热处理条件对铝合金锯齿形屈服行为的影响.docx
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热处理条件对铝合金锯齿形屈服行为的影响
目录
摘要1
Abstract2
第一章绪论3
1.1引言3
1.2铝合金的发展历史4
1.3铝合金的种类5
1.3.1纯铝的特性与牌号5
1.3.2铝合金的分类5
1.3.3变形铝合金的分类6
1.3.4铸造铝合金的种类7
1.46×××系合金的主要性质及应用7
1.4.16×××系合金简介7
1.4.26×××系合金的成分与性能8
1.4.36×××系合金的应用9
1.5铝合金的锯齿形屈服10
1.6铝合金的热处理10
1.6.1固溶处理11
1.6.2时效处理11
第二章实验方法12
2.1实验材料12
2.2试样制备12
2.3单向拉伸实验13
第三章热处理对6×××系铝合金性能的影响14
3.1固溶处理与时效处理实验14
3.2拉伸实验16
3.3拉伸实验结果分析17
第四章全文总结及展望31
4.1总结31
4.2展望32
谢辞33
参考文献34
热处理条件对铝合金锯齿形屈服行为的影响
摘要：
铝合金以其密度低、强度高、塑性好，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性等优点，从机械制造工业中脱颖而出，并且发展潜力巨大，在汽车、航空航天、建筑、桥梁等方面得到广泛应用。
但由于铝合金的锯齿形屈服行为的影响，它在常温下的成形性能较差，要将铝合金用来制造汽车车身，在国内尚存在一定的技术性问题。
由于将铝合金应用在汽车车身上有巨大的经济效益，对如何提高铝合金的加工成形性能的研究具有非常重要的意义。
我们可以通过改变热处理条件的方法来减弱铝合金锯齿形屈服行为对其性能的不良影响，从而改善铝合金的加工成形性能。
目前国内对热处理条件对铝合金的影响仍处于研究阶段。
本论文主要以6061和6063铝合金为研究对象，研究了在不同热处理工艺条件下铝合金力学性能和成形性能的变化规律以及与锯齿形屈服行为之间的关系，并且在理论上加以分析讨论，最后分别得出了一组比较理想的热处理工艺方案。
关键词：
铝合金，锯齿形屈服效应，热处理，加工成形性能。
TheEffectofHeatTreatmentConditiononPortevin-LeChatelierBehaviorinAluminumAlloy
Abstract:
Aluminumalloystandsoutfromthecrowdinmachinebuildingindustry,foritssomanyadvantages,suchaslowdensity,highintensityandgoodductility,corrosionresistance,electricalandthermalconductivity.Aluminumhasgreatdevelopmentpotentialandiswidelyusedinautomobile,aerospace,buildingandbridgeindustries.However,becauseofthealuminumalloy’sPortevin-LeChateliereffect,itsformabilityundernormaltemperatureisbad.Therearetechnicalproblemsinteriorlytoapplyaluminumalloytothemanufactureofautomotivebody.Asitwillbenefitmuch,theresearchonhowtoimprovetheformabilityofaluminumalloyisofgreatsignificance.
ItispossibleforustoweakenthePortevin-LeChateliereffectbyalteringtheconditionsofheattreatments,soastoimprovetheformabilityofaluminumalloy.Interiorly,theeffectofheattreatmentconditionsonaluminumalloyisstillbeingresearched.Inthispaper,wechosethe6061and6063typeofaluminumalloyastheresearchobjects.WestudiedtheevolutionofmechanicalpropertyandformabilityofaluminumalloyunderdifferentheattreatmentconditionsandtherelationtothePortevin-LeChateliereffect.Also,weanalyzeanddiscussthemintermsoftheory.Andthenweworkedoutasetofheattreatmentschemeforeachtypewhichiscomparativelyperfect.
Keywords:
Aluminumalloy,Portevin-LeChateliereffect,heattreatment,formability.
