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汽车车身板用Sn微合金化6xxx系铝合金的时效性能研究

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汽车车身板用Sn微合金化6xxx系铝合金的时效性能研究

作者：聂帅东北大学

学位级别：硕士

6xxx系铝合金板材由于其较优良的耐腐蚀性能及冲压成型性,同时可以利用烤漆工艺实现烘烤硬化,因而是理想的轻质汽车车身板材料。然而,传统的6xxx系铝合金汽车板材的生产成本较高,阻碍了其广泛应用与推广。Sn元素的存储量丰富,价格低廉,... 详细信息

6xxx系铝合金板材由于其较优良的耐腐蚀性能及冲压成型性,同时可以利用烤漆工艺实现烘烤硬化,因而是理想的轻质汽车车身板材料。然而,传统的6xxx系铝合金汽车板材的生产成本较高,阻碍了其广泛应用与推广。Sn元素的存储量丰富,价格低廉,且微合金化的作用较为显著,相对于价格较高的In、有毒性的Cd等元素,具有较大的利用价值,因而近年来受到了研究人员的极大关注。然而,Sn微合金化6xxx系铝合金在研发过程中尚存在一些问题,主要集中在Sn元素在铝合金中的作用和Sn微合金化6xxx系铝合金的合理时效工艺及性能控制方面。为此,本文针对Sn微合金化6xxx系铝合金的时效性能问题开展研究,对汽车板用铝合金的开发和推广具有重要的实际指导意义。本文设计了四种含不同微量Sn的6xxx系铝合金板材,经550℃×20min固溶处理后,分别进行室温×14d NA(T4)+AA、90℃×5h PA(T4P)+AA以及直接AA(Qc)处理,研究Sn对6xxx系合金自然时效性能的影响规律,以及Sn对T4态、T4P态以及Qc态下170℃-210℃时效硬化规律及主要强化相析出动力学的影响,得到以下结论:1、随着Sn含量由0.03%增加至0.08%,对自然时效的抑制由250min增加至15h。这表明微量Sn的添加会显著抑制6xxx系合金自然时效初期GP区的形成,即延缓合金的自然时效,因而无法使合金快速时效硬化。2、低温预时效时,微量Sn会降低初期预时效的速率,但对预时效后的时效硬化效果没有显著影响。微量Sn的添加会加快高温单级时效初期的硬化速度,但延长峰值硬度的到达时间。在欠时效态合金内发现有大量弥散分布的原子簇团及GP区,峰时效下原子簇团消失,GP区弥散分布于基体中,且尺寸逐渐增大,此外还弥散分布着大量细长的针状β"相以及pre-β"相。过时效期,GP区、针状析出相的尺寸增大,并出现短棒状析出相。随着时效温度的提高,析出转变过程加快,硬化达到峰值的时效时间缩短。3、T4、T4P态时效初期的硬化速率显著降低。随着Sn含量的增加,时效前期的硬化速率增加,同时T4、T4P态β"的析出激活能增加,达到的峰值硬度降低,出现烤漆软化现象。T4态β"相析出激活能较低较易析出而T4P态下β’相析出激活能较低,较易析出。T4态合金190℃时效达到峰值硬度的时间远小于T4P态合金190℃时效达到峰值硬度的时间。当Sn含量大于0.08%时,会显著提高预时效态β’相的析出激活能,阻碍β’相的形成及长大。

关键词：汽车车身板 6xxx系铝合金 Sn微合金化时效峰值硬度

随焊旋转冲击抑制6061-T6铝合金焊接接头软化及其对接头性能的影响

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随焊旋转冲击抑制6061-T6铝合金焊接接头软化及其对接头性能的影响

作者：卢杰辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

6xxx系铝合金在焊接过程中存在严重的软化现象,工件结构承载极限和使用寿命被减少,限制了6xxx系铝合金的应用。6xxx系铝合金接头承载能力的降低主要是由于焊接热循环导致焊接热影响区发生了“过时效”,难以简单采用焊后时效的方式解决... 详细信息

