6101铝合金时效过程中析出相对电阻率的影响

6101铝合金时效过程中析出相对电阻率的影响
刘振兴;张新明;唐建国
【摘要】The influences of precipitates on relative resistivity of 6101 aluminium alloy in aging at 175-195℃was investigated by hardness-testing,in-situ resistivity testing and transmission electron
microscopy(TEM), and the modified Matthiessen’low was introduced to calculate the influence on resistivity at different aging time.Results about the aging temperature and time were gotten.It suggested that the shorter the forming time of clusters at the early stage of aging was,the lower the relative resistivity and the hardness was.At the later stage of aging at 1 7 5 ℃,the increasing of the density of precipitates leads to the decrease of the spacing,and the relative resistivity almost retains.From this research the aging treatme nt 175 ℃/680 min emphasizing on high strength and
195 ℃/220 min emphasizing on good conductivity were constituted and ensured reasonably by performance.%采用硬度测试、原位电阻测试及 TEM 等手段,研究了6101铝合金在175~195℃下时效析出相对相对电阻率(Δρ%)的影响,利用修正的马蒂森定则计算了175℃时不同时效时间析出相对相对电阻率的影响,得到了影响合金力学性能和导电率的温度时间判断依据。

结果表明,随着温度的升高,时效初期团簇形成的时间越短,相对电阻率越低,硬度峰值也越低；175℃时效后期,析出相的密度增加,相间距减小,析出相对相对电阻率的影响基本稳定,导电率基本稳定。

借助研究结果,确定了以力学性能优先和导电率优先的时效制度
175℃/680 min 和195℃/220 min,性能测试显示选取依据合理。

【期刊名称】《功能材料》
【年(卷),期】2014(000)002
【总页数】6页(P2119-2123,2128)
【关键词】电阻率;6101Al-Mg-Si铝合金;时效;析出相
【作者】刘振兴;张新明;唐建国
【作者单位】中南大学材料科学与工程学院，长沙 410083; 有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，长沙 410083;中南大学材料科学与工程学院，长沙410083; 有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，长沙 410083;中南大学材
料科学与工程学院，长沙 410083; 有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，
长沙 410083
【正文语种】中文
【中图分类】TG166.3
1 引言
随着工业发展、能源的节约及工业成本的制约，6000系铝合金由于其适中的强度、较好的塑性和耐蚀性及优秀的导电性能被广泛地应用于汽车、电力和电器行业［1－5］。

6101/6101A 和6201铝合金相对于其它6000系铝合金合金化程度更低，同时具有6000系铝合金可热处理强化的特点，并且具有更高的导电能力。

6000
系合金的析出行为在研究者多年的研究中确定为［6－10］饱和固溶体→ Si/Mg
团簇→ （Si，Mg）团簇→GP（I）区（→ pre－β″相）→ β″相→ β′相→ β相，其中pre－β″相与β″相具有相同的晶体结构，只有通过 HRTEM才能分辨出其与
基体连续性的差异。

散射中心的尺寸与自由电子自由程的相近程度会影响电阻率的大小，散射效果越强，电阻率越大，反之越小。

研究者发现［11－13］，析出过
程中，可以利用导电率的变化来表征合金的析出行为：时效析出前期，团簇的形成加强了对自由电子的散射导致导电率下降，随着析出相的形成，峰值时效时由于消耗溶质原子使得导电率升高［14－15］。

马蒂森定则（Matthiessen’low）解释了金属中电阻率与金属杂质（固溶溶质原子）的关系［16－17］
式（1）中，ρ 为金属的电阻率，ρpure（T）为温度T 时纯金属的电阻率，∑iρi C i为i种杂质原子对电阻率影响的总和，其中ρi为第i种杂质原子的电阻率，C i为其浓度；但是不能很好地解释金属固溶体脱溶析出行为对电阻率的影响。

Raeisinia等［18］对法则进行的修正，引入析出相（第二相）对合金电阻率的影响，有效地说明了析出相交互作用对金属电阻率的影响。

式中，λ＝为析出相间距，f A为析出相体积分数，ρppt为析出相对合金电阻率的影响，其阐述了在一定相尺寸范围内，相间距的减小会阻碍自由电子流动。

同时，相间距的变化导致材料力学性能的变化，所以研究相分布对合金力学性能与导电性能的联系，对金属导电材料的发展至关重要。

通过研究相对电阻率曲线的变化特点并结合硬度曲线的联系，阐述了时效初期团簇形成与力学性能的关系；利用修正的马蒂森定则，研究了6101合金在时效析出过程中，β″相（包含pre－β″相）析出与相对电阻率变化的联系。

