安全、環(huán)保和節(jié)能是當前汽車制造業(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(yè)發(fā)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(yè)發(fā)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(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×××系是非熱處理強化鋁合金，成形性能優(yōu)良，主要用于生產(chǎn)形狀復雜的內(nèi)板件，但板材在沖壓變形時表面易出現(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(xiàn)軟化現(xiàn)象，抗腐蝕性和焊接性均不如6×××系鋁合金[10]。6×××系鋁合金強度適中，成形性和耐蝕性好，綜合性能優(yōu)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(gòu)、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(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(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)量分數(shù)，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(chǎn)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(xù)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(jié)果表明，當Cu含量超過0.57%時，合金形成GP區(qū)，經(jīng)170℃時效30min后，合金中還出現(xiàn)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(chǎn)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(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、時效對軋制織構(gòu)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)不同預時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(fā)現(xiàn)[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(jié)晶狀態(tài)，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(jīng)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(shù)值模擬對比了不同時效處理狀態(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(fā)現(xiàn)在175℃時，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。韓小強等[36]研究6061-T6鋁合金板材溫熱狀態(tài)下的力學性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)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(shù)n、厚向異性系數(shù)r、屈服強度、抗拉強度和伸長率等。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）?？梢钥闯?，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(shù)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(fā)生回彈、起皺和表面損傷，影響表面質(zhì)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(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(chǎn)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(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(fā)現(xiàn)經(jīng)預處理工藝后得到的T4PD態(tài)（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(gòu)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(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(zhuǎn)移到模具內(nèi)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(guī)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(xiàn)象的發(fā)生，從而使強度降低，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，結(jié)果表明200℃是四種成形溫度中的最佳成形溫度，能實現(xiàn)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(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、時效強化和硬度等產(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。織構(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。

　?。?）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(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。

參考文獻：

［1］孫永飛，景作軍．汽車輕量化技術及其應用［J］．汽車與配件，2010(23)：32－35．

［2］汪文奇．汽車沖壓領域的新材料及新工藝［J］．模具制造，2012(1)：62－66．

［3］龍江啟，蘭鳳崇，陳吉清．車身輕量化與鋼鋁一體化結(jié)構(gòu)新技術的研究進展［J］．機械工程學報，2008，44(6)：27－35．

［4］HUNGN，MAＲIONM．

Improvedformabilityofaluminumalloysusinglaserinducedhardeningoftailoredheattreatedblanks［J］．PhysicsProcedia，2012，39：318－326．

［5］朱則剛．鋁合金復合材料在汽車輕量化上的應用［J］．輕金屬，2011(10)：3－6．

［6］ALEXANDEＲK，DANIELW，MAＲIONM．

InfluenceofashorttermHeattreatmentbyconductionandInductiononthemechanicalpropertiesofAA6014alloys［J］．PhysicsProcedia，2014，56(3)：1410－1418．

［7］王孟君，黃電源，姜海濤．汽車用鋁合金的研究發(fā)展［J］．金屬熱處理，2006，31(9)：34－38．

［8］武仲河，戰(zhàn)中學，孫全喜，等．鋁合金在汽車工業(yè)中的應用與發(fā)展前景［J］．內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2008，5(9)：59－60．

［9］劉闖，姚嘉，等．鋁合金在汽車上的應用現(xiàn)狀和前景分析［J］．佳木斯大學學報，2006，24(4)：559－562．

［10］張金鵬．不同狀態(tài)6016鋁合金的沖壓成形性能研究［D］．合肥：合肥工業(yè)大學，2014．

［11］李冰峰．淺談汽車車身用鋁板帶的生產(chǎn)［J］．有色金屬加工，2012，41(4)：22－24．

［12］POGATSCHEＲ，ANTＲEKOWITSCH，LEITNEＲ，etal．

MechanismscontrollingtheartificialagingofAl-Mg-SiAlloys［J］．ActaMaterialia，2011，59(9)：3352－3363．

［13］SAKUＲAIT．

Thelatesttrendsinaluminumalloysheetsforautomotivebodypanels［J］．KobelcoTechnologyＲeview，2008，28(28)：22－28．

［14］王敏．預時效對6×××系鋁合金汽車車身板材烤漆硬化性能影響的機理［D］．沈陽：東北大學，2014．

［15］劉星興．微合金化及熱處理對車身用6016鋁合金組織與性能的影響［D］．長沙：中南大學，2013．

［16］何立子．Al-Mg-Si系合金組織性能［D］．沈陽：東北大學，2001．

［17］劉宏，趙剛，劉春明，等．Mn對Al-Mg-Si-Cu鋁合金車身板組織和性能的影響［J］．東北大學學報(自然科學版)，2005，26(4)：347－350．

［18］馮銀成．6061鋁合金熱變形及時效過程中的組織力學行為研究［D］．長沙：湖南大學，2010．

［19］李海，王秀麗，史志欣，等．Al-Mg-Si-(Cu)鋁合金在連續(xù)升溫中的析出行為［J］．中國有色金屬學報，2011，21(9)：2028－2034．

［20］CHAUDHUＲYSK，APELIAND．

EffectsofMgandCucontentonquenchsensitivityofAl-Si-Mgalloy［J］．InternationalJournalofMetalcasting，2016，10(2)：138－146．

［21］金曼，邵光杰．Cu對6082Al-Mg-Si合金時效初期析出相的影響［J］．中國有色金屬學報，2009，19(1)：1－7．

［22］JIY，ZHONGH，HUP，etal．

UseofthermodynamiccalculationtopredicttheeffectofSiontheageingbehaviorofAl-Mg-Si-Cualloys［J］．Materials＆Design，2011，32(5)：2974－2977．

