隨著我國軌道交通業(yè)的蓬勃發(fā)展，高速、地鐵、輕軌等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)在緩解城市交通和建設(shè)低碳經(jīng)濟方面發(fā)揮著重大作用。鋁合金由于其質(zhì)量輕、耐腐蝕、可焊性高且易加工成型在軌道交通車輛領(lǐng)域得到了更廣泛的應(yīng)用。但是車體用鋁型材對模具設(shè)計、擠壓工藝和在線淬火技術(shù)要求很高^[6]。合金在線淬火工藝的確定又由其淬火敏感性，即合金淬火–時效后性能與淬火冷卻速率相關(guān)的特性來決定。淬火冷卻速率太小，合金時效后強度、硬度不達標(biāo)；淬火冷卻速率過大，又會造成較大的殘余應(yīng)力和變形^[7]。因此，合適的淬火冷卻速率是得到優(yōu)良的鋁型材的前提^[8]。目前，國內(nèi)外對合金淬火敏感性的研究手段主要有端淬法、TTT（Temperature-Time-Transformation）曲線、TTP（Temperature-Time-Properties）曲線、CCT（Continuous-Cooling-Transformation）曲線以及計算機模擬等[9]。王國軍等[10]采用端淬法獲得了2D70合金不同淬火溫度下的端淬曲線，指出該合金的淬火敏感性很小。16℃和30℃水淬的效果差別不大，淬透層深度至少大于150mm。V.G. Davydov等[11]利用高靈敏XRD設(shè)備和DSC設(shè)備研究了1424鋁合金等溫轉(zhuǎn)變過程，獲得了合金淬火敏感區(qū)間（100–450°C）和時效溫度區(qū)間（100–250°C）的TTT和TTP曲線，得出抑制淬火過程中S1 (Al2MgLi) 相的臨界冷卻速度為12℃/s。O. Kessler[12]等人采用DSC設(shè)備模擬固溶和淬火冷卻過程獲得了Al-4.5Zn-1Mg合金的CCT曲線，得到該合金的淬火臨界冷卻速度約為2.6℃/s。但是，軌道車輛用6082鋁合金型材淬火敏感性研究還鮮見報道。本文通過實驗測試?yán)L制了6082合金的TTT和TTP曲線，并且還利用JMatPro 5.1軟件模擬出合金的TTT和CCT曲線。在此基礎(chǔ)上，對合金淬火敏感性作了詳細的分析和討論，旨在為該合金在線淬火工藝的制定提供理論和實驗的依據(jù)。

1  材料與實驗方法

1.1 材料

研究合金由廣東鳳鋁鋁業(yè)有限公司提供，合金鑄錠采用半連續(xù)鑄造方法制備，合金化學(xué)成分見表1。鑄錠均勻化處理后在800T臥式擠壓機上進行擠壓，得到直徑為16 mm的棒材。

表1 研究合金的化學(xué)成分（質(zhì)量百分數(shù)）

Table 1  The chemical composition of the experimental alloy (wt%)

alloy	Mg	Si	Fe	Cu	Mn	Cr	Ti	Zn	Al
6082	0.7	1.0	0.40	0.1	0.5	0.1	0.05	0.10	Bal.

1.2 實驗方法

     鋁合金的TTT曲線通過固溶-等溫淬火-電導(dǎo)率測試的方法測定。合金棒材加工成Φ16mm×6mm圓片試樣，固溶后淬入不同溫度的鹽浴中等溫處理0~48h后水冷，測量圓片試樣等溫處理后水冷狀態(tài)的電導(dǎo)率（γ）。等溫過程中，過飽和固溶體分解，合金電導(dǎo)率升高。因此，可以將合金固溶后直接水冷的電導(dǎo)率（γ_min）對應(yīng)等溫過程過飽和固溶體零分解，電導(dǎo)率變化速率最大的等溫溫度下長時間等溫48h的電導(dǎo)率（γ_max）對應(yīng)等溫過程過飽和固溶體完全分解，可以用電導(dǎo)率γ的變化來表征等溫過程中過飽和固溶體分解析出第二相的轉(zhuǎn)變量f（公式（1）），進而得到等溫溫度-等溫時間-轉(zhuǎn)變分數(shù)關(guān)系，即TTT曲線。