本文对Al－Mg－Si合金时效制度的制定尤其是导电合金，有一定的指导意义。

2 实验材料与方法
实验用6101 Al－Mg－Si合金为直径8 mm的挤压棒材，其化学成分如表1所示。

合金的热处理过程为525℃固溶1 h，水淬至室温，在175℃时效，时效时间从
0～24 h。

透射电镜试样的制备方法为，从棒材上切下薄片，用砂纸粗磨至80μm，制备成直径3 mm的圆片，进一步在体积分数为20%的硝酸甲醇溶液中进行双喷减薄得到透射薄区。

双喷减薄的工作条件为工作电压18 V，温度－25℃。

将双喷后样品在酒精中洗涤干净后干燥，在型号为TECNAIG2 20的透射电镜上进行TEM观察，加速电压为200 k V。

通过图像分析软件Image J对TEM照片进行相尺寸、相平均体积分数、相密度统计分析，每组样品至少10张照片。

采用开尔文双臂电桥测试样电阻率，原位测量过程在带加热装置的夹头中进行，每10 min测量1次。

样品规格为3 mm×4 mm×75 mm。

为处理方便将测试数据通过Δρ%＝转换，定义Δρ%为相对电阻率，本文中Δρ%变大则导电率增大电阻率减小，ρ为测试条件下瞬时电阻率，ρ0为测试条件下初始电阻率。

将式（2）带入后为
硬度测试设备型号为 Hv－10B，每组样品重复2次，每个样品在一条直线上取5点，然后取平均值。

室温拉伸测试样品按照国标GB/T228－2002加工，设备为CSS 4100电子万能试验机，拉伸速度为2 mm/min。

表1 合金成分Table 1 Content of the alloy合金 Si Mg Fe Na Ca V Ti 其它单个总共Al Mg2 Si 过量Si含量/（%，质量分数）0.378 0.613 0.123 0.025 0.012 0.007 0.002 ＜0.01 ＜0.03 98.8 0.96 －0.007
3 结果与分析
3.1 时效初期温度对析出及电阻率的影响
文献表明［19－20］，Al－Mg－Si合金中的相转变过程是热激活，受热扩散控制，温度越高越有利于析出相的形成。

图1显示，不同温度下的Δρ%随时间持续
增大，在时效初期，Δρ%随温度升高反而减小，在时效后期，Δρ%随温度的升高
而增大；不同时效温度下硬度值随时间不断升高，175℃下合金具有最佳的时效硬化效果，在360 min后基本处于硬度峰值平台，在720 min达到最大硬度值，185℃则在300 min之后进入峰值平台，195℃则在90 min之后。

继续延长时间，175℃时合金的硬度维持在峰值平台，185和195℃时合金硬度峰值平台保持一段时间后均下降。

图1 维氏硬度和相对电阻率（原位）随时间和温度的变化Fig 1 The change of Vicker hardness and relative resistivity of samples with aging temperature and time
图2（a）－（c）显示了时效初期（60 min）不同温度下的析出状况。

175℃时只析出少量的GP（I）区和等轴的β″相（pre－β″相），185 ℃时析出了少量β″相
与β′相，195℃时β″相与β′相的密度和尺寸均＞185℃时。

图2（e）－（f）显示进入硬度峰值平台（时效后期）后，175℃时析出大量β″相（pre－β″相），185
和195 ℃时的主要析出相为β″相与β′相，相尺寸和密度均大于时效初期，195℃
时β′相比例明显大于185℃时，而175℃时的相密度最大。

综合图1、2可知，合金的Δρ%随时效时间延长而增大，但是在时效初期，Δρ%
的大小与温度的高低却相反，说明温度高的情况下，时效析出作用加强，却抑制了Δρ%增大。

图2（a）－（c）显示，在时效初期，175℃出现少量的等轴状β″相（pre－β″相）和 GP（I）区，185和195℃均出现β′相，而且195℃时的β″相与β′相较多，但是图1中Δρ%的平台却比175℃还低，考虑到团簇的出现会加强对
自由电子的散射［11，18］，在温度越高的情况下，团簇的数量会越多，导致Δρ%下降越明显，虽然β″相（pre－β″相）和β′相的形成消耗了溶质原子会升高Δρ%，团簇和析出相的作用相互叠加使得Δρ%的平台高度随温度升高反而下降，说明温
度越高，团簇的数量越多，团簇的作用越明显。

同时随温度升高，Δρ%平台出现
时间越早，平台长度越明显，平台结束时间越早。

团簇形成的时间越长对时效过程中合金的硬度峰值提高越有利。

图1中，硬度在到达峰值平台之后，这种抑制作用减弱或消失，Δρ%随温度升高而增大。

在高温下，Δρ%升高得更快，说明β″相与β′相形核后快速生长，增大了Δρ%，伴随着β′相出现，硬度就会降低。

总之，选择时效温度时，在保证强化相类型的前提下，考虑团簇在时效过程中形成时间的长短，来影响强度峰值平台强化相的尺寸、分布，并决定合金的最终力学性能。

在时效初期，可以参考Δρ%曲线的高度及平台长度，高度越高、长度越长越接近对力学性能有利的最佳时效温度。

图1中的硬度曲线很好地验证了这一点。

图2 不同温度时效后的TEM形貌Fig 2 TEM images of samples in aging at different temperature
3.2 时效过程析出相的演变及其对相对电阻率的影响
在175℃进行时效热处理，如图3所示，随着时效时间延长，合金中时效强化相β″相的密度逐渐增大，时效析出相的尺寸迅速增大，到达平衡后基本保持不变；图4显示，随时效时间延长，Δρ%与时效析出相密度变化趋势类似（图4（a）、（c）），迅速增长后增长速率变缓（图4（c）），相平均尺寸增大到3.1 nm 后基本保持不变（图4（b）），甚至相平均长度有所下降（图4（d））。

