汽車防撞盒用6008鋁合金物理性能的研究

陸宏韜，李恩波，謝海光，王 宇，鄒玉涵

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

近年來隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車輕量化得到越來越多的重視，輕量化必須從汽車車身的每個部分進(jìn)行減重處理，整車重量每減少10%，耗油量可降低6%～8%，因此輕量化也成為節(jié)約能源的有效途徑之一[1-2]。鋁合金因具有較小密度、較高的比強(qiáng)度、良好的耐蝕性和機(jī)械加工特性，被廣泛應(yīng)用在汽車領(lǐng)域內(nèi)。除了對鋁合金的性能要求嚴(yán)格外，對其韌性和吸收能量能力要求也在提高。目前，有大量文獻(xiàn)[3-5]對6063、6061和6082等鋁合金的性能行進(jìn)較為深入的研究，但現(xiàn)有文獻(xiàn)對6008鋁合金時效制度的研究比較少。

6008鋁合金具有中等強(qiáng)度，良好的沖擊韌性和吸能效果，被廣泛應(yīng)用于制作汽車保險杠橫梁和吸能盒等部件。本文采用不同的時效制度對汽車防撞盒用6008鋁合金型材進(jìn)行熱處理，通過對拉伸、硬度、折彎和壓潰性能的檢測，研究6008鋁合金型材物理性能的變化規(guī)律，以期制定最優(yōu)時效工藝參數(shù)來獲得一定強(qiáng)度、優(yōu)良韌性和吸能效果好的防撞鋁合金型材，為未來新能源汽車工業(yè)技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用半連續(xù)鑄造法生產(chǎn)的6008鋁合金鑄錠，直徑為460mm，其化學(xué)成分為表1，鑄錠在540℃～550℃下進(jìn)行均勻化處理，采用2000T臥式擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓生產(chǎn)，擠壓系數(shù)38.8，模具加熱溫度490℃～510℃，鑄錠加熱溫度510℃～530℃，擠壓速度1.5m/min～2.5m/min，采用強(qiáng)風(fēng)+水霧淬火冷卻方式。擠壓完成后在型材的頭尾切取料樣，在箱式電阻爐內(nèi)分別達(dá)到欠時效(T5)、峰值時效(T6)和過時效(T7)三種時效狀態(tài)，時效制度見表2。

表2 試樣編號及時效制度

1.2 試驗(yàn)方法

時效后的料樣分別加工成拉伸試樣、硬度試樣、折彎試樣和壓潰試樣。采用100 KN電子萬能試驗(yàn)機(jī)，按GB/T 228.1-2010中的試驗(yàn)方法進(jìn)行力學(xué)性能檢測，屈服前應(yīng)力控制速度為18MPa/s，屈服后橫梁位移速度控制30mm/min；采用OMNITEST型多功能硬度計(jì)和1mm直徑壓頭，設(shè)定試驗(yàn)力為10kgf，進(jìn)行布氏硬度檢測；采用50KN電子萬能試驗(yàn)機(jī)和0.4mm沖頭，以2mm/min的試驗(yàn)速度進(jìn)行折彎試驗(yàn)；采用電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，以200mm/min的試驗(yàn)速度進(jìn)行壓潰試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)和硬度性能分析

固溶處理使合金中粗大的第二相分解，以最大程度溶入基體α中，淬火后將得到過飽和固溶體，時效時，在加熱條件下將發(fā)生脫溶分解，形成細(xì)小而彌散的第二相，從而使合金的強(qiáng)度提高。6008合金脫溶分解的過程為，過飽和固溶體α→GP區(qū)(Si、Mg)→過渡相β→平衡相β。時效初期，溶質(zhì)原子將在基體α的某個晶面無序的聚集析出，形成GP區(qū)，GP區(qū)與基體α保持共格關(guān)系，使合金的強(qiáng)度、硬度提高。隨時間延長，GP區(qū)逐漸轉(zhuǎn)化為過渡相β，仍然與基體α保持共格關(guān)系，過渡相密度不斷提高，使基體α內(nèi)產(chǎn)生大量畸變區(qū)，對位錯運(yùn)動的阻力不斷增加[6]，合金達(dá)到最大強(qiáng)化階段。表3可以看出，峰值時效狀態(tài)下T-2、W-2的強(qiáng)度、硬度值達(dá)到最大，而塑性降低。欠時效狀態(tài)下，由于原子擴(kuò)散速度較慢，析出過渡相β不充分，對位錯運(yùn)動的阻力較小，故T-1、W-1的強(qiáng)度降低，屈服強(qiáng)度處于客戶要求范圍下限的邊界，使合金不合格率增加。過時效狀態(tài)下，原子擴(kuò)散速度快，形成過渡相后繼續(xù)聚集長大，與基體α共格關(guān)系將受到破壞，脫溶出穩(wěn)定相β，減弱了其對位錯運(yùn)動的阻力，過時效時間為4h，雖然T-3、W-3的強(qiáng)度、硬度值降低，但仍然在客戶的要求范圍內(nèi)，且塑性有所提高。

