安全、環(huán)保和節(jié)能是當(dāng)前汽車制造業(yè)發(fā)展的主題。汽車輕量化對減輕車身重量、減少耗油量和減排至關(guān)重要。研究表明：汽車每應(yīng)用1kg鋁材，可獲得2kg的減重效果；汽車每減重10%，油耗可降低6%～8%，尾氣排放量可減少4%[1-4]。鋁合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕和良好的加工成形性，熱處理后強(qiáng)度可與鋼的媲美，因此可作為理想的汽車輕量化材料[5-6]。在汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家，18%的鋁材用于汽車制造，每輛汽車的平均用鋁量為140kg左右，并以每年20%～30%的速度增長。我國鋁合金板在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用與汽車制造業(yè)發(fā)達(dá)國家相比還有較大差距，汽車用鋁合金板材的研究與生產(chǎn)在我國顯得重要而迫切[7-9]。

　　車用鋁合金主要有2×××系（Al-Cu-Mg）、5×××系（Al-Mg）和6×××系（Al-Mg-Si)。5×××系是非熱處理強(qiáng)化鋁合金，成形性能優(yōu)良，主要用于生產(chǎn)形狀復(fù)雜的內(nèi)板件，但板材在沖壓變形時(shí)表面易出現(xiàn)呂德斯帶的缺陷。2×××系和6×××系均是可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有較高的強(qiáng)度和一定的烤漆硬化性，主要用于外板件及對強(qiáng)度和剛度要求較高的零件。2×××系鋁合金在烘烤時(shí)會出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，抗腐蝕性和焊接性均不如6×××系鋁合金[10]。6×××系鋁合金強(qiáng)度適中，成形性和耐蝕性好，綜合性能優(yōu)良，進(jìn)行固溶淬火和自然時(shí)效處理后屈服強(qiáng)度較低，具有良好的沖壓成形性，而且在烤漆處理后強(qiáng)度提高，抗凹陷能力增強(qiáng)，因此該材料是汽車輕量化的首選材料[11-14]。本文作者主要針對6×××系鋁合金板材的合金元素、織構(gòu)、力學(xué)性能和沖壓成形性的相關(guān)研究進(jìn)行綜述。

16×××系鋁合金的研究現(xiàn)狀

　　1.1 6×××系鋁合金的合金元素

　　6×××系鋁合金的主要合金元素是Mg和Si，添加少量的微合金元素可以提高合金的強(qiáng)度，改善其綜合性能。例如添加少量的Cu，可抵消Ti及V對導(dǎo)電性的不良影響；Zr或Ti能細(xì)化晶粒和控制再結(jié)晶組織；加入Pb與Bi能改善材料的切削性能[15]。

　　何立子和劉宏等[16-17]研究表明：在Mg不過剩的前提下，增加Mg含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，有利于提高合金的強(qiáng)度，但合金的屈服強(qiáng)度和伸長率隨Mg、Si含量的增加而降低，不利于合金的沖壓成形。

　　合金中含有相當(dāng)量的Cu和Si，除生成Mg2Si相外，還會形成Cu2Mg8Si6Al5相，該相具有一定的自然時(shí)效能力，能顯著提高合金強(qiáng)度[18]。當(dāng)Mn增加時(shí)，易形成粗大夾雜相α（AlMnFeSi），降低合金的極限強(qiáng)度。增加Cu含量，會產(chǎn)生更細(xì)密的顯微組織，增加合金強(qiáng)度。李海等[19]研究了Al-Mg-Si-(Cu)合金在連續(xù)升溫中的析出行為，證實(shí)Cu顯著地提高了Al-Mg-Si合金的時(shí)效硬化效果和速率。Sujoy和金曼等[20-21]研究了Cu元素對Al-Si-Mg合金淬火特性的影響，結(jié)果表明，當(dāng)Cu含量超過0.57%時(shí)，合金形成GP區(qū)，經(jīng)170℃時(shí)效30min后，合金中還出現(xiàn)短針狀的β″相，加快合金的時(shí)效強(qiáng)化過程。