图3 175℃下时效后的TEM形貌Fig 3 TEM images of samples in aging at 175℃
综合图3与图4，β″相析出直接导致Δρ%上升，但是720 min后，合金中仍然有较多尺寸较小的β″相，这些小尺寸相的出现使得相密度增加，Δρ%的变化速率却变得缓慢。

相密度的变化导致相间距改变。

当相间距λ与电子自由程在相同数量级时，这种相分布会加强对自由电子的散射［21］，导致相对电阻率减小，削弱时效析出过程消耗溶质原子而大幅度减少散射中心的作用。

根据式（2）中参数的
计算，表2给出了时效过程中，析出相β″相的分布对相对电阻率Δρ%的影响。

显然，60 min时（图3（a））的析出相很少，ρppt 却较大，考虑到团簇对电子的
散射作用，计算的λ与ρppt实际上反映了团簇与相析出对电子散射作用的叠加，导致Δρ%增速缓慢。

720 min时，析出相间距减小到15 nm，ρppt反映了过小
的相间距对电阻率的贡献，此时ρppt 与∑iρiΔC i（溶质原子消耗引起的电阻率下降量）相比，不到其10%，与60 min时刻相比，ρppt增加了80%。

在时效后期，ρppt的存在，使得瞬时溶质原子浓度变化与相间距对Δρ%的影响接近，导致Δρ%的上升速率变得非常缓慢。

图4 175℃保温后合金的析出相参数与相对电阻率的关系Fig 4 The evolution of the precipitates’parameters in aging at 175℃
表2 175℃下合金中β″相的相间距与电阻率的关系Table 2 The spacing（λ），
ρppt and∑iρiΔC i of the precipitates in the alloy during aging at 175℃时间
/min 相间距λ/nm ρppt/Ω·m－1 ρppt/ ∑iρiΔC i 60 52±4.8 1.67±0.08 1.34 210 29±2.4 2.24±0.1 0.22 320 23±1.5 2.52±0.08 0.15 720 15±1.7
3.08±0.17 0.08
考虑时间对时效的影响时，必须考虑时效相的形核、生长过程对力学性能和导电性能的影响。

在单级时效中，形核与生长一直存在。

时效初期，固溶体过饱和度较高，受扩散控制，形核之后相迅速生长到一定尺寸，之后β″相几乎不再长大；随时效
时间延长，固溶体过饱和度降低，在长大相之间相形核后（图3（d）），生长需
要较高的能量起伏，而温度恒定，相生长受到抑制［22］。

所以，Δρ%变化变缓
之后，相析出基本到达了平衡，析出相处于缓慢生长过程，硬度变化缓慢，导电率上升变缓，合金的力学性能与导电率在该温度下基本稳定。

3.3 6101铝合金时效制度的确定及性能测试
综合以上研究观点，如图5所示，175和195℃下6101铝合金的Δρ%曲线，选
取时效初期平台高的温度175℃来进行侧重力学性能的时效热处理，观察Δρ%变
化最缓慢的位置，120和680 min，在680 min后Δρ%基本稳定，所以选择680 min为热处理时间；选择初期平台低的温度195℃来进行侧重导电性能的时效热
处理，根据Δρ%变化率选择220 min。

表3为两种制度下导电率和室温拉伸强度数据。

图5 6101铝合金在195与175℃保温时的相对电阻率Fig 5 Relative resistivity of 6101 aluminium alloy warming at 195 and 175℃
表3 不同时效制度下合金的导电率和室温拉伸强度Table 3 Electric conductivity and tensile strength in room temperature of alloy in different aging processes时效制度σb/MPa σ0.2/MPa κ/%IACS 175 ℃/680 min 240.5±2 216.3±1.5 57.34±0.5 195℃/220 min 217.0±3 184.3±3 59.27±0.5
对比两种时效制度的性能数据，175℃/680min的力学性能优于195℃/220min，而导电率则反之。

说明这种选取时效制度的方法是有效的。

4 结论
通过对6101合金微观结构变化的分析，确定了析出相形核，生长过程与电阻率变化的关系。

（1）在175～195℃时效过程中，时效初期形成团簇的时间段越长，峰值硬度越高，相对电阻率越低，到时效后期，相对电阻率升高越快。

（2）对于时效过程中，Δρ%曲线前期平台较高的温度有利于合金力学性能的提高，Δρ%变化率变化缓慢时，合金的力学性能基本稳定，导电性能提高缓慢。

对
于时效过程中，Δρ%曲线前期平台较低、后期较高的温度有利于改善导电性能、
耐蚀性能等与电化学性质有关性能，但不利于力学性能。

（3）通过这种方法确定了6101铝合金力学性能优异的时效制度175℃/680min，其屈服强度达到216.3MPa；导电性能优异的时效制度195℃/220 min，导电率
达到59.27%IACS。

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