6082合金屬于Al-Mg-Si系可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有中等強(qiáng)度和良好的焊接性能和耐腐蝕性，主要被用于交通運(yùn)輸和結(jié)構(gòu)工程上，如橋梁、起重機(jī)、屋頂構(gòu)架、交通車和運(yùn)輸船等^[1]。鋁型材生產(chǎn)過程中必須精確控制生產(chǎn)工藝制度以獲得優(yōu)異的綜合性能，尤其是淬火工序，淬火速率太慢會(huì)影響時(shí)效強(qiáng)化效果，淬火速率太快會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力增加^[2]。因此通過研究合金的淬火敏感性來控制和改善淬火制度具有重要的意義^[3-5]。國外很多學(xué)者通過測定合金TTP曲線的方法研究其淬火敏感性，并且結(jié)合淬火因子分析法預(yù)測合金的硬度、強(qiáng)度和抗蝕性能等，獲得了很好的效果^[3-7]。本文通過分級淬火法測定了6082鋁合金的時(shí)間-溫度-硬度曲線，結(jié)合末端淬火實(shí)測冷卻曲線預(yù)測在不同淬火冷卻速率下合金的硬度，為鋁合金型材在線淬火工藝的制定提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料選取某鋁業(yè)公司生產(chǎn)的6082鋁合金，狀態(tài)為擠壓態(tài)。合金成分如表1所示。將鋁合金沿?cái)D壓方向?qū)⑵淝懈畛?0mm×20mm×4mm正方形小試樣。鋁合金圓柱形淬火試樣設(shè)計(jì)如圖1所示。熱電偶分別安裝在距試樣噴水端面5 mm、10 mm和60 mm的試棒中心（分別標(biāo)記為A，B，C），如圖1所示3個(gè)深孔。

表1  試驗(yàn)材料 6082鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

Table 1  Chemical compositions of the tested 6082 aluminum alloy（wt%）

圖1 淬火試樣

Fig.1 quench sample

1.2實(shí)驗(yàn)方法

鋁型材正方形小試樣經(jīng)530℃固溶處理2h后，在不同溫度的鹽浴爐中進(jìn)行不同時(shí)間的等溫處理，隨后再立即淬入室溫水中，經(jīng)175℃，6h人工時(shí)效后再進(jìn)行硬度測試。鹽浴爐中的溫度范圍為200~500℃，共取20個(gè)溫度點(diǎn)。為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，應(yīng)對鹽浴爐中的溫度進(jìn)行調(diào)整，使其波動(dòng)±3℃。保溫時(shí)間從5s到500s不等。合金的最大硬度經(jīng)530℃、2h固溶處理，室溫水淬再經(jīng)175℃，6h人工時(shí)效獲得。鋁棒材圓柱形淬火試樣經(jīng)530℃、3h固溶處理后進(jìn)行末端淬火實(shí)驗(yàn)^[9,10]，淬火過程中使用自主設(shè)計(jì)的溫度采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，再經(jīng)175℃、6h人工時(shí)效后進(jìn)行硬度測試。

2  實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1  6082鋁合金TTP曲線

圖2 6082鋁合金在不同溫度下的時(shí)效后硬度-等溫時(shí)間曲線

Fig.2 The hardness of artificially aged 6082 aluminum alloy vs time under different temperatures

（a）225℃; (b)325℃; (c)460℃

圖2所示為6082合金在225℃、325℃以及460℃下隨等溫保溫時(shí)間變化的關(guān)系曲線。合金未經(jīng)等溫保溫處理，固溶后直接淬火時(shí)效獲得的硬度為111.3HB。由圖2可以知，合金時(shí)效后的硬度隨著等溫保溫時(shí)間的延長總體呈下降趨勢。當(dāng)?shù)葴販囟容^低時(shí)（225℃），合金硬度隨著保溫時(shí)間的延長緩慢下降。如圖2（a）所示，合金保溫450s后硬度從T6峰值硬度111.3HB降低到73.6HB；在中間溫度區(qū)間時(shí)（325℃），合金硬度開始時(shí)下降速度很快，然后趨于穩(wěn)定。如圖2（b）所示，合金保溫40s后硬度迅速降低到了54.9HB，下降了50.6%；當(dāng)?shù)葴販囟容^高時(shí)（460℃），合金硬度隨著保溫時(shí)間的延長下降地非常少。如圖2（c）所示，合金等溫處理450s后其硬度由111.3HB只下降到82.9HB。

