6082铝合金在线淬火TTP曲线的测定

6082合金属于Al-Mg-Si系可热处理强化铝合金，具有中等强度和良好的焊接性能和耐腐蚀性，主要被用于交通运输和结构工程上，如桥梁、起重机、屋顶构架、交通车和运输船等^[1]。铝型材生产过程中必须精确控制生产工艺制度以获得优异的综合性能，尤其是淬火工序，淬火速率太慢会影响时效强化效果，淬火速率太快会导致残余应力增加^[2]。因此通过研究合金的淬火敏感性来控制和改善淬火制度具有重要的意义^[3-5]。国外很多学者通过测定合金TTP曲线的方法研究其淬火敏感性，并且结合淬火因子分析法预测合金的硬度、强度和抗蚀性能等，获得了很好的效果^[3-7]。本文通过分级淬火法测定了6082铝合金的时间-温度-硬度曲线，结合末端淬火实测冷却曲线预测在不同淬火冷却速率下合金的硬度，为铝合金型材在线淬火工艺的制定提供实验依据。

1 实验材料与方法

1.1实验材料

实验材料选取某铝业公司生产的6082铝合金，状态为挤压态。合金成分如表1所示。将铝合金沿挤压方向将其切割成20mm×20mm×4mm正方形小试样。铝合金圆柱形淬火试样设计如图1所示。热电偶分别安装在距试样喷水端面5 mm、10 mm和60 mm的试棒中心（分别标记为A，B，C），如图1所示3个深孔。

表1  试验材料 6082铝合金化学成分（质量分数%）

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

图1 淬火试样

Fig.1 quench sample

1.2实验方法

铝型材正方形小试样经530℃固溶处理2h后，在不同温度的盐浴炉中进行不同时间的等温处理，随后再立即淬入室温水中，经175℃，6h人工时效后再进行硬度测试。盐浴炉中的温度范围为200~500℃，共取20个温度点。为保证实验的准确性，应对盐浴炉中的温度进行调整，使其波动±3℃。保温时间从5s到500s不等。合金的最大硬度经530℃、2h固溶处理，室温水淬再经175℃，6h人工时效获得。铝棒材圆柱形淬火试样经530℃、3h固溶处理后进行末端淬火实验^[9,10]，淬火过程中使用自主设计的温度采集系统采集数据，再经175℃、6h人工时效后进行硬度测试。

2  实验结果与分析

2.1  6082铝合金TTP曲线

图2 6082铝合金在不同温度下的时效后硬度-等温时间曲线

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

（a）225℃; (b)325℃; (c)460℃

图2所示为6082合金在225℃、325℃以及460℃下随等温保温时间变化的关系曲线。合金未经等温保温处理，固溶后直接淬火时效获得的硬度为111.3HB。由图2可以知，合金时效后的硬度随着等温保温时间的延长总体呈下降趋势。当等温温度较低时（225℃），合金硬度随着保温时间的延长缓慢下降。如图2（a）所示，合金保温450s后硬度从T6峰值硬度111.3HB降低到73.6HB；在中间温度区间时（325℃），合金硬度开始时下降速度很快，然后趋于稳定。如图2（b）所示，合金保温40s后硬度迅速降低到了54.9HB，下降了50.6%；当等温温度较高时（460℃），合金硬度随着保温时间的延长下降地非常少。如图2（c）所示，合金等温处理450s后其硬度由111.3HB只下降到82.9HB。

根据6082铝合金时效后的硬度HB随等温温度及等温时间变化规律绘制出最大硬度值90%时的TTP曲线。

TTP曲线可表示为^[12]：       （1）

式中：k₁为未转变分数的自然对数；k₂是与形核数目的倒数有关的常数；k₃是与形核能有关的常数；k₄是与固溶相线温度有关的常数；k₅是与扩散激活能有关的常数。通过方程（1）利用最小二乘法对该曲线进行拟合得到方程中的相关系数^[3]，如表2所示。改变系数k₁得到最大硬度值95%和99.5%的TTP曲线，如图3所示。可知，该合金TTP曲线“鼻尖”温度约为335℃。由最大值99.5%的TTP曲线可以看出，当转变时间为10s时，淬火敏感温度区间为225℃~460℃。