    鋁合金的TTP曲線則是通過固溶-等溫淬火-人工時效-硬度測試的方法測定。方法與TTT曲線的繪制類似，可以得到合金等溫溫度-等溫時間-硬度間的關(guān)系，即TTP曲線。不同的是通過測量合金等溫淬火后人工時效狀態(tài)合金的布氏硬度H來表征等溫過程的過飽和固溶體分解的轉(zhuǎn)變分數(shù)f（公式（2））：

    其中，H為等溫淬火后人工時效的硬度；H_max為固溶后直接水淬后人工時效的硬度；H_min為固溶后以極慢的冷卻速度緩冷后人工時效的硬度，H_min通常很小。由合金TTP曲線數(shù)據(jù)，采用淬火因子分析法（QFA）^[13~15]，即可得到淬火平均冷卻速度與合金時效后布氏硬度的關(guān)系，從而得到合金的淬火臨界速度值。

    與此同時，還采用JMatPro 5.1 軟件模擬得出TTT、CCT曲線，獲得合金的淬火敏感性參數(shù)，并與實驗結(jié)果作對比。JMatPro是一套功能強大的金屬材料相圖計算與材料性能模擬軟件，它是以相轉(zhuǎn)變熱力學(xué)和動力學(xué)為基礎(chǔ)，通過計算得到各個相在不同溫度和不同時間條件下的轉(zhuǎn)變分數(shù)，得到合金的TTT曲線和CCT曲線。

    合金電導(dǎo)率測試在D60K數(shù)字金屬電導(dǎo)率測量儀上進行。硬度測試采用HBS-62.5型數(shù)顯小負荷布氏硬度計，加載時間為30s。TEM顯微組織觀察在TECNAIG²20分析電鏡上進行，加速電壓為200KV。

1.3 淬火因子分析法（QFA）

    等溫動力學(xué)方程可表示為x=1-exp(-kt)ⁿ，對于鋁合金中的針狀和片狀第二相n=1。而連續(xù)冷卻過程鋁合金相變動力學(xué)方程可表示為ξ=1-exp(k₁τ) ，式中ξ為未轉(zhuǎn)變分數(shù)；k₁為未轉(zhuǎn)變分數(shù)的自然對數(shù)；τ為淬火因子，τ可通過下式求得：

    T為溫度；t₀為淬火開始時間；t_f為淬火結(jié)束時間； t_c(T) 為不同溫度下的臨界時間，由 C曲線或 TTP曲線來決定。

淬火因子τ也可以由下式通過圖解（圖1）得到：

    得到淬火因子τ后，合金硬度可通過下式來進行預(yù)測：

    H為所要預(yù)測的硬度；H_max為該性能所能獲得的最大值；H_min為該性能的最小值。當(dāng)H_min很小時，可以忽略，可簡化為：

    由圖1可知，淬火因子τ與冷卻速度有關(guān)，合金在固溶后不的冷卻速度下冷卻得到不同的淬火因子τ，代入公式（6），即可得到該冷卻速度下對應(yīng)的合金硬度。

圖1 由冷卻曲線和C曲線圖解淬火因子τ

Fig. 1 Calculation method of quench factor

2  6082鋁合金TTT曲線繪制與分析

2.1 等溫處理對6082鋁合金電導(dǎo)率的影響

    作者前期研究工作表明，6082合金最佳固溶處理工藝為545 ℃/50 min，因此TTT特性研究時，6082合金圓片試樣也采用545 ℃/50 min固溶之后淬入不同溫度的鹽浴中等溫處理，樣品水冷后測量等溫處理后水冷狀態(tài)合金的電導(dǎo)率。6082合金300 ~ 440 ℃等溫不同時間對合金電導(dǎo)率的影響見圖2。

    由圖2可知，同一等溫溫度下，隨等溫時間延長，合金電導(dǎo)率單調(diào)上升，等溫初期電導(dǎo)率變化急劇，后期變化平緩；同一等溫時間下，中溫區(qū)（340~360℃）附近合金電導(dǎo)率變化較大，過高或過低的等溫溫度下電導(dǎo)率變化都相對較小。