第一章绪论
1.1引言
铝是地壳中分布最广泛的元素之一，其平均含量为8.8%，居金属元素第一位。
铝在自然界中多以氧化物、氢氧化物和含氧的铝硅酸盐存在，极少发现铝的自然金属[1]。
铝的密度较小，为2.78g/cm3，通常被称为轻金属，其相应的铝合金被称为轻合金。
且铝合金的强度高、塑性好，具有优良的导电性、导热性、抗蚀性和焊接性能，易于成形，并且价格较低，因此,铝合金已经在航空航天工业、交通运输、轻工建材、桥梁、工兵装备、通讯、电子和大型压力容器等方面获得了广泛的应用。
现代工业的飞速发展，铝合金的强度、韧性以及抗应力腐蚀性能等提出了更高的要求。
近年来，新的合金成分设计、已有热处理工艺参数的优化、新热处理工艺的开发以及相关机理的研究等成为铝合金研究和开发的重要方向。
近几十年来，由于铝的冶炼方法与工艺的不断改进，尤其是铝材料基础问题的突破，铝工业的发展速度十分惊人。
1905年前全世界铝的产量只有几千吨，而到2004年世界铝产量（包括原铝和再生铝）达到2983万吨，预计今年有望突破4000万吨大关。
铝合金新材料的发展以及新技术的研发是世界铝产量和应用量大幅度增加的关键。
20世纪初时效硬化的发现突破了铝合金新材料发展的技术瓶颈，使铝合金材料的发展和应用在相当长的一段时间内处于高速增长的状态。
材料分析技术和材料加工技术的发展又进一步优化完善了铝合金系列以及铝合金成分，铝基复合材料的出现和发展又使铝基材料性能的潜力得到了更为充分的发挥。
如今，全世界研究开发的铝合金种类已经超过千种以上；半固态加工技术、半固态模锻技术、喷射沉积技术等先进加工技术已经广泛应用于铝基材料的生产中[1]。
在汽车总重量中，车身系统约占20%～30%，如果用铝材取代传统材料来制造车身，一般可减重40%～50%[4]。
因此，近年来铝合金在车辆上的使用受到广泛的重视，替代其它的材料（如钢、塑料等）用作汽车零部件，成为地铁、列车、轻轨、高速列车等轻量化、现代化的有效途径。
美国资深汽车工程师DavidScholes曾作出预测：
未来，轿车上的每一个零件都有可能用铝合金来生产，10～15年后会有越来越多的铝合金用于汽车，而且铝合金制品完全可能比塑料还轻。
事实上确实如此，近年来许多大型汽车公司越来越关注于铝合金板材的冲压成形，并利用铝合金冲压件生产汽车车身。
如美国福特汽车公司开发的2010轿车，奥迪公司开发的A2、A8型轿车，劳斯莱斯推出的一款车身框架全部用铝合金制成的轿车等[8]。
显而易见，铝合金在车辆上的大范围应用已经成为不可阻挡的趋势。
然而，目前汽车上的铝部件虽然还以铸件为主，但随着合金加工技术和新型合金的不断开发，变形铝合金必将有更为广阔的应用空间。
6000系（Al2Mg2Si）系铝合金是一种适合于汽车应用的轻量化材料，可用于汽车车身、车轮、油箱、铝罐、机器盖板、电机壳等结构，如近期出现的6061铝合金躯动轴就是很好的例证[8]。
但是，众所周知的铝合金锯齿形屈服行为降低了其加工成形性能，对铝合金在汽车上的广泛应用有一定的限制作用。
削除锯齿形屈服行为的不良影响的方法正是当今人们研究的热点，热处理就是其中之一，本文将就热处理条件对铝合金锯齿形屈服行为的影响作简单的研究和讨论。
1.2铝合金的发展历史
早在20世纪20年代，德国科学家就研制出Al-Zn-Mg系合金，但是由于该系合金抗SCC性能和抗剥落性能太差而未能得到产业应用。
从20世纪30年代初到二战结束期间，各国在研究中发现Cu元素可以提高合金的抗SCC性能及综合力学性能，竞相开发了Al-Zn-Mg-Cu系合金，而忽视了对Al-Zn-Mg系合金的研究。
德、美、苏、法等国在Al-Zn-Mg-Cu系合金基础上成功地开发了7075、B95、B93和D.T.D683等合金，至今仍广泛应用于航空航天工业，但是在应用中依然不能实现强度、韧性以及抗SCC性能的最佳组合。
20世纪50年代，德国公布了具有较好焊接性能的合金AlZnMg1和AlZnMg2，引起了人们对Al-Zn-Mg系合金的重视。
在此期间，在AlZnMg1合金的基础上，美国学者加入了Cr、Mn、Zr等元素，研制出7005和7004合金，获得了良好的焊接性能和抗SCC性能，被广泛应用于焊接结构，但是合金的工艺性能不是很好，为此日本学者通过降低Mg含量和提高Zn/Mg值研制出ZK60和ZK61合金，获得了比较好的焊接性能和工艺性能，但是强度下降了很多；此外，在同一时期前苏联也研制出了1933、1915合金，但强度偏低。