　　Mg2Si是Al-Mg-Si系合金的主要強(qiáng)化相（β相），其在鋁中的最大溶解度為1.85%，500℃時(shí)為1.05%，300℃時(shí)僅有0.27%[22-23]。6×××系鋁合金中Mg含量過剩時(shí)，合金的耐蝕性好，但強(qiáng)度與成形性能較差。當(dāng)Si含量過剩時(shí)，合金的強(qiáng)度高，但成形性能及焊接性能較低。在生產(chǎn)實(shí)踐中難以保持Mg和Si的比例及其他元素的含量，都會對鋁合金的性能產(chǎn)生較大的影響。

　　1.2 6×××系鋁合金的織構(gòu)

　　鋁合金中的織構(gòu)可分為變形織構(gòu)和再結(jié)晶織構(gòu)，表1列出了6×××系鋁合金的主要織構(gòu)成分的密勒指數(shù)和歐拉角。EnglerO等[25]對6016鋁合金板材冷軋后的織構(gòu)進(jìn)行了表征，結(jié)果表明越靠近板材中心Brass織構(gòu)越多，而越靠近板材表面Copper織構(gòu)越多。陳揚(yáng)等[26]對6111鋁合金板材在熱軋-退火-冷軋等傳統(tǒng)軋制工藝過程中的織構(gòu)進(jìn)行了表征，結(jié)果表明熱軋板織構(gòu)主要由Copper織構(gòu)、Brass織構(gòu)和S織構(gòu)構(gòu)成，此外還有少量的Goss織構(gòu)。

　　謝錦岳[27]對6016鋁合金軋制態(tài)和熱處理后的板材織構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，熱軋態(tài)織構(gòu)主要由Brass織構(gòu)、S織構(gòu)和Copper織構(gòu)組成，由于較高的終軋溫度，還存在部分再結(jié)晶織構(gòu)Ｒ。陳海軍[28]研究了固溶、時(shí)效對軋制織構(gòu)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)不同預(yù)時(shí)效處理后合金中織構(gòu)的類型基本不變而取向密度發(fā)生變化。

　　張克龍[29]對6016鋁合金冷軋織構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)冷軋過程中隨軋制道次的增加，形成以S織構(gòu)為主的變形織構(gòu)，且有在ND上的(112)和(110)面織構(gòu)和TD上的＜111＞絲織構(gòu)。

　　由上述可知，不同軋制條件和熱處理工藝對6×××系鋁合金的織構(gòu)成分有很大影響，然而織構(gòu)對6×××系鋁合金板材的各向異性和力學(xué)性能的影響研究較少，特別是織構(gòu)對合金在沖壓成形方面的影響還是空白，還有待進(jìn)一步的研究和探索。

　　1.3 6×××系鋁合金的力學(xué)性能

　　鋁合金作為汽車車身材料，不僅使車身輕量化，而且在同樣的沖擊條件下比鋼的抗沖擊載荷能力強(qiáng)，有研究發(fā)現(xiàn)[30]鋁合金在比鋼輕47%的情況下能達(dá)到同樣的力學(xué)性能指標(biāo)。6×××系合金不但可以通過添加少量多種合金元素來細(xì)化晶粒，改變再結(jié)晶狀態(tài)，還可以通過改進(jìn)熱處理工藝和變形條件獲得良好的綜合性能[20]。