6xxx系铝合金在焊接过程中存在严重的软化现象,工件结构承载极限和使用寿命被减少,限制了6xxx系铝合金的应用。6xxx系铝合金接头承载能力的降低主要是由于焊接热循环导致焊接热影响区发生了“过时效”,难以简单采用焊后时效的方式解决。针对6xxx系铝合金焊接过程中出现的焊接热影响区软化问题,本研究采用一种新的力学冶金方法—随焊旋转冲击来抑制接头软化,改善接头性能。采用6061-T6铝合金板材作为实验材料,分别于焊接实时过程中对焊缝和焊接热影响区进行旋转冲击处理,对比分析有、无随焊旋转冲击区域的微观组织及其性能。通过热压缩实验,模拟6061-T6铝合金在不同温度、变形速率、变形量作用后的组织转变特点,研究准稳态条件下的应力调控析出相转变的作用机制。采用第一性原理计算分析不同压应力下6061铝合金主要时效析出相的热力学稳定性。通过以上的研究明确随焊旋转冲击抑制铝合金接头软化的理论基础,研究结果表明:(1)6061-T6铝合金焊接接头的软化区域主要集中在焊缝区和热影响区,其中硬度最低点距离焊缝中心6.5mm,其硬度值为52.6HV,相比母材硬度下降了45%,其软化原因与晶粒长大、时效强化相的回溶以及粗大平衡相的生成有关。采用随焊旋转冲击分别在6061-T6铝合金焊接接头的焊缝区与热影响区进行冲击作用,当工作电压为100V时,接头焊缝区与热影响区的硬度提升效果最好,相比常规焊接头焊缝区与热影响区的硬度分别提升了16%和18%,表明冲击区域的力学性能得到提高,接头软化问题得到抑制。随焊旋转冲击可促进冲击区域的时效相析出,再析出的时效相尺寸减小、数量增加;随焊旋转冲击还可以增加冲击区域的位错密度。在时效强化和应变强化的综合作用下,冲击区域力学性能得到提高。(2)不同变形参数条件下的热压缩试件的力学性能均大于同一加热温度下的未压缩试样,热压缩试验中的加热温度、变形量、应变速率对热压缩后试样的显微组织和力学性能有着明显的作用。加热温度为400℃时6061-T6铝合金试样硬度值最低,其中未压缩试样硬度值为40.1HV,热压缩试样硬度值为42.6HV;当加热温度一定时,应变速率为5s、变形量为15%时的热压缩试样硬度值达到最大,为46.3HV。施加一定压应力下6061铝合金时效相尺寸细小、密度增加,同时观察到在压力作用下合金内纳米级析出相形态发生改变,由圆盘状转变为棒状。(3)采用Material studio软件中的CASTEP程序包进行第一性原理计算,分析理想条件下的时效析出相相变与应力之间的关系,计算6061铝合金主要时效析出相在不同压力条件下的热力学稳定性。计算结果表明,β″相和β相在压力下的稳定性较好,β′相对压力更加敏感,在一定压力范围内发生了晶格常数畸变。随着压力的增大,β″相和β′相的形成焓下降趋势明显大于β相形成焓的下降趋势,原本不在凸包线上的亚稳相β″相与β′相逐渐转变为稳定相,6061铝合金的时效析出序列因此发生改变。同时,在较大压力条件下β相和β′相可以在不消耗能量的情况下相互转化。该论文有图57幅,表17个,参考文献125篇。

关键词：随焊旋转冲击 6xxx系铝合金钨极氩弧焊接头软化组织转变

汽车用6111铝合金板材力学性能和织构研究

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材料热处理学报 2013年第7期34卷 118-123页

作者：曹零勇郭明星崔华蔡元华汪小峰庄林忠张济山北京科技大学新金属材料国家重点实验室北京100083 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083

对6111铝合金板材T4P态(预时效后室温放置)和烤漆态(185℃×20 min)沿不同方向的力学性能和织构差异进行研究,结果表明:合金两个状态沿不同方向的力学性能存在明显差异,屈服强度沿轧向最高,分别为171 MPa和261 MPa,烘烤增量达90 MPa,而... 详细信息

