鋁合金擠壓型材為研究對象，重點(diǎn)研究了擠壓速度對Al-Mg-Si 吸能盒型材力學(xué)性能、布氏硬度、電導(dǎo)率、微觀組織和壓潰性能的影響，得到以下結(jié)論：

1）隨著擠壓速度增加，時效后鋁合金型材屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度均逐漸增加，電導(dǎo)率無明顯變化，但延伸率下降。這主要是由于擠壓速度越快，金屬產(chǎn)生變形熱致使淬火后過飽和度有所區(qū)別，經(jīng)時效后析出相有所差異而導(dǎo)致力學(xué)上呈現(xiàn)差異。

2）型材擠壓后均出現(xiàn)再結(jié)晶層，隨著擠壓速度增加，再結(jié)晶晶粒數(shù)量逐漸增加且逐步向型材內(nèi)部擴(kuò)散，這主要與變形金屬和模具間摩擦力相關(guān)。

3）壓潰性能與型材組織密切相關(guān)，再結(jié)晶程度越高，晶粒尺寸越大，壓潰時型材不易產(chǎn)生均勻變形，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成型材壓潰折疊時易出現(xiàn)裂紋。

4）壓潰試驗(yàn)中吸能效果與合金力學(xué)性能密切相關(guān)，型材強(qiáng)度越高，其壓縮曲線與橫坐標(biāo)所形成的面積越大，型材吸能效果越明顯。