摘 要：
6016铝合金由于其在汽车板件中的应用受到广泛关注，本试验以挤压加工的6016铝合金型材为研究对象，探索了不同热处理工艺对其力学性能的影响，结果表明：合金最佳的单级时效工艺是180℃*6h，最佳的停放时间是4h，最佳的固溶处理工艺是550℃*1.5h。在整个系列的试验中，合金最高抗拉强度为304MPa，屈服强度为292MPa，延伸率为6.8%。同时，基于试验结果，本文阐述了不同热处理工艺对6016铝合金的影响机理。
关键词：
6016铝合金；时效工艺；停放时间；固溶处理；力学性能
6000系铝合金板材是当今研究和应用的热点之一，在轿车车身轻量化方面有重大意义，通过热处理（如：T4、T6、T8）后的6000系铝合金板材，用于车身框架材料，能很好的满足使用要求。铝合金挤压技术是比较常见的用于生产铝型材的加工工艺，国外铝制车体型材采用6000系列合金居多[1]，像6009、6010、6111、6181A等，美国汽车制造商一般是选取强度较高的6111铝合金[2-3]，欧洲各国则是选用成形性能较好的6016铝合金。
6016铝合金出现相对较晚，目前主要是通过轧制的方式加工成板材用于汽车工业[4-9]。鉴于汽车工业的良好前景，考虑通过挤压的方式获得性能优异的该种合金产品，以获取更大的汽车型材市场空间。然而，6016铝合金挤压型材的研究比较匮乏，目前只有对挤压行为的有限元分析见于文献[10-11]，其实际挤压型材的性能、挤压工艺以及相关的热处理工艺仍是未知。因此，本文以6016铝合金为研究对象，参考常规用于挤压的高Si的6000系铝合金，探索出6016挤压型材的最佳工艺、性能，并分析热处理工艺对其力学性能的影响。
01
实验材料及方法
实验所用原料为99.85%铝、工业纯镁、工业纯硅、电解铜以及Al-75%Mn中间合金，具体成分如表1所示。熔炼温度控制在730-750℃，待金属彻底熔化后进行多次精炼并保温静置30分钟。使用半连续铸造设备铸造成Φ178的铸锭，进行560℃×20h的均匀化退火处理，然后挤压成98mm×5.0mm的板材。其中，铸锭温度为440-460℃，挤压筒温度为400-420℃，模具温度为410-430℃，挤压速度为2mm/s，挤压后试样直接以大于335℃/min的冷却速度水冷到室温。
对挤压后的6016铝合金取规格为200mm×8 3mm×8.5mm的试样若干个分别进行以下热处理实验：（1）经过550℃*1h的固溶处理后进行不同温度、时间的单级时效，其中时效温度分别为170℃、180℃和190℃，时效时间分别为4h、5h、6h、7h和8h。（2）经过550℃*1h的固溶处理后，停放不同时间并进行180℃*6h的单级时效，其中停放时间分别为0h、2h、4h、8h、12h，20h和28h。（3）经过不同温度、时间的固溶处理后进行180℃*6h的单级时效，其中固溶温度为550℃时，固溶时间分别为0.5h、1h、1.5h和2h；固溶温度为540℃和560℃时，固溶时间为1h。（4）经过550℃*1h的固溶处理后进行自然时效。
各试样在310HVS-5维氏硬度计进行硬度测试，在GP-IS2000M电子式万能试验机上进行拉伸试验。
02
实验结果与讨论
2.1 单级时效
合金在时效温度为170℃/180℃/190℃下，保温4-8h后测得的硬度曲线如图1所示。在不同的时效温度下，合金硬度皆随保温时间的增加，先升高后降低。合金在170℃、180℃和190℃下分别达到的最高硬度为123.6HV、124.5HV和119.4HV，皆发生在时效温度为6h时。从硬度曲线上看，170℃和180℃时的硬度曲线接近，但190℃时的硬度则相对低得多，考虑合金在过高时效温度下第二相的粗化加快，合金强硬度迅速下降。
6016铝合金的时效过程是过饱和固溶体的脱溶分解过程，基本析出序列为：过饱和固溶体→团簇→G.P区→亚稳β〞相→亚稳β′相→平衡稳定相 β (Mg2Si)。时效形成的G.P区、β〞相与基体保持共格的关系，都有效阻碍了金属晶体的变形，但β〞相比G.P畸变更大，对位错运动的阻碍进一步增大，强度得到提高，直到获得该时效过程的峰值强度。如图中6016铝合金在180℃*6h的工艺制度下，达到了最高的硬度124.5HV，测得合金此时的抗拉强度为293MPa，屈服强度为284MPa，延伸率为6%。此后，随着时效时间的延长，形成的过渡相β′与基体半共格，对位错运动的阻碍作用减小，表现在合金性能上是硬度开始下降，即合金进入了过时效状态。这时形成的β相完全脱离了母相，与基体的共格关系完全破坏，并形成了自己独立的晶格，合金的强度进一步下降[12]。