图3 6082铝合金TTP曲线

Fig.3

表2  6082铝合金TTP曲线的系数k2-k5

由于合金元素Mg和Si在Al中的溶解度随着温度降低而减小，因此过饱和固溶体在等温保温处理过程中会发生脱溶转变，脱溶转变的速率取决于脱溶相的形核率和长大速率^[11]。当等温温度较低时（≤225℃），虽然过饱和度较高，形核率较大，但由于温度较低，溶质原子迁移速率小，长大速率慢，所以转变速率小，合金的硬度随时间的延长下降较慢；等温温度较高时（≥460℃），虽然溶质原子扩散速率大，但由于过饱和度较低，脱溶驱动力小，形核率也小，因此相变速率很小，合金的硬度随着时间的延长下降更加缓慢；而当等温温度在225℃~460℃中间区间时，过饱和度足够大，脱溶驱动力也足够大，同时又保证了溶质原子迁移速率足够大，因此形核和长大的速率较快。由于脱溶相析出长大，消耗周围溶质原子，降低了固溶体的过饱和度，从而抑制了后续时效强化效果，因此在中间温度区间合金的硬度随着时间的延长下降很快。由此可知，6082铝合金在高温区的淬火敏感性很低，但在中温区淬火敏感性极高，低温区间淬火敏感性介于二者之间。这是导致TTP曲线呈现“C”型的原因。因此铝型材的在线淬火工艺中，为了提高型材的良好性能和减少淬火后的残余应力，应尽量提高中低温区的淬火速率，适当降低高温区的淬火速率。

2.2  TTP曲线的应用

2.2.1淬火因子分析

淬火因子分析法是用等温转变动力学法则来预报固溶线温度以下非等温条件下的组织转变^[12]，对于铝合金连续冷却过程的相变动力学可表示为，式中ξ为未转变分数；k₁为常数；τ为淬火因子，可通过

下式求得^[12]：        （2）

t为时间；t₀为淬火开始时间；t_f为淬火结束时间；t_c(T)为临界时间，由C曲线或TTP曲线来决定。TTP曲线可用方程（1）来表示。通过连续冷却曲线和TTP曲线可求得淬火因子τ：

    （3）

具体计算方法如图4所示。合金的硬度和强度等可通过下式来进行预测：

      （4）

图4 淬火因子计算方法

Fig.4

2.2.2 TTP曲线应用

图5所示为圆柱形淬火离淬火端面不同距离中心处的实测冷却曲线。

图5 6082铝合金末端淬火实测冷却曲线

Fig.5

由图可知，离淬火端面距离越近，其冷却速率越大。通过合金的实测冷却曲线和TTP曲线计算不同淬火速率下的淬火因子。在计算淬火因子的过程中，淬火敏感温度区间的冷却速率对合金的最终性能影响较大，而高温或低温区间的冷却速率影响较小^[2,13]，因此计算温度区间选为淬火敏感区间225℃~460℃。为了提高淬火因子分析法预测的精度，敏感温度区间的平均温降必须小于25℃/s^[14]。通过研究计算步长△t的取值对淬火因子的影响^[2]，取计算步长△t=0.1s。

图6所示为不同淬火冷却速率对淬火因子与合金硬度的影响。由图6可知，随着淬火冷却速率的增大，淬火因子τ值逐渐减小，经相同的时效处理后，合金的硬度值逐渐增大。淬火因子τ反映了淬火的剧烈程度，较小的τ值预示着较快的冷却速率淬火、少量的相析出和良好的力学性能；较大的τ值预示着较慢的冷却速率淬火、较多的相析出和较差的力学性能^[14]。在合金连续冷却过程中，当冷却速率较小时，粗大的第二相析出长大，消耗掉周围的溶质原子，降低固溶体的过饱和度，抑制时效过程中强化相的析出，从而降低后续时效强化效果；当冷却速率较大时，粗大的第二相析出长大被抑制，得到较高过饱和度的固溶体，保证了后续时效强化效果^[11]。如图6所示，当平均冷却速率为16℃/s时，合金的硬度值为99.3HB，达到了合金最大硬度值的90%，此时再通过增大淬火冷却速率来提高合金硬度意义不大。因此在6082铝合金实际生产在线淬火过程中，敏感温度区间的淬火冷却速率最好略大于16℃/s。

图6 淬火敏感区间冷却速率对淬火因子和合金硬度的影响

Fig.6

3  结论

通过中断淬火法获得了6082铝合金TTP曲线，计算了淬火敏感温度区间的淬火因子，结合淬火因子分析法预测了在不同淬火冷却速率条件下合金的硬度。结果表明：6082铝合金TTP曲线的“鼻尖”温度约为335℃，淬火敏感温度区间为225~460℃；当合金在淬火敏感温度区间225~460℃的淬火冷却速率大于16℃/s时，合金的硬度能达到最大硬度值的90%。

1） 6082铝合金TTP曲线“鼻尖”温度约为335℃，高温区（≥460℃）淬火敏感性很低；中温区（225~460℃）淬火敏感性较高，低温区（≤225℃）淬火敏感性介于二者之间。铝型材在线淬火工艺中，应尽量提高中低温区的淬火速率，适当降低高温区的淬火速率。

2) 淬火因子分析法预测合金的硬度值与实测值吻合较好，表明淬火因子分析法具有较高的精确度与实用价值。

3) 合金的硬度随着淬火速率增大而增大，当淬火敏感温度区间225~460℃冷却速率大于16℃/s时，合金硬度能达到最大硬度值的90%以上。