对6111铝合金板材T4P态(预时效后室温放置)和烤漆态(185℃×20 min)沿不同方向的力学性能和织构差异进行研究,结果表明:合金两个状态沿不同方向的力学性能存在明显差异,屈服强度沿轧向最高,分别为171 MPa和261 MPa,烘烤增量达90 MPa,而伸长率却在与轧向呈45°方向最高;T4P态r和n值均沿轧向最高,而与轧向呈45°方向最低;合金T4P态已完全再结晶,表层晶粒尺寸小于中间层,纵截面再结晶晶粒长宽比高于横截面的;合金板材沿厚度方向存在明显的织构梯度,表层以{001}Cube织构和β取向线上的{114}织构为主,而中间层除{001}Cube织构外,还存在旋转立方织构{001};据此建立了6111铝合金板材不同状态力学性能和织构之间的定量关系。

关键词：汽车材料 6xxx系铝合金各向异性织构成形性能

Al-Mg-Si系合金板材各向异性与织构之间的关系

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材料热处理学报 2014年第5期35卷 54-59页

作者：汪小锋郭明星曹零勇张济山庄林忠北京科技大学新金属材料国家重点实验室北京100083

对T4P态的商用6016铝合金板材沿不同方向的力学性能、显微组织和织构差异进行了研究。结果表明:合金沿不同方向的力学性能均存在明显差异,厚向异性系数r值和加工硬化系数n值均沿轧向最高,而沿45°方向最低;合金已发生完全再结晶,但是各... 详细信息

对T4P态的商用6016铝合金板材沿不同方向的力学性能、显微组织和织构差异进行了研究。结果表明:合金沿不同方向的力学性能均存在明显差异,厚向异性系数r值和加工硬化系数n值均沿轧向最高,而沿45°方向最低;合金已发生完全再结晶,但是各部位再结晶晶粒仍然存在较大差异,表层晶粒数量较多且尺寸细小,而纵截面再结晶晶粒长宽比横截面的要大;合金板材沿厚度方向存在明显的织构梯度,表层主要以Cube织构{001}和不常见的{114}织构为主,而中间层除了Cube织构{001}之外,还存在P{011}、R{124}以及{112};分析了织构组分与r值的关系,并建立了成形性能、组织和织构之间的定量关系。

关键词：汽车材料 6xxx系铝合金各向异性再结晶织构

热轧Al- Mg- Si合金厚度方向显微组织及织构梯度演化

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稀有金属 2019年第3期43卷 265-273页

作者：李辉王家毅阎昭辉米振莉江海涛烟台南山学院工学院山东烟台265700 山东南山铝业股份有限公司国家铝合金压力加工工程技术研究中心山东烟台265713 北京科技大学工程技术研究院北京100083

通过拉伸试验、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、 X射线衍射(XRD)等研究Al-Mg-Si热轧板材沿厚度方向显微结构及织构的变化,结果表明织构类型沿表层至中心层出现明显的变化,表层主要为剪切织构r-cube{001};中心层表现出明显的平面应变织... 详细信息

通过拉伸试验、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、 X射线衍射(XRD)等研究Al-Mg-Si热轧板材沿厚度方向显微结构及织构的变化,结果表明织构类型沿表层至中心层出现明显的变化,表层主要为剪切织构r-cube{001};中心层表现出明显的平面应变织构特征,主要为沿着β取向线的C{112}, S{123}634>和B{011}织构;过渡层由于粒子诱导形核(PSN)效应,再结晶晶粒倾向于沿着大尺度第二相粒子形核长大,使晶粒择优取向性减弱,造成织构取向密度的强散射和random织构P的生成。Cube织构在平面应变条件下更容易发生,中心层cube织构的形成是由于再结晶晶核与S变形织构存在着40°的特殊位向关系,择优生长模型认为晶界具有很高的迁移速度,发生择优生长,吞并相邻的S织构。

关键词： 6xxx系铝合金织构 PSN效应再结晶

Si对可热处理强化铝合金组织及力学性能的影响

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Si对可热处理强化铝合金组织及力学性能的影响

作者：李梦媛东北大学

学位级别：硕士

含硅铝合金越来越受到人们的青睐而广泛应用于诸多领域。若同时在含硅铝合金中添加适量的Mg,还可使合金获得显著的时效强化能力。6xxx系铝合金（Si含量一般＜2%）及含镁共晶Al-Si合金（Si含量约为12%）分别为低Si和高Si可热处理强化Al-S... 详细信息

