汽车用Al-Mg-Si-Cu系合金冲压成形性能的优化及其相关机理研究

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随着汽车轻量化进程的加快,Al-Mg-Si系(6xxx系)合金已成为重要的车身外板材料。不过仍有部分性能有待进一步的提高,如冲压成形性能、烤漆硬化能力和弯边性能等。其中冲压成形性能的提高主要取决于组织和晶体学织构的调控,而这两方面均受合金成分及热加工工艺的影响。据此,本文首先针对商用AA6111合金进行了热加工过程中的组织和织构演变的研究,并对热工艺工艺进行了优化:其次根据热加工工艺对AA6111合金组织和性能的影响规律,设计开发了新型6xxx系合金(Cu、Zn和富Fe相均有变化),并对其组织、织构和性能随热加工工艺的演化规律及其相关高成形性机理等进行了系统研究。得到如下结论:对于商用AA6111合金,在实验室条件下的热加工过程中,组织和织构存在一定程度的不均匀性。随着轧制工艺(尤其是道次压下量),中间退火以及固溶升温速率的变化,合金组织、织构和性能均会发生显著变化。轧制几何因子处于1-5,400℃/1h的中间退火以及快速的固溶升温速率等均有利于合理调控组织和织构,并提高其冲压成形性能。对于设计开发的新型6xxx系合金,富Fe相和Zn含量的变化均对合金组织、织构和性能产生了重要影响。随着富Fe相含量的升高,由于粗大粒子和细小粒子对再结晶过程的协同作用,不仅使得固溶淬火态或预时效态合金再结晶晶粒细化,织构弱化,r值大幅升高,而且也使得再结晶组织和织构受固溶时间的影响显著减弱。Zn含量的增加对于最终再结晶晶粒尺寸、分布以及织构影响不大。最终根据成分-热加工工艺-组织-织构-性能间的定量关系,优化并提出一种新型高强度易成形的合金,成分为:Al-0.8Mg-1.2Si-0.5Cu-0.3Mn-0.5Fe-0.5Zn(wt%)。对于设计开发的富Fe相浓度较低的新型6xxx系合金,通过合理调控中间退火之后的冷轧变形量,可以利用中间退火形成的不同尺寸粒子和冷轧织构的改善从而对合金组织和织构进行合理调控。热轧之后进行50%的冷轧变形,然后进行400℃/1h中间退火,最终冷轧到1mm的合金板材,经固溶和预时效处理后平均塑性应变比r.值普遍大于0.6,合金同样可以表现优异的冲压成形性能。这主要是因为降低中间退火后的冷轧形变量会降低冷轧织构密度,从而最终导致再结晶织构密度也发生下降。无论商用AA6111合金还是新设计的6xxx系合金,合理调控合金基体内的不同尺寸粒子分布状态,并充分利用其对合金组织和织构演化过程的影响,能够有效调控合金内的组织和织构,从而提高其冲压成形性能。根据VPSC模型对r值的预测结果和实测结果对比,可知合金的冲压成形性能受织构影响最为显著。
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