汽车板用新型铝合金微合金化组织与性能的研究

摘要

铝合金具有密度轻、比强度高和可抗冲击性好等优点，且易于加工成形和回收再利用，已成为汽车轻量化的首选材料。为加快推动汽车轻量化和环保化转型发展，铝合金板材在汽车上的应用已成为一种必然趋势。本课题依据AA6010合金基础成分，设计五种成分Al-Mg-Si-Cu合金进行微合金化研究。通过液态铸造、热挤压成型、异步热轧等工艺制备Al-Mg-Si-Cu合金材料。利用等离子体原子发射光谱仪(ICP)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)检测化学成分及物相组成。采用光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)观察显微组织和断口形貌。通过背散射电子衍射(EB SD)技术进行晶粒分析和织构研究。
　　Al-Mg-Si-Cu合金铸态组织包括α-Al9Fe0.84Mn2.16Si、β-Al9Fe2Si2、Mg2Si、Al1.9CuMg4.1Si3.3和初生Si等，复合添加Ce和Er后析出稀土相。经520℃/12h均匀化退火，β-Al9Fe2Si2不完全转变为α-A19Fe0.84Mn2.16Si，Mg2Si和Al1.9CuMg4.1Si3.3及(α-Al+Mg2Si+Si)共晶体溶解，均匀析出针状或颗粒状第二相质点。退火态维氏硬度随成分变化趋势与铸态一致，且较铸态明显降低。
　　铸态组织在热挤压时被破碎，且沿挤压流线分布。Al-Mg-Si-Cu合金热挤压过程发生动态再结晶，再结晶晶粒分布于形变组织间隙，显微组织呈条带状结构。形变织构主要有Brass、S和{111}//ND，再结晶织构主要有Cube、Goss和P。Cu促进{011}//ND织构演变和Cube织构形成。随Cu含量增加，Al-Mg-Si-Cu合金的强度提高，塑性降低。复合加入Ti和Zr能细化条带状组织，增强P和F织构，抑制Cube织构，其合金屈服强度显著增加。复合加入Ce和Er能消除条带状组织，抑制Brass织构向P织构转变，促进Goss织构形成，其合金屈服强度和断后伸长率均增加。Al-Mg-Si-Cu合金热挤压态断口形貌为等轴状韧窝，其塑性变形能力良好。
　　经异步热轧，Al-Mg-Si-Cu合金显微组织呈拉长纤维状，沿轧制方向交替分布，为典型带状组织。亚结构与轧制方向约呈45°分布，动态再结晶晶粒分布于带状组织间隙。T6热处理后（580℃/1h固溶+180℃时效），组织为扁平状回复晶粒和再结晶晶粒。随轧制温度或总变形量增加，T6态再结晶现象越明显。轧制温度450℃和总变形量75％时，其轧制工艺效果最优。AA6010-0.4％Cu合金T6态晶粒最细小均匀，其板材抗拉强度可达400MPa，断后伸长率约18％。T6态拉伸仍为塑性断裂，断口形貌呈层片状或韧窝状。180℃时效前期，Al-Mg-Si-Cu合金硬度增加迅速，约3h达时效峰值，且峰值硬度随Cu含量增加而增加。复合加入Ti和Zr可进一步提高峰值硬度。复合加入Ce和Er能显著加速时效，峰值时间可缩短至1h，但峰值硬度略有降低。Al-Mg-Si-Cu合金峰值时效强度随Cu含量增加而提高，AA6010-0.6％Cu合金屈服强度与抗拉强度分别为370MPa和410MPa，断后伸长率为17.9％。复合加入Ti和Zr后，其抗拉强度提高到420MPa。复合加入Ce和Er后，合金强度和断后伸长率均有增加。
　　Al-Mg-Si-Cu合金T6态织构组分有Cube、CubeND(H)、Brass、CubeND({001}＜310＞)、{110}＜011＞和F等织构。随Cu含量增加，CubeND织构沿{001}面演变，{110}＜110＞织构演变为P织构。Cube带和PSN再结晶形核机制加强，但仍以剪切带形核为主。Ti和Zr复合添加，Cube和CubeND织构被抑制，形成Copper及较强{110}＜011＞织构。再结晶形核机制主要为剪切带形核，Cube带和PSN形核减弱。Ce和Er复合添加，Cube织构增强，F织构转变，{110}织构显著降低。再结晶形核机制主要为Cube带形核，PSN和剪切带形核减弱。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 铝合金汽车板研究背景

1．2 铝合金汽车板应用及发展

1．2．1 分类及性能特点

1．2．2 应用情况与发展趋势

1．3 铝合金汽车板国内外研究现状

1．3．1 微合金化研究

1．3．2 热加工工艺研究

1．3．3 织构组分研究

1．4 主要研究内容

2．1．1 合金成分设计

2．1．2 技术流程图

2．2 试验材料

2．2．1 熔炼及均匀化退火

2．2．2 热挤压设备

2．2．3 异步轧制设备

2．2．4 固溶和时效热处理

2．3 试验方法

2．3．1 化学成分检测

2．3．2 力学性能测试

2．3．3 组织结构观察

2．3．4 DSC热分析

第3章 Al-Mg-Si-Cu合金铸态及退火态组织与性能

3．1 引言

3．2 铸造及退火工艺条件

3．3 Al-Mg-Si-Cu合金铸态及退火态组织分析

3．3．1 铸态组织形貌及其组成相

3．3．2 微合金化对铸态组织的影响

3．3．3 均匀化退火对显微组织的影响

3．4 Al-Mg-Si-Cu合金铸态及退火态硬度

3．5 本章小结

第4章 Al-Mg-Si-Cu合金热挤压板材组织与性能

4．1 引言

4．2 热挤压工艺条件

4．3 Al-Mg-Si-Cu合金热挤压板材组织特征

4．3．1 热挤压板材显微组织

4．3．2 热挤压板材晶粒度分析

4．4 Al-Mg-Si-Cu合金热挤压板材力学性能

4．4．1 热挤压板材维氏硬度

4．4．2 热挤压板材拉伸强度

4．4．3 热挤压板材断口形貌

4．5 Al-Mg-Si-Cu合金热挤压板材织构组分

4．6 本章小结

第5章 Al-Mg-Si-Cu合金轧制-热处理板材组织与性能

5．1 引言

5．2 轧制-热处理工艺条件

5．3 轧制艺对Al-Mg-Si-Cu合金组织与性能影响

5．3．1 轧制工艺下板材T6态显微组织

5．3．2 轧制工艺下板材T6态力学性能

5．3．3 轧制工艺下板材T6态断口形貌

5．4 最优工艺下轧制-热处理板材的组织特征

5．5 微合金化对Al-Mg-Si-Cu合金组织与性能影响

5．5．1 Al-Mg-Si-Cu合金显微组织特征

5．5．2 Al-Mg-Si-Cu合金力学性能分析

5．5．3 Al-Mg-Si-Cu合金断口形貌观察

5．6 微合金化对Al-Mg-Si-Cu合金织构演变作用

5．7 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文