含硅铝合金越来越受到人们的青睐而广泛应用于诸多领域。若同时在含硅铝合金中添加适量的Mg,还可使合金获得显著的时效强化能力。6xxx系铝合金（Si含量一般＜2%）及含镁共晶Al-Si合金（Si含量约为12%）分别为低Si和高Si可热处理强化Al-Si合金。前者已经得到了充分的研究并获得了广泛的应用,最近发现后者也具有较好的综合机械性能。但是,对低Si和高Si之间的Si含量对含Mg（可热处理强化）铝硅合金组织和性能的研究却相对较少。本文的目的是研究Si含量从1%增加到12%时对Al-xSi-0.7Mg合金组织和性能的影响,同时也研究添加0.8%Mn的作用,揭示Si的影响规律,为选用材料和开发新合金提供依据。获得的主要结果如下:（1）60mm厚Al-xSi-0.7Mg（-0.8Mn）合金半连续铸锭的宏观晶粒尺寸随Si含量的变化并非单调变化,当Si含量为5%左右时,其晶粒尺寸相对最小;随着Si含量的增加,合金铸锭铸态组织中二次枝晶臂间距明显减小,含0.8%Mn合金中二次枝晶臂间距更小。（2）60mm厚Al-xSi-0.7Mg（-0.8Mn）合金半连续铸锭的铸态组织主要由树枝状的α-Al,共晶Si、Mg2Si以及含铁相组成;不含Mn的合金中含Fe相分别为AlFeSi型及AlMgFeSi型两种;含0.8%Mn的合金中含铁相数量增加而且主要为AlFeMnSi型;当Si含量≥11.1%时,组织中还会出现尺寸在10～50μm的初晶Si。（3）本实验所用的Al-xSi-0.7Mg合金半连续铸锭及其热轧板的过烧温度均随Si的增加无明显变化,在556～557℃左右;当加入0.8%Mn时,除1.26%Si的低硅合金热轧板材的过烧温度有所提高外,对其它Si含量合金铸锭及热轧板材的过烧温度均无明显影响。（4）60mm厚Al-xSi-0.7Mg（-0.8Mn）合金半连续铸锭经480℃加热保温2h后,合金组织中共晶Si发生了明显的粗化和球化,针片状共晶Si基本颗粒化;该锭坯经总变形量约78%的热轧变形后其结晶相均发生了不同程度的碎化;随着Si含量的增加,Si颗粒分布越来越均匀,当Si含量达到8.81%时,Si颗粒基本均匀地分布于基体中,但随着Si含量的增加（至Si含量为12.4%）,组织中长棒状Si颗粒的数量有所增多。（5）Al-xSi-Mg（-0.8Mn）合金热轧板材经固溶处理后,合金中Mg2Si结晶相数量明显减少,共晶Si颗粒发生了明显的粗化和球化;合金板材中AlMgFeSi型结晶相明显球化,而AlFeMnSi型结晶相略有球化;另外含Mn的合金中还出现尺寸在几十到几百纳米的呈球状、块状或长棒状的含Mn弥散相。（6）不同Si含量Al-xSi-0.7Mg（-0.8Mn）合金12mm厚热轧板经536℃×2h固溶水淬后在170℃时效,随着时效时间的延长,其强度逐渐增大,塑性逐渐降低,当时效8h时,合金板材的强度已经较高,继续延长时效时间,其强度略有下降,但变化不大;随Si含量增加合金板材时效后其电导率下降、强度增加,但当Si含量超过共晶成分后,合金抗拉强度下降。（7）在Al-xSi-0.7Mg合金中Si含量控制在2.5%左右,合金板材在170℃短时间时效（1.5h左右）可获得大于31%的延伸率,同时还具有大于269MPa的抗拉强度;含0.8%Mn的合金强度略有提高,对于Si含量低（Si＜5%）的较长时间时效的合金板材的塑性还略有增高。