另外，随着人工时效温度的增加，原子动能增大，第二相的析出及长大速度均明显升高[13]。合金此时往往存在更多的β′相和β相，这些相与G.P区、β〞相相比，对强度的贡献更小，而且高温使第二相粗化明显，弥散强化作用减弱，合金最终表现出更低的强硬度峰值。如图中6016铝合金在190℃*6h工艺制度下最高的硬度只有119.4HV。
2.2 停放效应
实际生产中，型材挤压后往往需要矫直、运输等，不可能立刻进行时效热处理，因此需要在空气中停放一段时间，在停放过程中型材发生自然时效。6016合金在550℃*1h固溶处理后，停放不同时间并进行180℃×6h单级时效，停放时间对力学性能的影响如图2所示。随着停放时间的增加，合金的抗拉强度和屈服强度在前2h内变化不大，但在4h时达到最大值，分别为301MPa和292MPa，随后强度在4-12h持续下降，在12h-28h持续上升，但总体变化不大。合金的延伸率随着停放时间增加，始终波动在6%左右，并在4h时达到最大值6.8%。综上，4h为该固溶处理和时效工艺下最佳的停放时间，此时的强度和延伸率皆最高。
对于 6016铝合金，停放时间对合金力学性能的影响与合金的Mg2Si含量有关，当ω（Mg2Si）大于1.0%时，停放过程会使合金的力学性能降低；当ω（Mg2Si）小于1.0%时，经停放后合金的力学性能略有升高[12]。试验合金中ω（Mg2Si）含量为0.65%，因此，在停放0～4h范围内，其强度逐渐达到最大值。固溶处理后经过一定时间的停放，饱和固溶体预先析出GP区，并为后续时效中析出的β〞相提供形核核心，因此强度有所提高。停放时间过长，预先析出的GP区数量较多，一部分形成β′相或β相形核的核心，一部分长大粗化，强度有所下降。
2.3 固溶处理
固溶处理对合金后续的时效过程和最终力学性能的影响显著。如图3、图4所示，在固溶温度为550℃时，保温1.5h时合金的固溶效果最好，最终获得的样品力学性能最高，其抗拉强度为304MPa，屈服强度为292MPa，延伸率为6.8%。保持固溶时间为1h时，在不同固溶温度下，合金的强度变化不大，但延伸率在更高（560℃）或更低（540℃）的温度下皆下降明显。
固溶处理的过程即是形成过饱和固溶体的过程，过饱和固溶体是时效析出的基础，形成的过饱和固溶体的过饱和度越高，时效析出的第二相越多，材料强度上升越明显。在一定的冷却条件下，控制固溶处理的温度和时间能够有效控制过饱和固溶体的质量。通常控制加热温度达到第二相的固溶温度以上，同时保温足够长的时间，保证第二相充分溶入基体。过高的温度和过长的保温时间会使晶粒粗化严重，温度高于一定程度，合金甚至会发生过烧现象，影响最终的力学性能。因此，需要选择适当的固溶温度和固溶时间来调控合金的性能。对于6016铝合金，在其他条件不变的情况下，最佳的固溶处理工艺为550℃*1.5h。
2.4 自然时效
6016铝合金的自然时效曲线如图5所示。在自然时效过程的前27h内，合金硬度增加的速度较快，从84HV增加到103HV。随后硬度保持相对稳定，最终在172h时稳定在105HV左右，对应的抗拉强度为240MPa，屈服强度为138MPa，延伸率为27%。相比人工时效，自然时效由于时效温度为室温，沉淀析出动力不足，不能形成足够的GP区以及η′相，所以强硬度较低。
03
结论
（1）6016铝合金最佳的单级时效工艺是180℃*6h，此时合金的硬度为124.5HV，对应的抗拉强度为293MPa，屈服强度为284MPa，延伸率为6%。时效温度不变，随着时效时间的增加，其力学性能先增后减。不同时效温度最终能达到的峰值硬度不同，这是因为相对低温难以保证时效析出充分，相对高温则析出物容易粗化，皆不利于合金强化。
（2）6016铝合金在停放0～4h内，其强度逐渐达到最大值。此时对应的抗拉强度为301MPa，屈服强度为292MPa，延伸率为6.8%。考虑停放时间对合金力学性能的影响与Mg2Si含量为0.65%有关。
（2）6016铝合金最佳的固溶处理工艺为550℃*1.5h，此时对应的抗拉强度为304MPa，屈服强度为292MPa，延伸率为6.8%。考虑固溶温度和固溶时间对过饱和固溶体质量的贡献，需要控制加热温度达到第二相的固溶温度以上，同时保温足够长的时间，保证第二相充分溶入基体。
（4）6016铝合金自然时效的强硬度最低，自然时效172h后稳定的硬度为105HV，对应的抗拉强度为240MPa，屈服强度为138MPa，延伸率为27%。
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