［23］張建新，邵水軍，高愛華．Mg/Si質(zhì)量比對Al-Mg-Si系合金組織性能的影響［J］．輕金屬，2012，32(9)：56－59．

［24］楊中玉，張津，郭學博，等．鋁合金的織構(gòu)及測試分析研究進展［J］．精密成形工程，2013，5(6)：1－6．

［25］ENGLEＲO，HIＲSCHJ．

TexturecontrolbythermomechanicalprocessingofAA6xxxAl-Mg-Sisheetalloysforautomotiveapplications—areview［J］．MaterialsScience＆EngineeringA，2002，336(1)：249－262．

［26］陳揚，趙剛，劉春明，等．冷軋6111鋁合金板材固溶處理后的再結(jié)晶織構(gòu)［J］．中國有色金屬學報，2006，16(2)：333－338．

［27］謝錦岳．6016鋁合金板材的織構(gòu)和微觀組織研究［D］．重慶：重慶大學，2015．

［28］陳海軍．微量Sr對Al-Mg-Si-Cu基合金板材織構(gòu)及成形性能的影響［D］．鄭州：鄭州大學，2004．

［29］張克龍．6016鋁合金車身用板材工藝過程的組織和織構(gòu)演變研究［D］．重慶：重慶交通大學，2015．

［30］韋江濤．超細晶6061Al-Mg-Si鋁合金的力學性能和摩擦磨損行為［D］．南京：江蘇大學，2016．

［31］周筱靜．新型6×××系鋁合金熱變形行為及熱處理研究［D］．長沙：中南大學，2013．

［32］張仕嬌．熱處理對汽車車身用6022、6111鋁合金微觀組織及性能影響［D］．北京：北京有色金屬研究總院，2013．

［33］BOLTPJ，LAMBOONAPM，ＲOZIEＲPJCM．

Feasibilityofwarmdrawingofaluminiumproducts

［J］．JournalofMaterialsProcessingTechnology，2001，115(1)：118－121．

［34］LID，GHOSHA．

Tensiledeformationbehaviorofaluminumalloysatwarmformingtemperatures［J］．MaterialsScience＆EngineeringA，2003，352(1–2)：279－286．

［35］李翔，唐建國，張新明，等．溫變形對汽車車身用6061鋁合金自然時效及力學性能的影響［J］．中國有色金屬學報，2016，26(1)：1－6．

［36］韓小強，戴明華，胡平，等．汽車鋁合金覆蓋件輕量化溫成形技術關鍵問題［J］．鍛造與沖壓，2013(12)：38－42．

［37］戴明華．汽車車身6×××系鋁合金板材溫成形技術研究［D］．大連：大連理工大學，2014．

［38］葛麗麗．6016鋁合金板材沖壓成形性能研究［D］．大連：大連交通大學，2014．

［39］李文意，楊伏良，馬政，等．新型高塑鋁-鎂-硅系鋁合金的力學性能［J］．機械工程材料，2010，34(6)：58－60．

［40］曹零勇，郭明星，崔華，等．汽車用6111鋁合金板材力學性能和織構(gòu)研究［J］．材料熱處理學報，2013，34(7)：118－123．

［41］鄒京濱，王祝堂．汽車車身鋁合金薄板概要［J］．輕合金加工技術，2016，44(6)：1－6．

［42］盧金棟．汽車用輕量化鋁合金板材溫成形極限研究［D］．大連：大連理工大學，2014．

［43］徐?。甀F鋼成形極限的研究［D］．武漢：武漢理工大學，2015．

［44］SAFDAＲIANＲ．基于應力成形極限圖的6061鋁合金成形特征［J］．中國有色金屬學報(英文版)，2016，26(9)：2433－2441．

［45］JAINM，ALLINJ，LLOYDDJ．

Fracturelimitpredictionusingductilefracturecriteriaforformingofanautomotivealuminumsheet［J］．InternationalJournalofMechanicalSciences，1999，41(10)：1273－1288．

［46］汪建強，郭麗麗，李永兵，等．6016鋁合金板材室溫成形性及其數(shù)值模擬［J］．塑性工程學報，2018，25(2)：43－51．

［47］郭正華．鋁合金板溫成形關鍵技術的研究［D］．武漢：華中科技大學，2004．

［48］李文意，楊伏良，馬政，等．新型高塑鋁-鎂-硅系鋁合金的力學性能［J］．機械工程材料，2010，34(6)：58－60．

［49］馬鳴圖，游江海，路洪洲，等．鋁合金汽車板性能及其應用［J］．中國工程科學，2010，12(9)：4－20．

［50］張鈞萍，馬鳴圖，方剛，等．鋁合金板材抗凹性能研究［J］．中國工程科學，2014，16(1)：108－112．

［51］侯波，于忠奇，李淑慧，等．溫成形中鋁合金板成形極限圖的預測研究［J］．材料科學與工藝，2009，17(5)：616－619．

［52］馬聞宇．AA6082鋁合金熱沖壓成形控性規(guī)律研究及工藝優(yōu)化［D］．北京：北京科技大學，2016．

［53］李久輝．鋁合金板熱成形性能研究及工藝參數(shù)優(yōu)化［D］．吉林：吉林大學，2017．

聲明：本文內(nèi)容轉(zhuǎn)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(xù)擠壓工程研究中心），文中觀點僅供分享交流，轉(zhuǎn)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！