圖2 等溫處理對6082合金電導(dǎo)率的影響

Fig. 2 Effect of isothermal treatment on electroconductivity of 6082 aluminum alloy

2.2  6082鋁合金TTT曲線的繪制

    根據(jù)圖2實驗數(shù)據(jù)，采用公式（1）計算等溫過程中過飽和固溶體分解的轉(zhuǎn)變量。其中，γ_min 42.8 %IACS，為固溶后直接水淬的電導(dǎo)率，對應(yīng)等溫過程過飽和固溶體零分解；γ_max 53.6 %IACS，為340℃等溫時48h后水淬的電導(dǎo)率，對應(yīng)等溫過程過飽和固溶體的完全分解，完成其他相應(yīng)轉(zhuǎn)變量所需等溫時間可以利用公式（1）計算得到。在等溫處理溫度和時間坐標(biāo)系中分別連接不同等溫處理條件下轉(zhuǎn)變10%、20%、30%、40%、50%、60%等數(shù)值點得到等值線，即可得到合金的TTT曲線（圖3）。

    可以看出，6082合金的TTT曲線呈”C”形, 鼻尖溫度約為350℃。鼻尖溫度附近，轉(zhuǎn)變孕育期非常短，淬火敏感性高；而高溫和低溫區(qū)的孕育期較長，淬火敏感度較低。

圖3  6082合金等溫轉(zhuǎn)變TTT曲線

Fig. 3  Temperature–Time–Transformation curves of 6082 aluminum alloy

2.3 等溫處理對6082合金微觀組織的影響

    為研究等溫過程對合金顯微組織的影響，選取等溫處理過程中電導(dǎo)率變化最快的360℃保溫溫度下的三個典型狀態(tài)進行顯微組織分析。6082合金360℃等溫保持0s（固溶態(tài)）、120s、48h后水冷的透射電子顯微組織見圖4。

圖4  6082合金360℃等溫透射電子顯微組織

Fig.4  TEM micrographs of 6082 aluminum alloy isothermal holding for different time at 360℃：

                               (a) 0s；  (b) 120s；  (c) 48h

    由圖4可知，固溶態(tài)合金的顯微組織為過飽和固溶體，固溶體內(nèi)還可見到鑄錠均勻化處理過程中形成的含Mn和含Cr的初晶相鋁化物；360℃等溫保持120s后，過飽和固溶體中沿Al基體的<100>方向析出了微米級和亞微米級的針狀析出相；360℃等溫保持48h后，針狀析出相長大并且粗化。一般情況下，時效過程中6×××系鋁合金沉淀相析出順序為^[16–18]：α_sss→球狀GP區(qū)→針狀β″→桿狀β′→片狀β。360℃等溫過程中，等溫初期（圖4b）過飽和固溶體分解主要析出針狀的狀β″和β′相，隨等溫時間的延長，β″和β′相逐漸長大并向β平衡相轉(zhuǎn)變。正是由于這些針狀析出相的析出和長大，致使合金過飽和固溶體的固溶度下降，晶格正?；瑢﹄娮拥纳⑸渥饔靡矞p弱，最終是合金的電導(dǎo)率升高^[19]。

3  6082鋁合金TTP曲線繪制與分析

3.1 固溶—等溫淬火—時效條件下等溫處理對時效態(tài)6082鋁合金硬度的影響

    6082合金圓片545℃/50min固溶，淬入不同溫度的鹽浴中等溫處理后水冷，170℃/8h時效后測量時效態(tài)合金硬度。等溫處理對合金時效硬度的影響見圖5。

圖5  等溫處理對6082合金布氏硬度的影響

Fig. 5  Effect of isothermal holding on brinell hardness of 6082 aluminum alloy

    可以看出，隨等溫時間的延長，實驗合金硬度總體呈下降趨勢。340~360℃附近等溫處理后，合金時效態(tài)硬度下降明顯，這是由于等溫過程中過飽和固溶體發(fā)生分解，析出了微米級和亞微米級的針狀析出相（圖4），這些粗大相的析出對合金的硬度沒有什么貢獻，反而使過飽和度降低，導(dǎo)致合金的時效硬度降低；而在較高溫度(440℃)或較低溫度(300℃)下等溫處理時，合金硬度隨等溫處理時間的延長變化相對較緩慢。