为提高强度，20世纪70年代又研制出7020合金，其强度高、可焊接性好。
此后，人们的注意力又集中到Al-Zn-Mg-Cu系铝合金上去了。
20世纪70年代末80年代初，美国学者先后在7075合金的基础上，为解决工业应用中SCC敏感性较高的问题以及满足一些特殊性能的需要，通过调整合金元素的含量，发展了几种新型合金7178、7070、7175、7475等。
国内对铝合金的研发起步较晚。
20世纪80年代初，东北轻合金加工厂和北京航空材料研究所开始研制Al-Zn-Mg-Cu系铝合金。
目前产品主要有7075、7175及7050等合金。
20世纪90年代中期，北京航空材料研究所采用常规半连续铸造法试制出7A55超高强铝合金，近来又开发出强度更高的7A60合金。
而在Al-Zn-Mg系铝合金的研制上，国内基本都是仿制，很少自行开发[2]。
1.3铝合金的种类
1.3.1纯铝的特性与牌号
铝在元素周期表中属第三周期，为主族元素，其微观组织结构为面心立方点阵。
铝的密度约为铁的三分之一，因而铝合金的密度一般也都比较低，但是它的强度很高，在很多情况下可以代替合金钢使用。
铝的熔点随纯度的升高而升高，最高时约为660℃。
铝的导电性和导热性比较好，现在在电器工业中经常用铝代替铜作导线，以节省成本。
铝在空气中有很好的抗腐蚀性，这是由于铝和空气中的氧在室温下即能化合形成一层致密且薄的氧化膜，但在热的稀硝酸或者稀硫酸中这层氧化膜是极易溶解的。
大部分铝合金是可以热处理强化的，以此方法来提高其强度和硬度等力学性能，从而满足不同用途的需求[1]。
铝含量大于等于99.00％的为纯铝，它的牌号用1×××系列表示（牌号最后两位数字表示最低铝的百分含量）。
牌号第二位的字母表示原始纯铝的改型情况。
A表示原始纯铝，B～Y等其它字母表示为原始纯铝的改型，其元素含量与原始纯铝相比是有所差别的。
1.3.2铝合金的分类
无论是在科学研究还是在日常工业生产中，纯铝的性能常常是不能满足要求的，所以，人们会在纯铝中加入各种合金元素，从而得到拥有各种不同性能及用途的铝合金。
铝合金的具体分类见图1.1[1]。
纯铝—1×××系，如1000合金
非热处理型合金Al-Mn系合金—3×××系，如3004合金
Al-Si系合金—4×××系，如4043合金
加工材Al-Mg系合金—5×××系，如5083合金
Al-Cu系合金—2×××系，如2024合金
热处理型合金Al-Mg-Si系合金—6×××系，如6063合金
Al-Zn-Mg-Cu系合金—7×××系，如7075合金
铝及铝合金Al-Li系合金—8×××系，如8089合金
纯铝系
非热处理型合金Al-Si系合金，如ZL102合金
Al-Mg系合金，如ZL103合金
铸造材Al-Cu-Si系合金，如ZL107合金
Al-Cu-Mg-Si系合金，如ZL110合金
热处理型合金Al-Mg-Si系合金，如ZL104
Al-Mg-Zn系合金，如ZL305合金
图1.1铝合金的分类
1.3.3变形铝合金的分类
变形铝合金对塑性变形能力的要求较高，其分类方法比较多，但很多国家按以下三种方法分类。
按照合金的状态以及热处理特点可以分为：
可热处理强化铝合金和不可热处理强化铝合金两类。
例如，纯铝、Al-Mn、Al-Mg、Al-Si系合金为可热处理强化铝合金；Al-Mg-Si、Al-Cu、Al-Zn-Mg系合金为不可热处理铝合金。
按照合金性能和用途可以分为：
工业纯铝，光辉铝合金，切削铝合金，耐热铝合金，低强度铝合金，中强度铝合金，高强度铝合金，超高强度铝合金，锻造铝合金及特殊铝合金等。
按照合金中所含主要元素成分可以分为：
工业纯铝（1×××系），Al-Cu合金（2×××系），Al-Mn合金（3×××系），Al-Si合金（4×××系），Al-Mg合金（5×××系），Al-Mg-Si合金（6×××系），Al-Zn-Mg-Cu合金（7×××系），Al-Li合金（8×××系）以及备用合金组（9×××系）。
以上所述三种方法各有特点，有时可以相互补充。
大多数国家在工业生产中是按第三种方法进行分类的，因为第三种分类方法能比较本质地反映合金的基本性能，同时易于编码、记忆和计算机管理。