根據(jù)6082鋁合金時(shí)效后的硬度HB隨等溫溫度及等溫時(shí)間變化規(guī)律繪制出最大硬度值90%時(shí)的TTP曲線。

TTP曲線可表示為^[12]：       （1）

式中：k₁為未轉(zhuǎn)變分?jǐn)?shù)的自然對數(shù)；k₂是與形核數(shù)目的倒數(shù)有關(guān)的常數(shù)；k₃是與形核能有關(guān)的常數(shù)；k₄是與固溶相線溫度有關(guān)的常數(shù)；k₅是與擴(kuò)散激活能有關(guān)的常數(shù)。通過方程（1）利用最小二乘法對該曲線進(jìn)行擬合得到方程中的相關(guān)系數(shù)^[3]，如表2所示。改變系數(shù)k₁得到最大硬度值95%和99.5%的TTP曲線，如圖3所示?？芍?，該合金TTP曲線“鼻尖”溫度約為335℃。由最大值99.5%的TTP曲線可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)變時(shí)間為10s時(shí)，淬火敏感溫度區(qū)間為225℃~460℃。

圖3 6082鋁合金TTP曲線

Fig.3

表2  6082鋁合金TTP曲線的系數(shù)k2-k5

由于合金元素Mg和Si在Al中的溶解度隨著溫度降低而減小，因此過飽和固溶體在等溫保溫處理過程中會(huì)發(fā)生脫溶轉(zhuǎn)變，脫溶轉(zhuǎn)變的速率取決于脫溶相的形核率和長大速率^[11]。當(dāng)?shù)葴販囟容^低時(shí)（≤225℃），雖然過飽和度較高，形核率較大，但由于溫度較低，溶質(zhì)原子遷移速率小，長大速率慢，所以轉(zhuǎn)變速率小，合金的硬度隨時(shí)間的延長下降較慢；等溫溫度較高時(shí)（≥460℃），雖然溶質(zhì)原子擴(kuò)散速率大，但由于過飽和度較低，脫溶驅(qū)動(dòng)力小，形核率也小，因此相變速率很小，合金的硬度隨著時(shí)間的延長下降更加緩慢；而當(dāng)?shù)葴販囟仍?25℃~460℃中間區(qū)間時(shí)，過飽和度足夠大，脫溶驅(qū)動(dòng)力也足夠大，同時(shí)又保證了溶質(zhì)原子遷移速率足夠大，因此形核和長大的速率較快。由于脫溶相析出長大，消耗周圍溶質(zhì)原子，降低了固溶體的過飽和度，從而抑制了后續(xù)時(shí)效強(qiáng)化效果，因此在中間溫度區(qū)間合金的硬度隨著時(shí)間的延長下降很快。由此可知，6082鋁合金在高溫區(qū)的淬火敏感性很低，但在中溫區(qū)淬火敏感性極高，低溫區(qū)間淬火敏感性介于二者之間。這是導(dǎo)致TTP曲線呈現(xiàn)“C”型的原因。因此鋁型材的在線淬火工藝中，為了提高型材的良好性能和減少淬火后的殘余應(yīng)力，應(yīng)盡量提高中低溫區(qū)的淬火速率，適當(dāng)降低高溫區(qū)的淬火速率。

2.2  TTP曲線的應(yīng)用

2.2.1淬火因子分析

淬火因子分析法是用等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)法則來預(yù)報(bào)固溶線溫度以下非等溫條件下的組織轉(zhuǎn)變^[12]，對于鋁合金連續(xù)冷卻過程的相變動(dòng)力學(xué)可表示為，式中ξ為未轉(zhuǎn)變分?jǐn)?shù)；k₁為常數(shù)；τ為淬火因子，可通過

下式求得^[12]：        （2）

t為時(shí)間；t₀為淬火開始時(shí)間；t_f為淬火結(jié)束時(shí)間；t_c(T)為臨界時(shí)間，由C曲線或TTP曲線來決定。TTP曲線可用方程（1）來表示。通過連續(xù)冷卻曲線和TTP曲線可求得淬火因子τ：