表3 不同時效制度下的力學(xué)和硬度性能

2.2 折彎性能分析

6008合金與其他6xxx系合金相比，加入了少量的V，提高了合金的強(qiáng)度、韌性和沖擊性能[7]。峰值時效狀態(tài)下，基體α中均勻的分布著大量的第二相，即過渡相β，由于第二相較硬，位錯會彎曲變形，使沖擊載荷力值升高；繞過機(jī)制通過第二相的阻礙，并在第二相粒子周圍留下位錯環(huán)，留下的位錯環(huán)對后續(xù)的位錯運(yùn)動也會形成阻力，導(dǎo)致位錯大量聚集塞積，應(yīng)力高度集中，容易在位錯群前端產(chǎn)生小的微裂紋[8]。微裂紋逐漸擴(kuò)展，導(dǎo)致合金表面破裂，使沖擊載荷降低，載荷降低后測量出彎曲角度，結(jié)果見表4。折彎后試樣形貌見圖1。由此可見，T-2和W-2的計(jì)算彎曲角度稍低，其峰值時效狀態(tài)下合金韌性稍低，欠時效和過時效狀態(tài)下對位錯阻礙作用小，同樣的沖擊變形下產(chǎn)生的位錯塞積程度低，故其合金韌性較好。

表4 不同時效制度下的折彎性能

(a) T-1折彎形貌；(b)W-1折彎形貌；(c)T-2折彎形貌；(d) W-2折彎形貌；(e)T-3折彎形貌；(f)W-3折彎形貌圖1 折彎后不同時效制度下試樣形貌Fig.1 Morphology of specimen under different aging system after bending

2.3 壓潰性能分析

該型材壓潰變形是以疊縮方式進(jìn)行的，不同時效制度下壓縮波動次數(shù)基本相同，其性能結(jié)果見表5，壓潰后試樣形貌見圖2。壓縮變形過程為，開始壓縮時合金發(fā)生彈性變形，達(dá)到屈服后發(fā)生塑性變形，有部分型材發(fā)生失穩(wěn)變形，壓潰載荷進(jìn)而增加達(dá)到最大載荷，而后載荷下降，此時形成第一個褶皺，繼續(xù)下壓，導(dǎo)致未變形區(qū)開始變形，形成下一個褶皺[9]，循環(huán)往復(fù)。峰值時效狀態(tài)下，基體α中第二相粒子數(shù)量最多，強(qiáng)度提高，對位錯阻礙作用大，故T-2、W-2的最大載荷值較大，但由圖2(c)(d)可看出，在褶皺處均產(chǎn)生了6mm～8mm的細(xì)小裂紋，壓潰吸能效果欠佳。而欠時效和過時效均有較好的吸能效果，過時效狀態(tài)下，試樣疊縮效果好，形成多個完整褶皺，能量均勻傳遞。

表5 不同時效制度下的壓潰性能

3 結(jié)論

(1)6008鋁合金峰值時效(T6)狀態(tài)下，合金強(qiáng)度、硬度較高，但其塑性、韌性和碰撞吸能效果較低，反而強(qiáng)度較低的欠時效(T5)和過時效(T7)狀態(tài)下，合金折彎性能和壓潰性能要稍好。

(a) T-1壓潰形貌；(b)W-1壓潰形貌；(c)T-2壓潰形貌；(d) W-2壓潰形貌；(e)T-3壓潰形貌；(f)W-3壓潰形貌圖2 壓潰后不同時效制度下試樣形貌Fig.2 Morphology of samples under different aging regimes after crushing

(2)過時效(T7)狀態(tài)下，合金屈服強(qiáng)度為273MPa，抗拉強(qiáng)度為284MPa，斷后伸長率為12.5%，符合客戶的性能要求，其折彎和壓潰性能均比峰值時效狀態(tài)下的好，壓縮后為典型的疊縮形貌。

(3)為了獲得良好的綜合性能，符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，建議汽車防撞盒用6008鋁合金的時效制度為過時效狀態(tài)，即加熱溫度為200℃，保溫4h。