編輯推薦：本文設計了一種新穎的熱力工藝，該工藝能夠減輕自然時效對烤漆硬化的負面影響，並提供強度和延展性的出色組合。該工藝步驟簡單，實用性較強，能夠將低銅AA6016合金性能提升至接近含銅6xxx合金，本文為後續鋁合金汽車板材開發提供了研究思路，對生產具有一定實際意義。
Al-Mg-Si（6xxx系列鋁合金）合金由於具有較高的比強度，在汽車行業中的受關注度居高不下。在歐洲，Al被廣泛用於汽車的覆蓋件。6xxx鋁合金可熱處理強化，可以進行多種時效處理以優化其強度和硬度。6xxx鋁合金的時效序列很複雜，並且會隨合金成分和熱處理工藝而變化，但通常遵循SSSS→溶質團簇→GP區→亞穩β''→亞穩β'，U1，U2和β'→β和Si。用於汽車的鋁合金板通常需要進行烤漆硬化，而自然時效的存在將減少烤漆過程中車身板的性能提升，所以設計一種熱力工藝，減弱自然時效的影響具有巨大的工業意義。
澳大利亞雪梨大學的研究人員設計了一種新的工藝減輕自然時效的負面影響，在烤漆硬化後表現出良好的強度（屈服強度223MPa，抗拉強度291MPa）和延展性（總伸長率＞20%）組合，使低銅AA6016性能接近含銅6xxx鋁合金。相關論文以題為「Design of solute clustering during thermomechanical processing of AA6016 Al-Mg-Si alloy」發表在金屬材料頂級期刊Acta Materialia。
論文連結：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.10.074
本研究選擇商用1mm厚的6016軋制板，首先進行570℃×40s固溶處理（水淬），然後一部分自然時效多餘20小時（T4態，簡稱NA），另一部分進行預時效（T4P態，簡稱PA），PA處理是淬火後立即開始，將材料在20s內升溫至100℃並時效小於30s，而後以3.5℃/h的速率冷卻至30℃，自然時效或預時效後對材料施加2%的拉伸塑性應變，油浴環境下在10s內加熱至170℃保持20min以模擬烤漆過程（PB）。本研究的四個樣本分別為：NA；NA+PB；PA；PA+PB。
圖1 熱力處理過程
研究發現在預時效處理（PA+PB）後進行烤漆處理的樣品拉伸性能顯著提高，使屈服強度幾乎提高了一倍，並保持了良好的延展性，均勻伸長率為18％，總伸長率為23％。相比之下，自然時效之後進行烤漆處理（NA+PB）的樣品屈服強度增加提升較小（16％）。PA樣品的屈服強度明顯低於NA樣品（降低15%），同時具有出色的延展性，總伸長率為28％。
圖2 （a）不同條件下合金的拉伸曲線和拉伸性能表；（b）不同6xxx合金的屈服強度相對於總伸長率的分布；（c）不同時效處理下各6xxx合金屈服強度對比
圖3 6016合金的3D APT映射，Mg（綠），Si（紅）
經過預時效處理，可以形成穩定的團簇分散體，這種在烤漆之前穩定的團簇分散的屬性是優化最終強化效應的關鍵。這種預處理可以保證最低水平的溶質原子團簇結合，從而在烘烤期間為後續的團簇形成保留了巨大的潛力。在烤漆過程中形成的團簇具有以下屬性：密度大，包含≥20個原子的Mg-Si共聚簇，以及較少種類的單一物種Si-Si和Mg-Mg團簇。通過離散傅立葉變換（DFT）計算進一步強調了空位在影響穩定性方面的關鍵作用。它表明空位對矽原子具有很強的親和力，空位可以穩定單物種的Si-Si團簇。 （文：破風）
圖4 6016合金中Mg-Si團簇的Mg、Si比
圖5 溶質原子序數≥10的Mg-Si團簇的形貌圖
圖6 溶質原子數≥10 Mg-Si團簇的有效橢球半徑分布
圖7 （a）含256原子的FCC α-Al；（b）-（h）具有不同Mg、Si比的穩定Mg-Si構型（b）1:13、（c）3:11、（d）5：9、（e）7：7、（f）9：5、（g）11：3和（h）13：1，Al原子是藍色球，Mg是綠色，Si是紅色。
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