我国也采用这种方法进行分类[1]。
1×××系合金：
该系列材料有较好的加工性、耐蚀性、表面处理特性，强度小，不适合用作结构物材，但在强度要求不高的家庭用品、日用品及电器上使用较多。
2×××系合金材料的强度与钢差不多，但由于材料中铜含量较多，所以耐蚀性较差，如果要在容易腐蚀的场合使用是一定要做防腐蚀处理的。
3×××系合金属于Al-Mn合金，添加Mn后会增加纯Al的强度，而不会减弱它的加工性和耐蚀性，这种材料大多应用于建材容器及汽车配管等。
4×××系合金属于Al-Si合金，其硅含量约为5％，在阳极氧化处理后呈黑色，可用于制造装饰件。
5×××系合金属于Al-Mg合金，当合金中Mg的含量较低时，一般用于装饰用，而Mg含量较高时，一般用于结构材料等。
6×××系合金的强度和耐蚀性都很好，经常用于结构用材，但是在焊接时会有热应力产生，所以一般需要使用铆接或螺栓结合。
7×××系合金含Zn的固溶体有更负的电位，因此可用它作为牺牲阳极和某些铝合金的包覆层。
添加Mg和Cu及其它微量元素后可削弱合金的应力腐蚀裂纹敏感性，从而制成一批有商业价值的7×××系合金，多用于飞机，航天航空器以及运动器材上[3]。
1.3.4铸造铝合金的种类
铸造铝合金的比重较小，比强度较高，有良好的抗腐蚀性以及铸工艺性，另外，铝合金的熔点一般比较低，并且熔炼工艺和熔炼设备都比较简单，因此铸造铝合金被广泛应用于各种成形铸造。
按照成分分类铸造铝合金可以被分成五类：
①Al-Si系和Al-Si-Mg系合金。
②Al-Cu系合金。
③Al-Mg系合金。
④Al-RE系合金。
⑤Al-Zn系合金。
1.46×××系合金的主要性质及应用
1.4.16×××系合金简介
6×××系铝合金具有成型性好、耐蚀性强、强度高、耐高温性能好等性能，7×××系合金虽然也具有较好的硬度和强度，但疲劳强度低于6×××系合金，和2×××系合金相比抗腐蚀性能优越，5×××系合金的斯德勒线及桔皮效应不令人满意，6×××系合金上述两种性质较好,所以倍受人们关注。
6×××系合金可以通过添加少量多种合金元素来细化晶粒，改变再结晶状态，同时改进铸造、轧制及热处理等工艺获得良好的综合性能。
6×××系铝合金常用于结构用材，但在焊接时会有热应力产生，因此一般需要使用铆接或螺栓接合[8]。
1.4.26×××系合金的成分与性能
6×××系合金的主要合金元素是镁和硅，它们形成Mg2Si相。
铁在合金中有一定的不良影响，但若合金中含有一定量的锰和铬可以中和铁的影响。
在合金中添加少量的铜和锌，可以提高合金的强度而不明显降低其抗腐蚀性。
用作导电材料时加入少量的铜可以抵消钛和钒对导电性的不良影响。
加入锆或钛能起到细化晶粒和控制再结晶组织的作用。
加入铅和铋可以改善合金的可切削性能。
在生产实践中Mg/Si比很难保持理论上Mg2Si的1.73，大部分合金含有过剩的镁或过剩的硅。
镁含量过剩时，合金的抗蚀性较好，但强度和成形性能较低；硅含量过剩时，合金的强度高，但成形性能和焊接性能较差，抗晶间腐蚀倾向较好。
6×××系合金的组织是比较简单的，主要组织由Mg2Si组成，在热处理状态下，Mg2Si固溶于铅中，使合金有人工时效硬化的能力。
如果合金中Cu与Si的含量较多，那么，合金中还能形成Cu2Mg8Si6Al5，它有一定的自然时效能力，一部分的Mg2Si被Cu2Mg8Si6Al5取代。
在不含锰和铬的6×××系合金中，铁以FeAl3、FeAl6、Fe2SiAl8等形式存在，而在含有锰和铬的合金中，铁会与它们形成化合物。
合金中铁含量为0.15％～0.20％时最好，因为铁含量越低，晶粒越粗大；铁含量越高，越对材料的表面处理性能不利，并且会降低表面亮度，甚至出现暗斑、条纹及其它表面缺陷。
在本实验中，我们选用的铝合金材料为6061型及6063型铝合金，所以下文中只着重介绍这两种6×××系铝合金。
6063型合金的Mg/Si比小于1.73，因此合金中有一定过量的Si。
6063型铝合金的抗拉强度可以达到230MPa，能满足建筑结构的要求；合金的相结构比较简单，工艺性能比较好，通常用简单的风冷就可以达到淬火的目的。
6063合金的淬火敏感性较低，可以在出模后进行风冷淬火，但是冷却速度要足够快，以确保材料在时效处理后能达到标准规定的力学性能。
6061的强度可达245MPa，常用于铁塔或者天车上。
