热处理对铝合金组织的影响

随着我国建筑行业的飞速发展，对铝合金型材的需求越来越大。但目前我国铝合金型材的质量不是很高，例如铝合金力学性能难以达到高的承载要求，因此在成分控制和热处理工艺上有待进一步改善［1］。对于6XXX系合金，主要通过固溶和时效强化效果，同时控制再结晶组织特别是晶粒形态和织构来实现板材性能的各向同性［2］。再结晶形成的最终组织取决于再结晶之前板材组织中第二相粒子的大小、分布以及亚结构。控制热处理工艺过程，合金相的析出可显著改善合金的再结晶行为和结晶织构。目前6061铝合金多采用人工时效热处理［3］，此工艺可获得较高的强度，但塑性不佳，因此有必要对其热处理工艺进行改进以提高塑性。本文通过研究固溶、时效热处理后6061合金的显微组织、相结构、显微硬度、冲击性能等，探讨固溶、时效处理对6061铝合金组织与性能的影响。

1试验材料及方法

本试验所采用的材料为6061-T6铝合金，其名义化学成分见表1。用线切割法将6061铝合金板材切割成60mm×20mm×6mm的试样，将其放入10kW的SX-10-12型箱式电阻炉内，按表2所拟定的工艺方案进行热处理。然后分别从不同热处理后铝合金上截取金相和冲击试样，进行组织观察、显微硬度测试及冲击试验。

2试验结果与分析

2．1显微组织

6061铝合金主要由α(Al)+β(Mg2Si)二相共晶体组成［4］。固溶处理可以得到过饱和α固溶体，由于抑制了β相的析出，因而能获得较好的塑性和可旋压性［5］，随后的时效使β相析出。图1为未经热处理以及仅固溶处理后的6061-T6铝合金显微组织。由图1(a)可以看出，未经热处理的6061铝合金组织为略微被拉长了的等轴晶粒，其灰色部分为α(Al)，黑色部分为α+Mg2Si共晶组织。由图1(b)可以看出，经过535℃×4h固溶处理后的6061合金显微组织中看不到第二相粒子，表明第二相已基本溶入固溶体中，同时晶粒形状与固溶处理前相比发生了变化，为较大尺寸的等轴晶粒。图2为不同固溶温度，相同时效工艺处理后的6061合金显微组织，从图2中看不出析出相颗粒的差异，但535℃固溶的基体相晶粒尺寸较均匀(图2(b))，而高温565℃固溶时合金组织中晶粒发生了一定程度的长大(图2(c))。图3为同一固溶条件下不同温度时效后合金的显微组织，从图3(b)可以看出，535℃×4h固溶+180℃×3h时效后的6061铝合金显微组织中析出相颗粒尺寸最小，随时效温度的升高，基体相发生一定程度的长大。

2．2硬度测试结果与分析

硬度测试采用HV0．1S-1000数显式显微硬度计，载荷砝码为100g，保压时间为10s。测得未经热处理、经535℃×4h固溶处理、经535℃×4h固溶+180℃×3h时效处理后的6061铝合金平均显微硬度分别为74．81、80．99、107．90HV0．1。相同时效条件，在不同固溶温度下保温一定时间;相同的固溶条件，在不同时效温度下保温一定时间，6061铝合金显微硬度变化趋势分别如图4(a)和(b)所示。由图4(a)的硬度变化趋势可知，随着固溶温度的升高，硬度先达到峰值而后降低。这是由于固溶温度升高，增加了铝合金中过饱和固溶体的浓度，从而提高固溶强化效果。但随固溶温度的继续升高，合金中晶粒尺寸发生了长大，从图2(b)、(c)可以看出，565℃固溶比535℃固溶时的晶粒尺寸要大些，所以硬度降低较明显。由图4(b)的硬度变化趋势可知:随着时效温度的升高，硬度先达到峰值而后降低，这是由于强化效果是先随析出相数量的增加而增加，当强度达到峰值后继续提高时效温度，晶粒会粗化并逐渐转变为β'相和β相，强化效果大大降低，合金的硬度也开始下降。

2．3冲击试验结果与分析

材料在冲击载荷作用下，位错在材料内部的运动受到强化相的阻碍，引起强化相周围的位错塞积以及应力集中，高速冲击载荷在使位错运动的同时，使晶体温度升高，致使材料的韧性改变［6］。经不同热处理的试样，测得的冲击吸收能量如表3所示。由其中数据可看出，经热处理试样的冲击吸收能量均比未热处理的试样的冲击吸收能量高很多，表明热处理能明显提高6061铝合金的冲击性能。对2号～7号试样的冲击吸收能量进行分析，可以发现，6061铝合金的冲击性能对其固溶温度和时效温度的敏感性不强。

2．4综合分析

6061铝合金主要由α(Al)+β(Mg2Si)二相共晶体组成。热处理后基体中含有粗大的α-AlFeMgMn相，还有一些含Cr和Mn的棒状相和亚微米级的Mg2Si平衡相。固溶处理时，Mg2Si固溶于基体中，但α-AlFeMgMn相和短棒状相保留下来，合金的硬度有所提高。固溶+时效处理后，硬度明显提高。在较低温度时效，由于原子活动能力相对较弱，过饱和固溶体Mg2Si脱溶速度较慢，所得到的硬度较低。随时效温度的升高，原子活动能力增强，Mg2Si脱溶速度加快，在时效硬化曲线上出现时效峰值［7］。在脱溶初期形成不稳定的结构，形成GP区的扩大［8］，不稳定结构消失，Mg2Si质点开始趋于规则排列，形成有序化富集区［9］，当形成θ过渡相时，硬度达到最大值，最后随着沉淀相Mg2Si聚集长大，硬度逐渐下降。关于固溶温度对显微组织的影响，开始随着固溶温度的升高，Mg2Si能够更充分地溶入铝合金基体，所以在535℃时的固溶程度要大于505℃。溶质原子对位错钉扎，增加位错运动的阻力，进而发生固溶强化。随后进行的时效处理，使溶质原子析出形成第二相，在位错绕过或切过第二相时，临界切应力增大，产生异相强化，导致6061铝合金硬度和韧性增加，当固溶温度为565℃时，铝合金晶粒长大倾向严重，进而导致其硬度和韧性降低。

3结论

1)固溶和时效处理均能明显提高6061铝合金的冲击韧性。2)同一时效条件下，该铝合金在不同固溶温度下保温，随固溶温度的增加，固溶度增大，硬度提高，但超过一定温度后，晶粒发生长大，硬度减小。同一固溶条件下，6061铝合金在不同时效温度下保温时间相同时，随时效温度的增加，合金硬度和冲击韧性均呈现先增大后减小趋势。3)该铝合金在固溶温度535℃，保温4h，水淬后，时效温度180℃，保温3h时获得的组织和性能较好。

作者：张德芬 谭盖 刘璐 杨阳 陈孝文 陈宇 单位：西南石油大学 重庆隆鑫压铸有限公司