3.2  6082鋁合金TTP曲線的繪制

    以固溶-水淬-峰時效得到的硬度（H_max 92.3）對應(yīng)等溫過程固溶體零分解（等溫處理的時間等于零），結(jié)合圖5中各個等溫處理條件下的硬度數(shù)據(jù)，由公式（2）可得到各個等溫溫度下發(fā)生5%、10%、20%、30%等轉(zhuǎn)變量所需的等溫保溫時間，分別對應(yīng)95%、90%、80%、70%硬度等值點（等溫處理的時間愈短，等溫處理再時效狀態(tài)的硬度就愈高）。在等溫處理溫度和時間坐標(biāo)系中分別連接不同等溫溫度下95%、90%、80%、70%硬度等值點得到等值線，即可得到合金的TTP曲線（圖6）。

圖6  6082合金等溫轉(zhuǎn)變TTP曲線

Fig. 6  TTP curves of 6082 aluminum alloy

    與此同時，依據(jù)上述測量得到的硬度數(shù)據(jù)和金屬學(xué)相變理論，可以采用下式^[20]對TTP曲線中的數(shù)據(jù)點進行擬合，得到等溫處理過程中硬度變化與等溫溫度和保溫時間的數(shù)值關(guān)系。

    c(T)為析出一定分數(shù)溶質(zhì)所需的臨界時間；k₁為未轉(zhuǎn)變分數(shù)的自然對數(shù)；k₂為常數(shù)，與形核數(shù)目的倒數(shù)有關(guān)；k₃為與形核能有關(guān)的常數(shù)；k₄為與固溶相線溫度有關(guān)的常數(shù)；k₅為與擴散激活能有關(guān)的常數(shù)；R為氣體常數(shù)；T為開氏溫度。

    選取70% H_max硬度實驗點，用公式（7）進行擬合，得出公式（7）中各個系數(shù)（表2）。

表2 非線性擬合得到的公式（7）中的各個系數(shù)

Table 2  Coefficients of TTP curves of 6082 aluminum alloy by non-linear fitting

k2/ s	k3/ (J·mol-1)	k4/ K	k5/ (J·mol-1)
3.17E-9	2422	896	103683

    公式（7）中，不同轉(zhuǎn)變分數(shù)情況下k₂~k₅數(shù)值是相同的，k₁為未轉(zhuǎn)變分數(shù)的自然對數(shù)，令k₁ln0.995，將k₂~k₅代入公式（7），可以得到99.5%硬度百分比的曲線（圖6）。由于受固溶與等溫淬火間轉(zhuǎn)移時間的影響，99.5%硬度百分比的曲線是很難通過實驗準(zhǔn)確測量的。

    由圖6可以看出，合金的TTP曲線也呈現(xiàn)“C”形，“鼻尖”溫度大約為360℃。若以等溫時間為10s、等溫后時效態(tài)硬度為最大硬度的99.5%為標(biāo)準(zhǔn)，則從圖6中可以讀出淬火敏感溫度區(qū)間為250～440℃，在這個區(qū)間內(nèi)淬火敏感性很高，孕育期極短，而高溫區(qū)(≥440℃)和低溫區(qū)(≤250℃)合金淬火敏感性較小，孕育期相對較長。

3.3 淬火因子分析法（QFA）預(yù)測合金硬度

    從TTP曲線可以看出，為了得到給定性能應(yīng)該采取何種等溫處理，但并沒有直觀反應(yīng)在線處理時應(yīng)該以多大的冷卻速度冷卻。為此，采用淬火因子分析法，通過引入淬火因子τ，將冷卻速度和時效最終性能聯(lián)系來。對6082合金的99.5 %TTP曲線（圖6）作淬火因子分析，取計算步長Δt=0.3 s，計算溫度區(qū)間為淬火敏感溫度區(qū)間250～440 ℃，選擇平均冷卻速率范圍為0.5~100 ℃/s。計算淬火因子和預(yù)測硬度見圖7。