6063的挤制性比较好，因而多用于门窗框。
6061用于不强调强度的结构物材上。
6061型合金与6063型合金的力学性能见表1.1[1]，1.2[1]。
表1.16061型铝合金的力学性能
状态
抗拉强度σb/MPa
屈服强度σ0.2/MPa
伸长率δ/%
抗剪强度στ/MPa
疲劳强度
σ-1①/MPa
硬度②HB
直径1.6mm试样
直径13mm试样
包铝的6061合金
O
T4、T451
T6、T651
124
241
310
155
145
176
25
22
21
30
25
17
83
165
207
62
97
97
30
65
95
未包铝的6061合金
O
T4、T451
T6、T651
117
228
290
48
131
255
25
22
12
—
—
—
76
152
186
62
97
97
30
65
95
①R.R.Moore试验，5×108次循环。
②4.9kN载荷，直径10mm钢球，施载时间30s。
表1.26063型铝合金的力学性能
状态
抗拉强度σb①/MPa
屈服强度σ0.2①
/MPa
伸长率δ①②/%
硬度③HB
抗剪强度στ
/MPa
疲劳强度σ-1
/MPa
O
T1③
T4
T5
T6
T83
T831
T832
90
152
172
186
241
255
207
290
48
90
90
145
214
241
186
269
—
20
22
12
12
9
10
12
25
42
—
60
73
82
70
95
69
97
—
117
152
152
124
186
55
62
—
69
69
—
—
—
①试验条件：
4.9kN载荷，直径10mm钢球，施载时间30s。
②R.R.Moore试验，5×108次循环。
③过去为T42状态。
1.4.36×××系合金的应用
6061型：
要求有一定强度、可焊性与抗蚀性高的各种工业结构件，比如制造卡车、塔式建筑、船舶、电车、家具等用的管、棒、型材。
6063型：
建筑型材，灌溉管材以及供车辆、台架、家具、栏栅等用的挤压材料。
1.5铝合金的锯齿形屈服
铝合金的锯齿形屈服，又叫做Portevin-LeChatelier效应，是指铝合金材料在一定的温度和应变率范围内变形时发生的失稳现象。
铝合金在塑性变形时，微观上位错的平均运动速度与溶质原子的扩散速度差不多大。
位错在运动时碰到阻碍物的时候运动停止，在此期间，溶质原子会向位错线偏聚形成溶质原子气团或沉淀相，这就加大了位错滑移的阻力。
当外力逐渐增大到比上述阻力大的时候，位错会再次开始运动，并且这个过程会再次重复发生，从宏观上表现出来就是合金材料出现的锯齿形屈服行为[4]。
铝合金材料在进入锯齿形屈服阶段后，变形就会变得非常不均匀，这种强烈的不均匀的变形方式必然对材料的变形过程以及后续加工使用产生不良的影响。
一般情况下，铝合金的锯齿形屈服行为会降低铝合金材料的延伸率，而且，局部变形过程中会有大量位错滑移到材料表面，形成肉眼就可以分辨出来的带状变形痕迹[4]（如图1.2所示），使材料表面变得粗糙，从而影响了表面成形质量和损害了外观。
而在进行压力加工和车身面板成形时，更应抑制由锯齿形负荷产生形变花纹，所以工业上抑制产生锯齿形成为重要的任务[5]。
图1.2锯齿形屈服时的变形条纹
1.6铝合金的热处理
金属的热处理是指，在固态下将金属或合金加热到一定的温度，并保温一定的时间，然后以一定的冷却速度冷却，换言之即通过控制加热速度、保温温度、保温时间和冷却速度四个基本要素，使金属或合金内部组织结构发生转变，从而获得一定性能的工艺方法。
热处理是大幅度改变材料性能的工艺环节，是提高产品的内在质量，保证使用性能和可靠性的关键，在制造业中有着十分重要的作用[6]。
对铝合金进行热处理的主要目的是：
提高力学性能，增强耐腐蚀性能，改善加工性能，获得尺寸的稳定性。
铝合金的热处理强化原理与钢不同，钢的热处理强化是以固溶体基体的相变为基础的，铝合金的强化是以化合物在铝的固溶体中的溶解度变化为基础的[7]。
铝合金的热处理工艺一般可以分为如下四类：
退火处理，固溶处理，时效处理和循环处理。
本实验所选试验材料为6061型及6063型铝合金，属于变形铝
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