　　新型6×××系鋁合金經(jīng)560℃1h固溶、水淬+180℃8h人工時(shí)效后，抗拉強(qiáng)度為401N/mm2，屈服強(qiáng)度為356N/mm2，伸長率為17%[31]。張金鵬[10]通過試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬對比了不同時(shí)效處理狀態(tài)的6016鋁合金的性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)完全人工時(shí)效處理的6016鋁合金的沖壓綜合性能最好。張士嬌等[32]對不同牌號的6×××系鋁合金組織與性能研究發(fā)現(xiàn)不同的熱處理對材料的力學(xué)性能有很大的影響，采用合適的熱處理方案可使材料的綜合力學(xué)性能明顯提高。此外，溫成形也可大幅提高6×××系鋁合金的沖壓成形性能。LAMBOO等[33]通過AA6016鋁合金的溫拉深實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在175℃時(shí)，拉深高度比常溫下提高了30%。Li等[34]研究發(fā)現(xiàn)，AA6111-T4鋁合金在溫變形條件下總伸長率提升了25%。李翔等[35]研究了溫變形對6061鋁合金力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明在160℃～230℃范圍內(nèi)，隨著成形溫度的上升，材料的硬度增強(qiáng)。韓小強(qiáng)等[36]研究6061-T6鋁合金板材溫?zé)釥顟B(tài)下的力學(xué)性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在400℃時(shí)n值比室溫下降低了66.7%，而三個(gè)方向r值隨溫度變化不明顯，表明沿板材的斜向軋制方向的拉延與深沖性能較好，而垂直于軋制方向的成形性則較差。

　　表征板材成形性和力學(xué)性能的主要指標(biāo)有：應(yīng)變硬化指數(shù)n、厚向異性系數(shù)r、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率等。表2總結(jié)了常見的6×××系鋁合金在不同熱處理狀態(tài)下的力學(xué)性能，為了方便比較，同時(shí)也列出了冷軋鋼板的力學(xué)性能，表中ST表示固溶處理（Solutiontreatment），PA表示峰值時(shí)效（Peakaging），CＲ表示冷軋（Coldrolling）。可以看出，不同的熱處理方式可使6×××系鋁合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度接近甚至超過冷軋鋼板，但厚向異性系數(shù)r卻遠(yuǎn)低于冷軋鋼板的。因此，6×××系鋁合金板材與鋼板相比，成形性、剛度和抗凹陷性都較低，容易發(fā)生回彈、起皺和表面損傷，影響表面質(zhì)量。

　　由此可見，要擴(kuò)大6×××系鋁合金板材的實(shí)際應(yīng)用，還需進(jìn)一步提高板材的成形性能指標(biāo)，即厚向異性系數(shù)r值。目前，對6×××系鋁合金板材厚向異性系數(shù)r值的主要影響因素及其改善措施的研究尚不完善。

26×××系鋁合金板材的沖壓成形性

　　6×××系鋁合金主要用于汽車外表面覆蓋件，往往要求其具有較高的沖壓成形性和抗凹陷性。成形極限圖是判斷和評定金屬薄板成形性的最為簡便和直觀的方法，也是對板材成形性能的一種定量描述。圖1為6×××系鋁合金與IF鋼板的成形極限圖[38,42-46]。由圖1可知，在高溫或合適的熱處理工藝下6×××系鋁合金板材的成形極限曲線優(yōu)于室溫下IF鋼的成形極限曲線，然而在室溫下其成形極限卻遠(yuǎn)低于IF鋼板的，能達(dá)到的極限應(yīng)變也遠(yuǎn)小于IF鋼板的。因此，目前針對鋁合金的研究中，除了在合金化方面通過改變其成分來提高6×××系鋁合金的成形性外，在汽車覆蓋件的沖壓生產(chǎn)中，也需采用特殊工藝進(jìn)行成形加工。

　　冷沖壓是一種常用的高生產(chǎn)效率的板材加工方式。但鋁合金室溫下成形性較差，因此熱處理、微合金化等手段成為提高鋁合金板材冷沖壓的重要方法[47]。李文意等[48]通過改變6×××系鋁合金中Mg和Cu的含量，得到具有良好的時(shí)效強(qiáng)化效果的CuAl2相，使材料的伸長率從8%增加到20%。馬鳴圖和張鈞萍等[49-50]對鋁合金的成形極限、烘烤硬化性和表面抗凹性等方面進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)預(yù)處理工藝后得到的T4PD態(tài)（T4處理后進(jìn)行預(yù)時(shí)效處理）鋁合金板材不僅成形性有提高，而且通過烤漆手段可提高板材抗拉強(qiáng)度和表面抗凹性。添加微合金元素是改變材料自身性能的最有效途徑，也是較為直觀的方法。然而，目前的研究主要集中在合金元素對微觀組織、第二相構(gòu)成以及力學(xué)性能的影響方面，合金元素的改變也會引起微觀織構(gòu)的變化，從而影響材料的成形性能，這些方面的研究數(shù)據(jù)還有待進(jìn)一步完善。

