二次時(shí)效對(duì)鋁合金氣瓶性能的影響

邵逸馨,劉揚(yáng)濤*,王大為,孫萬(wàn)利,宮 兵,劉 凱,杜志強(qiáng)

(1. 沈陽(yáng)中復(fù)科金壓力容器有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110141; 2. 沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110027)

0 引 言

近20 a來(lái),鋁加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅猛,成為許多國(guó)家和地區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè)之一[1]。新時(shí)代對(duì)節(jié)能、環(huán)保、安全提出了新要求,發(fā)展鋁工業(yè)是解決三大問(wèn)題的重要途徑。鋁材也是航空航天和現(xiàn)代交通運(yùn)輸輕量化、高速化的關(guān)鍵材料。

6061鋁合金是一種中等強(qiáng)度熱處理可強(qiáng)化鋁合金,通過(guò)固溶使強(qiáng)化相盡可能多的溶解,形成均勻的高溫固溶體,通過(guò)人工時(shí)效使強(qiáng)化相均勻析出,以達(dá)到提高強(qiáng)度的目的。6061鋁合金時(shí)效時(shí)強(qiáng)化相的析出順序是:過(guò)飽和固溶體→鎂硅原子團(tuán)簇→GP區(qū)→β″→β′→β[2-3]。其中β″被認(rèn)為是主要強(qiáng)化相[4-6]。

常規(guī)的固溶時(shí)效(T6)處理對(duì)性能的提升有限,為了獲得更高性能的鋁合金氣瓶,研究人員進(jìn)行了多級(jí)時(shí)效熱處理,主要包括預(yù)時(shí)效+再時(shí)效、預(yù)時(shí)效+拉伸+再時(shí)效、二次時(shí)效等[7]。

本文通過(guò)對(duì)二次時(shí)效后的鋁合金氣瓶的金相組織、力學(xué)性能和拉伸斷口的研究,探索二次時(shí)效對(duì)鋁合金氣瓶性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用6061鋁合金氣瓶試料,化學(xué)成分符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7866: 2012《氣瓶-可重復(fù)充裝鋁合金無(wú)縫氣瓶-設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)》[8],具體化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 6061鋁合金的化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料制作:第一組對(duì)鋁合金氣瓶試料進(jìn)行T6熱處理,第二組對(duì)鋁合金氣瓶試料進(jìn)行固溶+時(shí)效+二次時(shí)效處理(180℃,2 h)。熱處理后對(duì)兩組試樣在同樣的位置取樣并根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行SEM和EDS分析、金相試驗(yàn)、力學(xué)性能試驗(yàn)和斷口分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 二次時(shí)效對(duì)微觀組織的影響

圖1是鋁合金氣瓶試料析出相的SEM(a、b)和EDS(c)分析,試料的合金組織的析出相主要為圓球狀的Mg2Si。經(jīng)過(guò)熱處理的鋁合金氣瓶試料的金相組織如圖2所示,a為第一組T6金相組織,b為第二組T616金相組織。

a. 掃描電子顯微照片;b. 掃描電子顯微照片;c. EDS譜圖

a. 第一組T6金相組織;b. 第二組T616金相組織

從圖1和圖2可知,鋁合金氣瓶試料經(jīng)過(guò)2次時(shí)效后強(qiáng)化相更細(xì)小均勻。在時(shí)效強(qiáng)化型鋁合金中,對(duì)強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大的是析出相,析出相越細(xì)小密集,分布的越均勻彌散,其強(qiáng)度也越高[9-10]。

2.2 二次時(shí)效對(duì)力學(xué)性能的影響

經(jīng)過(guò)T6和T616熱處理的鋁合金氣瓶試料的力學(xué)性能及硬度如表2所示。

表2 鋁合金氣瓶試料的機(jī)械性能及硬度

從表2可知,第二組試料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均比第一組高。力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與金相組織互相印證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,二次時(shí)效后材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有所提升,即二次時(shí)效能有效提升鋁合金氣瓶試料的力學(xué)性能。

2.3 二次時(shí)效對(duì)拉伸斷口形貌的影響

經(jīng)過(guò)T6和T616熱處理的鋁合金氣瓶試料的拉伸斷口形貌如圖3所示,a為第一組500倍斷口形貌,b為第一組2000倍斷口形貌;c為第二組500倍斷口形貌,d為第二組2000倍斷口形貌。從拉伸斷口形貌圖可以看出,鋁合金氣瓶試料的拉伸斷裂類型為韌窩-微孔聚集性斷裂,在韌窩里可以清晰地看到析出相顆粒。韌窩的深淺、大小、數(shù)量取決于材料斷裂時(shí)第二相粒子的大小、間距和數(shù)量[11]。因此,可以通過(guò)韌窩來(lái)分析析出相的變化規(guī)律。從高倍掃描圖片上看,T6熱處理后的拉伸斷口韌窩大小、深淺不一,分布不均勻;二次時(shí)效(T616)熱處理后的拉伸斷口韌窩尺寸小、數(shù)量多,分布更均勻。這說(shuō)明二次時(shí)效細(xì)化了析出相,使鋁合金氣瓶試料的強(qiáng)度得到了提升。

a. 第一組500倍斷口形貌;b. 第一組2000倍斷口形貌;c. 第二組500倍斷口形貌;d. 2000倍斷口形貌

3 結(jié) 論

1. 經(jīng)過(guò)二次時(shí)效(T616)熱處理與經(jīng)過(guò)T6熱處理的鋁合金氣瓶試料相比:析出相更細(xì)小密集,分布更均勻彌散;拉伸斷口形貌韌窩尺寸更小,數(shù)量更多,分布更均勻。

2. 經(jīng)過(guò)二次時(shí)效(T616)的6061鋁合金氣瓶試料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度得到了有效提升。