关键词： Al-Si合金 6xxx系铝合金共晶硅结晶相

固溶处理对Al-1.5Si-1.2Mg-0.6Cu-0.3Mn铝合金组织性能的影响

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材料与冶金学报 2007年第1期6卷 50-54,76页

作者：田妮赵刚刘春明左良东北大学材料各向异性与织构教育部重点实验室沈阳110004

对汽车车身板用Al-1．5Si-1．2Mg-0．6Cu-0．3Mn铝合金冷轧薄板进行了固溶处理，研究了固溶温度、时间对第二相、晶粒及成形性能的影响规律．结果表明：在500～555℃之间进行固溶处理时，固溶温度升高，基体中残留的第二相数量逐渐减少... 详细信息

对汽车车身板用Al-1．5Si-1．2Mg-0．6Cu-0．3Mn铝合金冷轧薄板进行了固溶处理，研究了固溶温度、时间对第二相、晶粒及成形性能的影响规律．结果表明：在500～555℃之间进行固溶处理时，固溶温度升高，基体中残留的第二相数量逐渐减少，而再结晶晶粒尺寸形态变化不大；合金板材的强度和延伸率单调增大，IE单调减小，n，r15变化不大．1．2mm厚的冷轧合金薄板在540℃固溶处理时，保温时间需接近30min才可使其具有良好的成形性，继续延长保温时间至180min其成形性能变化不大．1．2mm厚的Al-1．5Si-1．2Mg-0．6Cu-0．3Mn铝合金冷轧薄板合适的固溶处理温度为540℃，保温时间应接近30min．常规T4状态的6xxx系铝合金薄板直接在汽车厂冲压成形后的烤漆涂装处理并不能起到提高车身构件强度的作用．

关键词： 6xxx系铝合金车身板固溶处理成形性烤漆硬化

Zr、Sc元素对短流程制备Al-0.36Mg-1.23Si合金组织性能的影响

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Zr、Sc元素对短流程制备Al-0.36Mg-1.23Si合金组织性能的影响

作者：张豪东北大学

学位级别：硕士

6xxx系铝合金由于具有良好的综合性能,目前已经成为最主要的汽车车身用轻质材料。但相较于传统的车身用钢板,6xxx系铝合金还存在着强度较低、成形性较差、成本较高等问题,严重阻碍了车身用6xxx系铝合金板材的应用及发展。6xxx系铝合金... 详细信息