圖7  淬火平均冷卻速率對淬火因子和6082合金的硬度的影響

Fig. 7  Effect of average cooling rate of quenching

on quench factor and brinell hardness of alloy 6082

    由圖7可知，淬火平均冷卻速率越大，淬火因子τ值越小，經(jīng)相同時效處理后，合金的硬度也越大。對于6082熱擠壓態(tài)鋁合金來說，當(dāng)冷卻速率為15℃/s時，合金硬度達到最大值的96.8%，再提高冷卻速度合金強度提升不大，為了獲得較大的強度及較小的殘余應(yīng)力，6082合金在淬火敏感區(qū)250～440℃的冷卻速度應(yīng)在15℃/s左右。

4  JMatPro軟件繪制6082合金的TTT和CCT曲線

    利用JMatPro 5.1軟件模擬繪制的6082合金TTT和CCT曲線見圖8和圖9。

圖8  JMatPro 5.1軟件模擬6082合金TTT曲線

Fig. 8  TTT curves of 6082 aluminum alloy simulated by JMatPro 5.1 software

圖9  JMatPro 5.1軟件模擬6082合金CCT曲線

Fig. 9  CCT curves of 6082 aluminum alloy simulated by JMatPro 5.1 software

    從JmatPro軟件模擬得到TTT曲線可以看出，6082合金b″和b′相析出所對應(yīng)的鼻尖溫度約為340 ℃，b相析出所對應(yīng)的鼻尖溫度約為450 ℃。

    應(yīng)當(dāng)指出，JmatPro軟件模擬區(qū)分了b″、b′ 和b相的轉(zhuǎn)變，而實驗測量得到的TTT曲線和TTP曲線是b″、b′和b相的轉(zhuǎn)變引起的電導(dǎo)率變化硬度變化的綜合效果，實驗測試不能將各個不同物相對電導(dǎo)率的影響區(qū)分開來。但根據(jù)TEM顯微照片（圖4）可知，最快轉(zhuǎn)變溫度下等溫120s，等溫過程中的主要析出相仍為b″、b′ 相，而實驗已測得的TTT曲線，鼻尖溫度下等溫轉(zhuǎn)變60%也只需等溫158s（圖3）。因此可認為實驗測得的TTT曲線，主要受b″、b′ 相析出的影響。實驗測得的TTT鼻尖溫度為350℃，與軟件模擬得到的340℃結(jié)果基本相符。

    從軟件模擬得到CCT曲線可知， 6082合金中b相的無析出臨界冷卻速度約為3℃/s，b″相和b′相的無析出臨界冷卻速度約為15℃/s。因此6082合金臨界冷卻速度為15℃/s，這個結(jié)果與淬火因子分析的結(jié)果也一致。

5  結(jié)論

采用固溶-等溫淬火-電導(dǎo)率測試法和固溶-等溫淬火-人工時效-硬度測試法分別獲得了6082合金淬火后等溫轉(zhuǎn)變的TTT和TTP曲線，利用淬火因子分析法預(yù)測了合金時效硬度與淬火平均冷卻速度的關(guān)系，還采用JMatPro 5.1軟件模擬得到了合金的TTT和CCT曲線。在此基礎(chǔ)上，對合金的淬火敏感性進行了分析和討論，確定了合金型材的淬火敏感鼻尖、敏感溫度區(qū)和淬火臨界冷卻速度等參數(shù)，實驗結(jié)果和軟件模擬結(jié)果基本相符。實驗研究和軟件模擬確定的合金淬火敏感性參數(shù)，為制定該合金在線淬火工藝提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

   1）6082合金的TTT和TTP曲線都呈 “C”形，鼻尖溫度分別為350℃和360℃，合金淬火敏感區(qū)間為250~440℃。在線淬火時，淬火敏感區(qū)內(nèi)的淬火冷卻速度應(yīng)保持在15℃/s，而敏感溫度區(qū)間以外則應(yīng)以較慢的速度冷卻，從而在保證型材尺寸精度和較小殘余應(yīng)力的前提下，獲得優(yōu)良的力學(xué)性能。

    2）JmatPro軟件模擬6082合金TTT曲線b″和b′相析出鼻尖溫度約為340 ℃，與實測的TTT曲線結(jié)果基本相符。

    3）JmatPro軟件模擬6082合金CCT曲線得到的淬火臨界冷卻速度為15℃/s，與由實驗結(jié)果淬火因子分析得到的一致。