    （3）

具體計(jì)算方法如圖4所示。合金的硬度和強(qiáng)度等可通過下式來進(jìn)行預(yù)測：

      （4）

圖4 淬火因子計(jì)算方法

Fig.4

2.2.2 TTP曲線應(yīng)用

圖5所示為圓柱形淬火離淬火端面不同距離中心處的實(shí)測冷卻曲線。

圖5 6082鋁合金末端淬火實(shí)測冷卻曲線

Fig.5

由圖可知，離淬火端面距離越近，其冷卻速率越大。通過合金的實(shí)測冷卻曲線和TTP曲線計(jì)算不同淬火速率下的淬火因子。在計(jì)算淬火因子的過程中，淬火敏感溫度區(qū)間的冷卻速率對合金的最終性能影響較大，而高溫或低溫區(qū)間的冷卻速率影響較小^[2,13]，因此計(jì)算溫度區(qū)間選為淬火敏感區(qū)間225℃~460℃。為了提高淬火因子分析法預(yù)測的精度，敏感溫度區(qū)間的平均溫降必須小于25℃/s^[14]。通過研究計(jì)算步長△t的取值對淬火因子的影響^[2]，取計(jì)算步長△t=0.1s。

圖6所示為不同淬火冷卻速率對淬火因子與合金硬度的影響。由圖6可知，隨著淬火冷卻速率的增大，淬火因子τ值逐漸減小，經(jīng)相同的時(shí)效處理后，合金的硬度值逐漸增大。淬火因子τ反映了淬火的劇烈程度，較小的τ值預(yù)示著較快的冷卻速率淬火、少量的相析出和良好的力學(xué)性能；較大的τ值預(yù)示著較慢的冷卻速率淬火、較多的相析出和較差的力學(xué)性能^[14]。在合金連續(xù)冷卻過程中，當(dāng)冷卻速率較小時(shí)，粗大的第二相析出長大，消耗掉周圍的溶質(zhì)原子，降低固溶體的過飽和度，抑制時(shí)效過程中強(qiáng)化相的析出，從而降低后續(xù)時(shí)效強(qiáng)化效果；當(dāng)冷卻速率較大時(shí)，粗大的第二相析出長大被抑制，得到較高過飽和度的固溶體，保證了后續(xù)時(shí)效強(qiáng)化效果^[11]。如圖6所示，當(dāng)平均冷卻速率為16℃/s時(shí)，合金的硬度值為99.3HB，達(dá)到了合金最大硬度值的90%，此時(shí)再通過增大淬火冷卻速率來提高合金硬度意義不大。因此在6082鋁合金實(shí)際生產(chǎn)在線淬火過程中，敏感溫度區(qū)間的淬火冷卻速率最好略大于16℃/s。

圖6 淬火敏感區(qū)間冷卻速率對淬火因子和合金硬度的影響

Fig.6

3  結(jié)論

通過中斷淬火法獲得了6082鋁合金TTP曲線，計(jì)算了淬火敏感溫度區(qū)間的淬火因子，結(jié)合淬火因子分析法預(yù)測了在不同淬火冷卻速率條件下合金的硬度。結(jié)果表明：6082鋁合金TTP曲線的“鼻尖”溫度約為335℃，淬火敏感溫度區(qū)間為225~460℃；當(dāng)合金在淬火敏感溫度區(qū)間225~460℃的淬火冷卻速率大于16℃/s時(shí)，合金的硬度能達(dá)到最大硬度值的90%。

1） 6082鋁合金TTP曲線“鼻尖”溫度約為335℃，高溫區(qū)（≥460℃）淬火敏感性很低；中溫區(qū)（225~460℃）淬火敏感性較高，低溫區(qū)（≤225℃）淬火敏感性介于二者之間。鋁型材在線淬火工藝中，應(yīng)盡量提高中低溫區(qū)的淬火速率，適當(dāng)降低高溫區(qū)的淬火速率。

2) 淬火因子分析法預(yù)測合金的硬度值與實(shí)測值吻合較好，表明淬火因子分析法具有較高的精確度與實(shí)用價(jià)值。

3) 合金的硬度隨著淬火速率增大而增大，當(dāng)淬火敏感溫度區(qū)間225~460℃冷卻速率大于16℃/s時(shí)，合金硬度能達(dá)到最大硬度值的90%以上。