6xxx系铝合金由于具有良好的综合性能,目前已经成为最主要的汽车车身用轻质材料。但相较于传统的车身用钢板,6xxx系铝合金还存在着强度较低、成形性较差、成本较高等问题,严重阻碍了车身用6xxx系铝合金板材的应用及发展。6xxx系铝合金常规制备过程中包括DC铸造、均匀化处理、热轧、退火、冷轧、固溶和预时效处理。其中常规的均匀化处理需要500℃以上的高温,并进行约24 h的保温处理,所需成本较高,并且均匀化过程中球化的结晶相会降低合金板材的成形性。改进均匀化处理制度,探究合适的短流程制备工艺能够有效的降低成本。同时微合金化也是提高6xxx系铝合金强度和成形性的重要手段。本文针对Al-0.36Mg-1.23Si合金,采用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜、XRD、拉伸试验等方法对合金显微组织和力学性能进行表征测定分析。在探究出合适的短流程制备工艺的基础上,进一步研究了 Zr和Zr、Sc复合添加对短流程制备的车身用Al-0.36Mg-1.23Si合金组织和性能的影响,为探究车身用6xxx系铝合金合适的短流程制备工艺和微合金化研究提供基础数据。主要研究结论如下:(1)无均匀化处理直接热轧、300℃×8 h预处理后热轧、540℃×24 h均匀化处理后热轧、300℃×8 h+540℃×24 h双级均匀化处理后热轧,四种热轧前的铸锭热处理工艺对Al-0.36Mg-1.23Si-0.11Zr合金热轧、退火、冷轧、再经545℃×30 min固溶水淬和170℃×7 min预时效处理后板材的晶粒形态无明显影响,均为尺寸约20μm的细小等轴晶粒,无均匀化处理热轧和300℃×8 h预处理后热轧,再经退火、冷轧、固溶和预时效处理后的板材基体中过剩结晶相粒子的尺寸更小、数量更多、分布更加弥散均匀。(2)车身用Al-0.36Mg-1.23Si-0.11Zr合金板材最佳的短流程制备工艺为:DC铸造→无均匀化处理直接热轧→540℃×3 h退火处理后空冷→冷轧→545℃×30 min固溶水淬→170℃×7 min预时效,经此短流程工艺处理后合金板材平行轧向的性能指标:屈服强度为142.8 MPa、抗拉强度为249.9 MPa、n10～20值为0.250、r10值为0.842、均匀延伸率为21.8%、断裂延伸率为29.1%、杯突值IE为11.01 mm。经2%预拉伸+170℃×30 min模拟烤漆处理后的性能指标:屈服强度为232.3 MPa、抗拉强度为295.3 MPa;屈服强度的烤漆增量为89.5 MPa、抗拉强度的烤漆增量为45.4 MPa。(3)Al-0.36Mg-1.23Si-(0～0.29)Zr合金T4P态板材基体中存在亚微米的AlFeSi和AlSiZrTi弥散相粒子,晶粒均呈等轴状。随Zr含量增加,AlSiZrTi弥散相粒子数量明显增加且分布不均匀,平行轧制方向存在带状弥散相密集分布区域。添加Zr能够明显细化合金板材经545℃×30 min的固溶处理后的再结晶晶粒,随Zr含量增加,再结晶晶粒尺寸略有减小。(4)随Zr含量增加,Al-0.36Mg-1.23Si-(0～0.29)Zr合金T4P态板材的强度呈先增大后基本不变的趋势,n10～20值呈先降低后升高的趋势,均匀延伸率、断裂延伸率、r10值和杯突值IE呈逐渐降低的趋势,板材再经2%的预拉伸+170℃×30 min模拟烤漆处理后均表现出明显的烤漆硬化效应,Zr含量为0.15wt%时,Al-0.36Mg-1.23Si具有最好的烤漆硬化性。(5)随Sc含量增加,Al-0.36Mg-1.23Si-0.15Zr-(0～0.09)Sc 合金 T4P 态板材的屈服强度呈逐渐降低的趋势,抗拉强度呈先升高后降低的趋势,均匀延伸率、n10～20值和杯突值IE呈逐渐升高的趋势,断裂延伸率、r10值无明显变化,板材再经2%的预拉伸+170℃×30 min模拟烤漆处理后的烤漆硬化性呈逐渐降低的趋势。(6)优化出车身板用Al-0.36Mg-1.23Si合金合适的Zr含量为0.15wt%。经短流程工艺制备出的Al-0.36Mg-1.23Si-0.15Zr合金T4P态板材平行轧向、垂直于轧向和斜向三个方向平均性能指标:屈服强度为143.2 MPa、抗拉强度为252.0 MPa、均匀延伸率为20.6%、断裂延伸率为27.3%、n10～20值为0.247、r10值为0.577、杯突值IE为9.95 mm,再经2%预拉伸+170℃×30 min模拟烤漆处理后的性能指标:屈服强度为235.3 MPa、抗拉强度为296.4 MPa;屈服强度的烤漆增量为93.6 MPa、抗拉强度的烤漆增量为 42.0 MPa。

关键词： 6xxx系铝合金汽车板短流程制备工艺 Zr Sc 成形性

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浅析阳极氧化工艺对粗晶缺陷的影响

有色金属加工 2019年第6期48卷 57-60页

作者：张悦鞠浩然刘兴武高爽李佳宁辽宁忠旺集团有限公司

以6xxx系铝型材经阳极氧化后,型材表面出现的粗晶缺陷为研究对象,对粗晶本质、形成机理进行了研究,确定了阳极氧化过程中,前处理碱蚀时间、氧化膜厚度以及前处理槽液中锌离子浓度对粗晶缺陷的影响;提出了生产过程中的预防和控制措施。

关键词： 6xxx系铝合金粗晶阳极氧化