安全、環保和節能是當前汽車制造業發展的主題。汽車輕量化對減輕車身重量、減少耗油量和減排至關重要。研究表明：汽車每應用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]。鋁合金具有比強度高、耐腐蝕和良好的加工成形性，熱處理后強度可與鋼的媲美，因此可作為理想的汽車輕量化材料[5-6]。在汽車工業發達國家，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域的應用與汽車制造業發達國家相比還有較大差距，汽車用鋁合金板材的研究與生產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×××系是非熱處理強化鋁合金，成形性能優良，主要用于生產形狀復雜的內板件，但板材在沖壓變形時表面易出現呂德斯帶的缺陷。2×××系和6×××系均是可熱處理強化鋁合金，具有較高的強度和一定的烤漆硬化性，主要用于外板件及對強度和剛度要求較高的零件。2×××系鋁合金在烘烤時會出現軟化現象，抗腐蝕性和焊接性均不如6×××系鋁合金[10]。6×××系鋁合金強度適中，成形性和耐蝕性好，綜合性能優良，進行固溶淬火和自然時效處理后屈服強度較低，具有良好的沖壓成形性，而且在烤漆處理后強度提高，抗凹陷能力增強，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、力學性能和沖壓成形性的相關研究進行綜述。

16×××系鋁合金的研究現狀

　　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度，改善其綜合性能。例如添加少量的Cu，可抵消Ti及V對導電性的不良影響；Zr或Ti能細化晶粒和控制再結晶組織；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(質量分數，下同)，有利于提高合金的強度，但合金的屈服強度和伸長率隨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效能力，能顯著提高合金強度[18]。當Mn增加時，易形成粗大夾雜相α（AlMnFeSi），降低合金的極限強度。增加Cu含量，會產生更細密的顯微組織，增加合金強度。李海等[19]研究了Al-Mg-Si-(Cu)合金在連續升溫中的析出行為，證實Cu顯著地提高了Al-Mg-Si合金的時效硬化效果和速率。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，結果表明，當Cu含量超過0.57%時，合金形成GP區，經170℃時效30min后，合金中還出現短針狀的β″相，加快合金的時效強化過程。

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

　　1.2 6×××系鋁合金的織構

　　鋁合金中的織構可分為變形織構和再結晶織構，表1列出了6×××系鋁合金的主要織構成分的密勒指數和歐拉角。EnglerO等[25]對6016鋁合金板材冷軋后的織構進行了表征，結果表明越靠近板材中心Brass織構越多，而越靠近板材表面Copper織構越多。陳揚等[26]對6111鋁合金板材在熱軋-退火-冷軋等傳統軋制工藝過程中的織構進行了表征，結果表明熱軋板織構主要由Copper織構、Brass織構和S織構構成，此外還有少量的Goss織構。

　　謝錦岳[27]對6016鋁合金軋制態和熱處理后的板材織構研究發現，熱軋態織構主要由Brass織構、S織構和Copper織構組成，由于較高的終軋溫度，還存在部分再結晶織構Ｒ。陳海軍[28]研究了固溶、時效對軋制織構的影響，結果發現經不同預時效處理后合金中織構的類型基本不變而取向密度發生變化。

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

　　由上述可知，不同軋制條件和熱處理工藝對6×××系鋁合金的織構成分有很大影響，然而織構對6×××系鋁合金板材的各向異性和力學性能的影響研究較少，特別是織構對合金在沖壓成形方面的影響還是空白，還有待進一步的研究和探索。

　　1.3 6×××系鋁合金的力學性能

　　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，有研究發現[30]鋁合金在比鋼輕47%的情況下能達到同樣的力學性能指標。6×××系合金不但可以通過添加少量多種合金元素來細化晶粒，改變再結晶狀態，還可以通過改進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560℃1h固溶、水淬+180℃8h人工時效后，抗拉強度為401N/mm2，屈服強度為356N/mm2，伸長率為17%[31]。張金鵬[10]通過試驗和有限元數值模擬對比了不同時效處理狀態的6016鋁合金的性能，結果發現完全人工時效處理的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現不同的熱處理對材料的力學性能有很大的影響，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鋁合金的溫拉深實驗，發現在175℃時，拉深高度比常溫下提高了30%。Li等[34]研究發現，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鋁合金力學性能的影響，結果表明在160℃～230℃范圍內，隨著成形溫度的上升，材料的硬度增強。韓小強等[36]研究6061-T6鋁合金板材溫熱狀態下的力學性能參數，發現在400℃時n值比室溫下降低了66.7%，而三個方向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性能的主要指標有：應變硬化指數n、厚向異性系數r、屈服強度、抗拉強度和伸長率等。表2總結了常見的6×××系鋁合金在不同熱處理狀態下的力學性能，為了方便比較，同時也列出了冷軋鋼板的力學性能，表中ST表示固溶處理（Solutiontreatment），PA表示峰值時效（Peakaging），CＲ表示冷軋（Coldrolling）。可以看出，不同的熱處理方式可使6×××系鋁合金的屈服強度和抗拉強度接近甚至超過冷軋鋼板，但厚向異性系數r卻遠低于冷軋鋼板的。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，容易發生回彈、起皺和表面損傷，影響表面質量。

　　由此可見，要擴大6×××系鋁合金板材的實際應用，還需進一步提高板材的成形性能指標，即厚向異性系數r值。目前，對6×××系鋁合金板材厚向異性系數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低于IF鋼板的，能達到的極限應變也遠小于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中，也需采用特殊工藝進行成形加工。

　　冷沖壓是一種常用的高生產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，得到具有良好的時效強化效果的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行了研究，發現經預處理工藝后得到的T4PD態（T4處理后進行預時效處理）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、第二相構成以及力學性能的影響方面，合金元素的改變也會引起微觀織構的變化，從而影響材料的成形性能，這些方面的研究數據還有待進一步完善。

　　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的研究。溫成形技術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，然后迅速轉移到模具內進行沖壓成形，從而獲得強度高、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預測模型得到n值和m值隨成形溫度的變化規律，研究表明升高溫度可以大幅增加鋁合金板的極限應變。溫度的升高會導致板材軟化現象的發生，從而使強度降低，還可能會出現集中失穩而斷裂。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，結果表明200℃是四種成形溫度中的最佳成形溫度，能實現其成形深度達到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量。馬聞宇[52]分析了壓邊力、摩擦因數和沖壓速度對熱沖壓成形性的影響，揭示了工藝參數對沖壓件的厚度分布、厚度均勻性、應變路徑和失效形式的影響規律。李久輝[53]研究了板料成形溫度、壓邊力和摩擦因數對回彈影響的大小，研究結果發現板料加熱溫度影響最為顯著，壓邊力次之，摩擦因數影響最小。

　　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量，還需在微合金元素、熱處理狀態和沖壓成形工藝等方面做進一步研究與探索。

3結束語

　　（1）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、時效強化和硬度等產生了較大的影響。

　　（2）6×××系鋁合金的織構分為變形織構和再結晶織構，不同的熱處理狀態和軋制過程產生的織構成分不同。織構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于室溫下IF鋼板的成形極限曲線，但厚向異性系數r遠低于冷軋鋼板的。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，應綜合考慮合金元素、織構、熱處理狀態和成形工藝等方面的影響，研制出綜合性能更優的車身板材，提升我國汽車制造的輕量化水平。

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聲明：本文內容轉載自期刊輕合金加工技術，作者：汪建強，郭麗麗（大連交通大學材料科學與工程學院，連續擠壓工程研究中心），文中觀點僅供分享交流，轉載請注明出處，如涉及版權等問題，請您告知，我們將及時處理！