微合金化Al-Mg-Cu合金微观组织及力学性能研究

发布时间：2020-07-05 16:10

【摘要】：Al-Mg合金是不可热处理强化合金,在Al-Mg合金的基础上加入少量的Cu在模拟烤漆(在175℃等温时效30min)过程中就有较为显著的快速硬化现象,这一现象为Al-Mg-Cu合金应用在汽车车身板材上提供了可能。本文在Al-Mg-Cu合金的基础上添加微量的Si、Er、Zr,研究微合金元素对合金固溶后时效析出的影响,自然时效对后续人工时效的影响,以及冷变形和后续退火对合金力学性能和微观组织的影响,得出以下结论:铸态Al-Mg-Cu合金中的初生相主要为S相,微合金化Al-Mg-Cu合金Si含量过高后合金中形成Mg_2Si初生相,添加Er后合金中形成AlCuEr初生相。固溶后合金中的S相完全回溶到基体中,但是在Si含量较高(0.5wt.%Si)的合金中仍残留有Mg_2Si相。AlCuEr相在固溶后仍残留在合金基体中,但是其中的Cu含量相对铸态合金有所下降,部分Cu回溶到了基体中。Al-Mg-Cu合金均表现出快速时效强化的特征,添加微量的Si(0.15wt.%)使得合金的强化效果显著增加。时效处理后合金强度的快速增高是由于合金中形成Mg-Cu原子团簇和S相。Si的添加之所以能够大幅提高合金快速强化增量,因为Si添加使得合金中的析出相明显细化,使其数密度增加,因而表现出更高的强化作用。Si微合金化Al-Mg-Cu合金随着Si含量的增加,合金的自然时效硬化速度越快,硬化水平越高。经过长时间的自然时效后人工时效前期的硬度值高于无自然时效合金,人工时效的峰值硬化水平低于无自然时效的合金。固溶态合金的强度较低,延伸率较高。由于固溶强化的作用,其强度随Si、Mg含量的增加而增大。由于固溶时析出的Al_3(Er,Zr)的强化作用,复合添加Er、Zr的合金固溶态的屈服强度比未添加的合金高27MPa。时效后合金强度增高,Al-2Mg-0.8Cu合金175℃时效30min后屈服强度升高35MPa,添加0.15wt.%Si的合金屈服强度升高83MPa。虽然硬度上表现出添加Er的合金初期时效强化减弱,但175℃时效30min后屈服强度升高量也在80MPa左右,相比未添加Er、Zr合金并没有明显下降。由于冷作硬化的作用,冷轧后合金的强度随变形量的增加而升高,其延伸率显著下降。175℃退火30min后,由于析出相强化和回复的共同作用,合金的屈服强度稍有下降,抗拉强度明显升高,延伸率大幅升高。随退火时间的延长,由于析出相的粗化,合金的强度下降。40%变形量合金退火30min后具有最为优异的性能,其强度和延伸率均较高。由于Mg对冷作硬化的作用,冷轧态合金的强度随Mg含量的增加而增高。Si微合金化Al-2Mg-0.8Cu合金随Si含量的增加,合金在175℃退火30min的屈服强度与冷轧态相比有一定的提升或持平,断后伸长率也有较大幅度的提高,并没有出现像Al-3.5Mg-0.8Cu-0.15Si合金冷变形再退火后屈服强度大幅度的下降的现象,可推断出Si有显著提升沉淀强化作用从而弥补了低温回复造成的屈服强度降低的现象。Er、Zr复合微合金化能显著提高合金的强度,尤其是在大(80%)变形量下175℃退火30min后合金的抗拉强度和断后伸长率都得到较大幅度的提升,从而可获得高强度和良好塑性相配合的合金
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.21;TG156.92
【图文】：

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可热处理强化；铸件采用高性能铸铝合金，可热处理强化。图1-2 是铝合金在汽车上的广泛应用[10]，从图中可看出在汽车车身上所用铝合金主要为 5000 系和 6000 系。图 1-2 铝合金在汽车上的广泛应用[10]Fig.1-2 Application of aluminum alloy in automobile[10]1.2.1 2000 系2000 系铝合金是以铜为主要的合金元素的铝合金，是一种可热处理强化的铝合金，强化相为 CuMgAl2和 CuAl2。其具有优良的锻造性、较高的强度、良好的焊接性能以及一定的烘烤硬化性。中南大学王孟君等人[11]研究发现短时预时效加速了 GP 区的溶解，形成 θ"相核心，抑制随后自然时效的硬化效果，使得强度下降。增加预时效时间使合金产生一定量的 θ"强化相，强度有所提高；在随后的模拟烤漆过程中，形成更多的 θ"强化相，材料强度进一步上升。国外目前 2036 和 2022 合金已部分用于汽车车身板材，如法国贝西内公司 2000 系的 AU2GT4

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图 1-3 6016 合金不同时间的自然时效后 180oC等温时效硬化曲线[29]Fig.1-3 Isothermal aging hardening curve of 6016 alloy at 180oC after different natural aging[29]1.4 Al-Mg-Cu 合金研究现状1.4.1 Al-Mg-Cu 合金在汽车车身板材上的应用潜力与不足之处汽车车身用板材一般先经冷冲压成形随后再进行烤漆涂装处理。冷变形后的合金板材由于位错增殖、空位增加等导致其处于热力学不稳定状态，它们在随后的涂装烤漆加热(通常烤漆温度为 170℃左右，烤漆时间约 30 min)过程中将不可避免发生回复甚至再结晶，从而使冷冲压变形后的合金板材强度有所降低，这正是不可热处理强化的 5000 系铝合金车身构件发生烤漆软化的重要原因[35]。最近很多学者致力于研究加入少量Cu的Al-Mg合金[36-47]，发现Al-Mg-Cu合金在模拟烤漆前期(在 170℃保温 60s)显微硬度就能达到峰值硬度的 60%[40]，这种现象被称为快速硬化现象，因此该合金在烤漆处理过程中可以达到很好的烘烤硬

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