　　從圖1中可知，在溫成形下的鋁合金板材具有較高的成形性，可以降低室溫成形過程中的缺陷，提高其綜合性能。因此越來越多研究者把目光投向了鋁合金板材的溫成形技術(shù)的研究。溫成形技術(shù)是將金屬板材加熱到能夠確保材料具有較好的延伸率的溫度下，然后迅速轉(zhuǎn)移到模具內(nèi)進(jìn)行沖壓成形，從而獲得強(qiáng)度高、回彈小的金屬沖壓件。侯波等[51]采用M-K理論建立溫成形條件下的FLD預(yù)測模型得到n值和m值隨成形溫度的變化規(guī)律，研究表明升高溫度可以大幅增加鋁合金板的極限應(yīng)變。溫度的升高會導(dǎo)致板材軟化現(xiàn)象的發(fā)生，從而使強(qiáng)度降低，還可能會出現(xiàn)集中失穩(wěn)而斷裂。戴明華[37]研究了6×××系鋁合金材料在常溫100℃、150℃、200℃和250℃四種溫度下成形性試驗(yàn)，結(jié)果表明200℃是四種成形溫度中的最佳成形溫度，能實(shí)現(xiàn)其成形深度達(dá)到28.2mm。成形過程中的壓邊力和潤滑條件對溫成形效果有一定影響，過大的壓邊力會使破裂提前，溫成形過程需采用潤滑才能保證必要的沖壓深度和表面質(zhì)量。馬聞宇[52]分析了壓邊力、摩擦因數(shù)和沖壓速度對熱沖壓成形性的影響，揭示了工藝參數(shù)對沖壓件的厚度分布、厚度均勻性、應(yīng)變路徑和失效形式的影響規(guī)律。李久輝[53]研究了板料成形溫度、壓邊力和摩擦因數(shù)對回彈影響的大小，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)板料加熱溫度影響最為顯著，壓邊力次之，摩擦因數(shù)影響最小。

　　因此，為提高6×××系鋁合金板材的沖壓成形性能，得到足夠的成形深度、較高的成形精度和良好的表面質(zhì)量，還需在微合金元素、熱處理狀態(tài)和沖壓成形工藝等方面做進(jìn)一步研究與探索。

3結(jié)束語

　?。?）6×××系鋁合金中除了Mg和Si外，還有Mn、Cu等其他合金元素對合金的顯微組織、時(shí)效強(qiáng)化和硬度等產(chǎn)生了較大的影響。

　?。?）6×××系鋁合金的織構(gòu)分為變形織構(gòu)和再結(jié)晶織構(gòu)，不同的熱處理狀態(tài)和軋制過程產(chǎn)生的織構(gòu)成分不同?？棙?gòu)是板材各向異性的主要影響因素之一，在一定程度上也能體現(xiàn)合金板材的性能。

　　（3）在高溫或合適的熱處理工藝下6×××系鋁合金板材的成形極限曲線優(yōu)于室溫下IF鋼板的成形極限曲線，但厚向異性系數(shù)r遠(yuǎn)低于冷軋鋼板的。因此，6×××系鋁合金板材與鋼板相比，成形性、剛度和抗凹陷性都較低，為使6×××系鋁合金板材更好地滿足汽車輕量化的需求，應(yīng)綜合考慮合金元素、織構(gòu)、熱處理狀態(tài)和成形工藝等方面的影響，研制出綜合性能更優(yōu)的車身板材，提升我國汽車制造的輕量化水平。

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聲明：本文內(nèi)容轉(zhuǎn)載自期刊輕合金加工技術(shù)，作者：汪建強(qiáng)，郭麗麗（大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，連續(xù)擠壓工程研究中心），文中觀點(diǎn)僅供分享交流，轉(zhuǎn)載請注明出處，如涉及版權(quán)等問題，請您告知，我們將及時(shí)處理！